小學人工智能編程課程分層教學探索

孫啟超

國務院印發(fā)的《全民科學素質行動規(guī)劃綱要（2021—2035年）》明確要求“激發(fā)青少年好奇心和想象力，增強科學興趣、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，培育一大批具備科學家潛質的青少年群體，為加快建設科技強國夯實人才基礎”。河南、山東、安徽、廣東、浙江等省份在基礎教育階段陸續(xù)開設信息技術課程與人工智能課程，并將分層教學模式應用其中。在本文中，我們結合實際案例對分層教學模式的實際應用展開探討。

一、人工智能編程課程現(xiàn)狀與分層教學

1. 人工智能編程課程教學現(xiàn)狀

國務院頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》要求“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”。近年來，廣東、福建、上海等省市重點借助智能設備進行課堂指導；在人工智能編程課程教學活動中，學校逐漸引導學生參加不同等級的編程比賽、機器人大賽、人工智能競賽等。

2. 分層教學

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》提出“注重因材施教。關注學生不同特點和個性差異，發(fā)展每一個學生的優(yōu)勢潛能，推進分層教學……教學管理制度改革”。

隨著我國社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，很多學生盡管對計算機、人工智能、信息技術等名詞并不陌生，但因為城鄉(xiāng)教育主體之間在發(fā)展水平方面還存在明顯的差距，所以，實施分層教學是解決當前我國城鄉(xiāng)教育差異問題的一個最佳策略。

二、小學人工智能編程課程分層教學案例探索

筆者將全班學生劃分成3個小組，然后以3個小組學生的整個學習過程、制作成品等為切入點，對教學內容、課程教學目標、分層教學計劃、教學活動評價、教學策略反思等進行逐一探究，思考在“智能臺燈設計”課堂教學活動中采用分層教學模式的實際成效。

1. 明確教學內容

這一章節(jié)的教學內容包括三個部分，即傳感器特性、LED燈工作原理、“假若……執(zhí)行……”的功能切換。教師的教學職責是指導學生對相關概念及定義進行理解，逐步了解LED的內部結構與運行原理，為下一步進行實踐操作做準備。

2. 設置課程教學目標

本課教學目標具體包括：①指導學生掌握傳感器特性，認識LED燈的運行原理；②了解主控模板的具體應用功能及特點，能夠靈活應用“假若……執(zhí)行……”功能模塊；③熟練設計智能臺燈的內部結構，然后對其進行組裝、搭建、連線、程序設計、功能調試、結果驗證等；④確保產品設計形態(tài)與結構科學、完整，能夠確保用戶獲得理想的體驗；⑤對整個程序參數(shù)進行驗證，確保其設置正確、合理。

3. 設計分層教學計劃

在這一章節(jié)的教學設計中，結合學生的實際情況制訂分層教學計劃，教師需要考慮三個重要主體：學生、教學目標與教學策略。

（1）需要對學生進行個性化分層

A組是小學4年級學生，他們在3年級的時候接觸過編程類的知識，有一定的基礎，并且還參加過社團實踐活動（6個月左右），但是都沒有參加過任何人工智能編程類、機器人類的競賽活動；B組是小學5年級學生，學習編程課程的時間超過2年，基礎相對穩(wěn)固，參加社團實踐活動約有1年，其中有2名學生參加過市級計算機編程大賽、省級機器人競賽；C組是小學6年級學生，接觸編程課程已有4年左右，并且參加社團實踐活動超過3年，每一名學生都參加過不同等級的編程類、機器人類競賽。

（2）需要對教學目標進行個性化分層

A組：①掌握傳感器的基本特性，并進行組內討論與研究；②逐步設計智能臺燈，并嘗試進行成品搭建；③逐步掌握“假若……執(zhí)行……”功能模塊。B組：前3條與A組相同，另外，要編寫程序，并自主調試與反饋，確保操作成功。C組：前3條與A組相同，另外，要對制作好的成品進行介紹，確保其不少于兩個典型特征。

（3）需要對教學策略實施分層設計

A組：教師需要對學生進行組織能力的培養(yǎng)，安排學生組內合作學習，大家一起收集相關的圖片、視頻、3D圖紙等，然后加強學生的思維能力訓練，確保學生在現(xiàn)有教學資料的基礎上挖掘一些新線索，整理一些新信息，確定最新的設計思路與研究方向。

B組：教師需要對學生進行認知發(fā)展能力的培養(yǎng)。鼓勵學生積極參加相應的實踐設計活動，然后從中整理出相關問題，并力爭能夠自主解決，教師需要對一些關鍵性的問題進行針對性指導與輔助。

C組：教師需要對學生進行自我管理能力的培養(yǎng)。具體來說，需要向學生介紹設計原則、傳授思維方法，引導學生對整個設計過程進行探索，然后觀察學生的一舉一動，鼓勵學生自主發(fā)揮與操作，教師在旁給予指點，逐步彰顯學生的主體地位。

4. 展示教學效果

（1）A組學生作品介紹

對于A組學生來說，其作品設計結構包括聲音傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光感傳感器、開關按鈕、LED燈、主控線路等。在作品設計過程中實現(xiàn)兩個功能：①聲控燈。如果光線變暗，且聲音達到特定數(shù)值的話，LED燈會自動開啟。②根據(jù)氣溫變化調整LED燈的色調。假若溫度偏低，不足30℃，LED燈調整成暖色調；假若溫度偏高，不低于30℃，LED燈則調整成冷色調。通過功能測試能夠發(fā)現(xiàn)，A組學生在設計聲控燈的過程中，各項任務基本完成，但是對于調整LED燈色調的功能，因沒有測試條件，未進行評判。

（2）B組學生作品介紹

對于B組學生來說，其作品設計結構包括聲音傳感器、紅外傳感器、開關按鈕、LED燈、舵機、主控線路等。在作品設計過程中實現(xiàn)兩個功能：①提示噪聲。如果周圍環(huán)境出現(xiàn)噪聲，且音量不低于80dB，LED燈會出現(xiàn)七彩跑馬燈的變化。②用平板電腦靈活地控制LED燈的方向或停止等。如果平板電腦朝著左（右）傾斜，那么LED燈柱則會朝著左（右）旋轉；如果平板電腦朝上傾斜，那么LED燈柱則會停止運行。通過功能測試我們發(fā)現(xiàn)，這一小組的所有功能設計目標都順利實現(xiàn)。

（3）C組學生作品介紹

對于C組學生來說，其作品設計結構包括超聲波傳感器、壓力傳感器、開關按鈕、LED燈、舵機、輪子、主控線路等。在作品設計過程中實現(xiàn)三個功能：①折疊便攜。作品最初是黃燈，在觸碰壓力傳感器的時候，LED燈會熄滅，燈柱會隨之倒下折疊，確保能夠靈活攜帶；在長按鍵的情況下，燈柱則會立刻恢復原位。②通過平板電腦能夠靈活地控制智能臺燈的前進或后退，使其抵達目的地。因為并未配置輪子等相關組件，這一組需要安裝萬向輪，確保LED燈能夠自由轉動。③障礙物提示。如果發(fā)現(xiàn)周圍出現(xiàn)障礙物，且距離不超過8m，LED燈會變成紅色，說明有障礙物出現(xiàn)。通過功能測試，該小組的所有功能設計目標都順利實現(xiàn)。

5. 完成教學評價

在對學生的學習過程進行評價時，教師必須注意參考信息技術與人工智能編程課程在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)方面的綜合性要求。A組學生存在很多奇思妙想，不過這些想法可行性不足，想要完全實現(xiàn)非常困難，學生需要不斷學習更多的專業(yè)知識，積累豐富的經(jīng)驗。B組學生缺乏自我創(chuàng)新意識及能力，大部分時間都用在代碼的簡化設計方面。C組學生零件數(shù)量比較多，造成其發(fā)揮空間受限。整體來看，3組學生在整個操作過程中都存在一些短板，但是他們基本上都能夠掌握這一章節(jié)的基本知識點，順利完成教師安排的學習任務。

6. 進行課堂反思

第一，3組學生在進行作品設計的過程中，都選擇了2種及以上傳感器，同時還包括1個LED燈、主控線路等。除了A組學生有一個設計功能由于條件限制不能對其進行評測以外，其他兩組學生的功能設計目標基本上都順利實現(xiàn)，而且通過調試都能夠成功運行，這說明教師采用分層教學模式的實際成效是不錯的，整體能夠滿足預期教學要求。

第二，按照以上3組學生的整個設計活動的操作，我們能夠發(fā)現(xiàn)：A組學生比較看重結構搭建，注重用戶體驗，但是在周圍環(huán)境測試方面缺乏豐富的經(jīng)驗。這一組學生有一項功能測試并未完成，不過通過后續(xù)的代碼驗證，發(fā)現(xiàn)其代碼編寫正確。B組學生在結構搭建的過程中增加了一個零件—舵機，確保其與第三方工具的銜接更加緊密，整個操作過程是相對順利的。這一小組學生代碼設計與編程相對簡潔，不過邏輯思維比較混亂，整體來看，存在操作秩序不清等問題。C組學生不但增加了其他零件，而且增加了一個功能，代碼設計相對簡潔，整個過程的完成順暢度非常高，邏輯思維非常清晰。該組學生制作的思維導圖也非常完整、清晰，在表達方面非常順暢，作品功能良好。

第三，通過分層教學方法對學生進行引導，我們能夠發(fā)現(xiàn)相應的教學方法與各小組學生的基本學情相吻合，能夠最大化地激發(fā)學生熱情，幫助學生順利實現(xiàn)學習目標。教師的預期教學計劃也能夠順利完成。

第四，經(jīng)過一段時間的學習經(jīng)驗積累，再加上鼓勵學生參加比賽鍛煉等，我們發(fā)現(xiàn)，C組學生的思維相對開闊一些。這一組學生不管是在作品的外觀設計，還是在編程測試、功能設計等方面，都表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢；在團隊合作方面，C組配合得當，學習效率高，整體表現(xiàn)比較突出。

現(xiàn)今，我國小學人工智能編程課程教學工作并未廣泛推行，實施分層教學是一個亟待探索的重要課題。教師需要對學生的基本學情與實際情況進行精準分析與定位，然后分層次指導，并靈活調整相應的教學內容與方法，設計一系列與學生發(fā)展相吻合的編程活動，循序漸進地開展人工智能編程課程，這對于增強學生的學科綜合素養(yǎng)能發(fā)揮積極作用。

（作者單位：安徽省淮北市第一實驗小學）

責任編輯：趙繼瑩