基于STEAM理念的人工智能教學(xué)實踐

【摘要】人工智能這一新興的科技浪潮正在深刻地影響著我們的生活。在小學(xué)開展人工智能教學(xué)有助于學(xué)生從小了解先進的科學(xué)技術(shù)，激發(fā)學(xué)習(xí)新科技的主動性。文章基于STEAM教育理念，以“防近視智能管家”為例，開展項目化學(xué)習(xí)教學(xué)實踐，取得了較好的成效，為小學(xué)人工智能教學(xué)實踐開展提供參考。

【關(guān)鍵詞】STEAM理念;人工智能教學(xué);項目活動

一、引言

人工智能這一新興的科技浪潮正在深刻地影響著我們的生活?！八⒛樧R別”、“語音助手”、“智能安防”、“智能停車場”等智能產(chǎn)品也逐漸進入我們的生活，人工智能時代已經(jīng)到來。2017年國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出“實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程?！?018年教育部進一步明確提出“構(gòu)建人工智能多層次教育體系，在中小學(xué)階段引入人工智能普及教育?！比斯ぶ悄芙逃虒W(xué)進課堂時代已經(jīng)到來。

中山市教育局教研室非常重視人工智能教育的開展，楊仙逸小學(xué)作為中山市創(chuàng)客實驗學(xué)校之一，在2018年新增置了一批“Arduino UNO”智能主控板及Arduino開源硬件，在社團活動課上增加人工智能教學(xué)內(nèi)容，開展人工智能教學(xué)實踐。

二、STEAM教育理念與人工智能教育

STEAM教育結(jié)合了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)，關(guān)注實際問題，注重情境學(xué)習(xí)，以學(xué)生為中心，以工程設(shè)計為主導(dǎo)，注重培養(yǎng)學(xué)生面向未來的科學(xué)與工程素養(yǎng)和跨學(xué)科解決實際問題的能力。人工智能教育以項目式學(xué)習(xí)為主要方式，融合多學(xué)科知識，綜合應(yīng)用人工智能技術(shù)，模擬解決現(xiàn)實生活中的問題。它遵循STEAM理念，通過智能硬件搭建、軟件編程設(shè)計、原型制作、測試優(yōu)化等過程，創(chuàng)作出智能化個性化物品，將創(chuàng)意變成現(xiàn)實。在基于真實問題情境的教學(xué)中，教師以問題為驅(qū)動，學(xué)生以小組合作的形式，運用各學(xué)科所學(xué)知識進行探究、合作學(xué)習(xí)，學(xué)生通過調(diào)查、收集資料、分析問題、研討交流，規(guī)劃設(shè)計出解決問題的方案。在動手實踐的過程中體驗人工智能在生活中的應(yīng)用，感受利用人工智能技術(shù)為人們服務(wù)。學(xué)生在運用開源軟硬件進行“造物”的過程中，將學(xué)習(xí)到的科學(xué)、數(shù)學(xué)、美術(shù)、人工智能等學(xué)科知識與工程技術(shù)有機融合，從而獲得批判思維能力、設(shè)計能力、合作能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力。

三、基于STEAM理念的人工智能教學(xué)實施

下面以“防近視智能管家”項目活動為例，進行闡述。

（一）創(chuàng)設(shè)活動情境

在進入智能化時代的今天，我們可以借助智能設(shè)備來監(jiān)控我們的身體狀況，提醒我們健康地生活。圍繞“坐姿提醒預(yù)防近視”這個主題，學(xué)生實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)在我們身邊有些同學(xué)因課業(yè)增加，眼睛與書本距離過近、坐姿不正確，導(dǎo)致視力下降或駝背、塌腰、脊椎彎曲等問題，讓學(xué)生以保障人體健康為出發(fā)點，設(shè)計一種智能提醒裝置，激發(fā)學(xué)習(xí)動機，引出項目活動中需關(guān)注和掌握的知識技能。通過這個項目的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)生活中影響人們身體健康的因素，探討保持身體健康的方法，同時感受、體驗人工智能技術(shù)在生活中的應(yīng)用。

（二）問題引領(lǐng)，確定選題

問題是活動的開始，以問題為切入點，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，然后解決問題。

1.聚焦問題：在我們身邊有些同學(xué)因課業(yè)增加，眼睛與書本距離過近、坐姿不正確，導(dǎo)致視力下降或脊椎彎曲。

2.任務(wù)驅(qū)動：請以保障人體健康為出發(fā)點，設(shè)計一種智能提醒裝置。

3.確定選題：針對這個富含問題性的情境，鼓勵學(xué)生聯(lián)系實際深入思考，這個智能裝置最重要的是如何進行坐姿的檢測和防近視的提醒。學(xué)生展開頭腦風(fēng)暴，提出了許多的構(gòu)想，有“光線坐姿檢測儀”、“坐姿糾正器”、“視力保護燈”、“ 坐姿與視力監(jiān)測”、“防近視智能管家”等。

教師有意識地指導(dǎo)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，將課堂與現(xiàn)實生活聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生自主地發(fā)現(xiàn)問題，并根據(jù)自身已有的知識水平，選擇可行的項目選題。

（三）分析問題，設(shè)計方案

根據(jù)選好的項目選題，引導(dǎo)學(xué)生規(guī)劃設(shè)計出解決問題的項目方案。以“防近視智能管家”選題為例，分析問題，規(guī)劃設(shè)計方案。

1.拋出疑問：要解決的核心問題是什么、要實現(xiàn)的功能有哪些、要用到的核心設(shè)備有哪些，所需要的知識和技能有哪些等。

2.分析問題：需要解決的核心問題所涉及的具體問題有哪些，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會把大問題拆解成小問題逐個解決。接著引導(dǎo)同學(xué)思考討論：造成近視的環(huán)境因素有哪些，個人不良習(xí)慣有哪些？學(xué)生結(jié)合日常觀察、分析和討論列出如下因素：用眼時間過長，書本距離過近，光線不足，坐姿不正等。針對這些情況，提醒裝置要如何設(shè)計來解決這些問題，是全部解決還是部分解決？步步深入，引領(lǐng)學(xué)生討論分析出項目需要解決的具體問題有

（1）如何識別用戶正在用眼學(xué)習(xí)？

（2）如何計時？

（3）如何識別坐姿端正與否？

（4）如何提示？

（5）如何報警？

3.規(guī)劃設(shè)計方案：繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生采用頭腦風(fēng)暴的方法列出可能的解決方案，有的提出可利用超聲波傳感器檢測裝置前使用者看書或?qū)懽值木嚯x是多少;有的提出利用LED閃爍動作發(fā)送開始信號并開始累計用眼時間，如果使用者中途離開，計時重置;有的提出用圖像識別檢測使用者坐姿是否正確，也有的提出用傾斜傳感器檢測坐姿端正否;有的提出通過語音識別檢測使用者并開始計時;有的提出用人體紅外傳感器檢測使用者;有的提出用蜂鳴器發(fā)出不同頻率聲音分別對用眼時間過長和坐姿不端正進行報警等。學(xué)生在思考、交流的過程中形成團隊設(shè)計方案，不同團隊的個性化方案又能提出不同的解決方法。

規(guī)劃設(shè)計可以從多方面去思考，遇到問題不滿足于一個答案，不局限于一個角度的考慮。小組同學(xué)可以設(shè)計兩個或者多個方案，再把所有的方案進行交流研討并考慮現(xiàn)實條件進行可行性分析從中選擇最優(yōu)的那個。

（四）項目創(chuàng)作，測試優(yōu)化

當(dāng)提醒裝置的設(shè)計方案規(guī)劃好了，教師指導(dǎo)學(xué)生畫出設(shè)計原理圖，按照設(shè)計思路及原理圖選擇Arduino智能硬件材料并進行組件連接，接著繪出工作流程圖。用流程圖從整體上把功能編程思路理清，然后進行程序編寫及測試和外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計制作。項目活動過程中，同學(xué)們進行了有效的分工合作，有的進行組件連接及程序設(shè)計，有的進行資料的查閱，有的進行外殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計搭建。外殼制作材料主要為各種紙盒、雪糕棒、彩色卡紙等，工具主要為熱融膠槍、打孔器、超輕粘土、美工刀等。外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計制作由有藝術(shù)特長的同學(xué)負責(zé);結(jié)構(gòu)組件的連接與搭建由動手能力強的同學(xué)負責(zé);功能的測試和完善由編程能力強的同學(xué)負責(zé);撰寫報告進行分享則由表達能力較好的同學(xué)負責(zé)，小組成員各盡其能。

在測試中有同學(xué)提出 “環(huán)境光線如何是否要識別？”、“超時報警與坐姿不端的報警如何更好區(qū)分？”、“如何進行語音的識別？”、“如何使用人臉識別？”這時留給小組同學(xué)自主探究的時間和空間，自由討論，發(fā)散思維，提出不同的解決方法。對智能硬件組件的連接及功能編程一邊測試一邊修改，引導(dǎo)學(xué)生找出不足并分析原因，進一步思考實踐，找到解決方法。將設(shè)計方案落實到動手實踐再到作品，需要經(jīng)過不斷的嘗試、修改、完善，最終完成作品的創(chuàng)作。一次次的調(diào)整設(shè)計方案，一次次的測試改進程序，一次次的重選拆搭組件……大大激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，提升了耐挫能力，培養(yǎng)了堅持不懈的毅力。

學(xué)生在原型創(chuàng)作及調(diào)試的過程中，出現(xiàn)的一些問題，經(jīng)過小組同學(xué)研討及老師指導(dǎo)都能較好地解決，這也是創(chuàng)造的新過程。在這個小組學(xué)習(xí)共同體中，各個成員互相配合，他們的合作能力，應(yīng)對問題的能力顯著提升，創(chuàng)新思維得到很好的發(fā)展。

（五）成果展示，評價分享

作品完成后，安排各小組同學(xué)將本組活動情況與成果向班級開放，進行展示交流。讓各小組通過PPT演示將創(chuàng)意分享出來，將團隊的智慧展示出來。在展示中，闡述遇到的困難、解決的方法、小組合作的情況等，圍繞作品是否解決了核心問題、設(shè)計是否得當(dāng)、功能是否完善、智能硬件連接線路是否合理、外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計是否美觀、是否值得推廣應(yīng)用;PPT報告展示資料是否充足，語言是否簡潔、準(zhǔn)確、流暢等方面進行自評、互評和師評。在展示和評價中學(xué)習(xí)別人的優(yōu)點，提出參考意見或創(chuàng)新點，同時也發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)點和不足，并改進完善自己的不足之處。學(xué)生在評價中反思總結(jié)，并不斷優(yōu)化作品的設(shè)計與制作，加深了對人工智能知識、硬件搭建方法和編程技能的理解掌握同時也提高了對健康生活的認(rèn)識。學(xué)生在展示評價中品嘗成功的喜悅，體驗創(chuàng)造的快樂，其成就感、自豪感、自信心倍增。

（六）拓展提高，課后延伸

本項目中我們設(shè)計的作品由于傳感器位置是固定的，故只適合固定身高的人使用，如何設(shè)計一個各種身高的同學(xué)都能使用的智能作品呢？我們可以在課后繼續(xù)研究。

項目的學(xué)習(xí)不能僅局限在課堂上，而是要把理念延伸至課堂外。因此，課后讓學(xué)生討論、思考如何進一步完善作品，并根據(jù)實際問題情境來創(chuàng)作以引領(lǐng)下一個項目活動的開始。

四、實施成效

項目學(xué)習(xí)活動充分體現(xiàn)了STEAM教育理念，培養(yǎng)了創(chuàng)新創(chuàng)造能力，實現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)。

（一）點燃探究熱情

整個項目學(xué)習(xí)活動，學(xué)生熱情高漲，主動參與，積極探究。學(xué)生經(jīng)歷了“問題引領(lǐng)——構(gòu)思規(guī)劃——嘗試創(chuàng)造——優(yōu)化改進”的過程，在活動中體驗，在實踐中思考，既學(xué)到相關(guān)智能元器件的知識、編程技能，又掌握一定的工程技術(shù)，自主設(shè)計的智能提醒裝置既美觀實用又創(chuàng)意十足。

（二）發(fā)展核心素養(yǎng)

探究與學(xué)習(xí)相結(jié)合，創(chuàng)設(shè)了真實的情境，從理解“保障人體健康”問題開始，對視力保護、端正坐姿的原理進行探究并完成作品設(shè)計與功能實現(xiàn)，用成果展示、評價交流，分享成功，改進不足來開展活動。在這個過程中學(xué)生經(jīng)歷觀察、討論、分析，進而自由創(chuàng)意造物，就是多種思維綜合的過程。學(xué)生綜合使用科學(xué)（S：認(rèn)識超聲波傳感器、人體紅外傳感器、語音模塊、蜂鳴器、LED燈、液晶屏等電子元器件的使用方法）、技術(shù)（T：掌握電子元器件的線路連接，結(jié)構(gòu)的搭建）、工程（E：經(jīng)歷“情境問題——任務(wù)驅(qū)動——方案設(shè)計——硬件選擇——編程指導(dǎo)——結(jié)構(gòu)搭建——展示交流——拓展提高”的過程）、藝術(shù)（A：電子元器件的安裝、線路布置合理，結(jié)構(gòu)外形美觀、多樣）、數(shù)學(xué)（M：會運用計時統(tǒng)計、數(shù)據(jù)收集等知識）手段合作解決問題，創(chuàng)新實踐，發(fā)展核心素養(yǎng)。

（三）提升合作能力

在項目活動中，需要每一個成員都能清楚地表達自己的觀點，傾聽了解組員的看法。作品的創(chuàng)作能夠順利完成有賴于小組成員間的相互信任和相互尊重，學(xué)會聽取他人意見，進行有效溝通是非常重要的。在項目學(xué)習(xí)活動中能給學(xué)生創(chuàng)造合作的機會，訓(xùn)練合作的技能，培養(yǎng)合作的意識，體驗團結(jié)互助共享成果的快樂，提升合作能力。

五、思考與展望

通過項目活動的實施，發(fā)現(xiàn)本課程的教學(xué)還有許多需要繼續(xù)優(yōu)化和改進的地方，以更好地實現(xiàn)人工智能教育的培養(yǎng)目標(biāo)。教師在教學(xué)中應(yīng)針對學(xué)生認(rèn)知水平、創(chuàng)造能力，結(jié)合生活實際來設(shè)計項目化學(xué)習(xí)活動內(nèi)容;應(yīng)選擇合適的智能硬件材料如Mixly套件、掌控板等和圖形化編程軟件如Scratch或Mixly或Kittenblock;在活動中以學(xué)生為主體教師為主導(dǎo)，讓學(xué)生更自由地實踐更深入地探索;并設(shè)計好相關(guān)學(xué)習(xí)過程的評價標(biāo)準(zhǔn)及作品的評價標(biāo)準(zhǔn)，充分運用好過程性評價和總結(jié)性評價手段，使學(xué)生相互學(xué)習(xí)共同進步。

在中小學(xué)開展人工智能教學(xué)，讓每個學(xué)生在玩中學(xué)、學(xué)中做、做中思、思中創(chuàng)，在項目活動中發(fā)展核心素養(yǎng)。基于STEAM教育理念的人工智能教學(xué)項目化活動設(shè)計需要教師的不斷探索，讓我們一起用心鉆研、努力實踐，讓STEAM教育理念、人工智能教育教學(xué)走得更深更遠。

【參考文獻】

[1]國務(wù)院.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2]王振強.中小學(xué)人工智能教育現(xiàn)狀問題與思考[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2019，（11）20-21

[3]唐小為，王唯真.整合STEM發(fā)展我國基礎(chǔ)科學(xué)教育的有效路徑分析[J].教育研究，2014，（9）：61-68.

[4] 章雪梅.基于項目的學(xué)習(xí)及其教學(xué)設(shè)計[J].教育信息技術(shù)，2009，（2）：52-53

[5] 柴火創(chuàng)客教育項目組.一起造物吧[M]. 北京：人民郵電出版社，2017：4-5

作者簡介：何一蘭（1974.10），女，本科，學(xué)士，小學(xué)科學(xué)高級教師，小學(xué)科學(xué)教育

（責(zé)任編輯：鄧羽婷）