AI助力五育融合落地項目式學習實踐研究

頓卜雙

習近平總書記在全國教育大會上提出：“全面貫徹黨的教育方針，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人?！?sup>[1]教育是功在當下、利在千秋的德政工程，建設(shè)“五育并舉、融合育人”教育體系，在“終身育人”“智能育人”“融合育人”^[2]中引領(lǐng)基礎(chǔ)教育走向高質(zhì)量發(fā)展，是發(fā)展核心素養(yǎng)、落實立德樹人根本任務的重要途徑。在中小學教學中實現(xiàn)五育并舉和深度融合的關(guān)鍵是尋找一個有效的教學載體?！读x務教育信息科技課程標準（2022年版）》將人工智能列為信息科技課程內(nèi)容模塊，并強調(diào)人工智能課程要以真實項目為依托^[3]。人工智能學習項目因自帶的育人效能及跨學科特性，為五育融合落地提供了一條可行路徑^[4]。筆者設(shè)計“南果北種鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”項目，利用人工智能技術(shù)助力五育在該項目中的融合落地，并進行了實踐。

一、AI賦能五育融合的優(yōu)勢

（一）AI項目，拓展五育融合時空路徑

五育融合強調(diào)德、智、體、美、勞五育之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，注重五育間的深度融合^[5]。AI項目式學習是指學生在較長一段時間里，圍繞真實、復雜問題，利用人工智能技術(shù)不斷展開探究，最終促進項目問題的解決。五育融合與人工智能項目式學習的系統(tǒng)性、整體性高度契合^[6]，拓展了五育融合時空路徑。

（二）AI活動，創(chuàng)新五育融合落地載體

人工智能項目式學習可以開展豐富多彩的項目活動，在創(chuàng)新五育融合落地載體方面有其獨特的教學優(yōu)勢。在項目中可以通過大語言模型關(guān)注時政熱點滲透德育；通過程序編寫活動提升智育；利用人工智能技術(shù)解決農(nóng)作物在種植、養(yǎng)護、采摘、分揀各環(huán)節(jié)勞作問題加強勞育；在人工智能作品硬件拼搭和顏色設(shè)計活動中增強美育；項目任務的完成多采用小組協(xié)作探究形式，引導學生學會與人合作，強化體育團結(jié)精神。

（三）AI內(nèi)容，豐富五育融合時代內(nèi)涵

當今社會已步入智能時代，機器學習、專家系統(tǒng)、無人駕駛等內(nèi)容為五育融合注入了前沿科技，豐富了五育融合的時代內(nèi)涵。在人工智能項目式學習中，學生一方面要設(shè)計拼搭作品模型，一方面要分析作品功能完成程序編寫，運用自己編寫的程序運行硬件模型。在項目過程中，學生像產(chǎn)品研發(fā)人員一樣利用人工智能技術(shù)解決真實問題，創(chuàng)造能力、設(shè)計能力、動手能力得到激活。

二、項目設(shè)計

（一）項目目標

筆者依據(jù)《關(guān)于深入推進“五育”融合實踐的提案》《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》《項目化學習的實施：學習素養(yǎng)視角下的中國建構(gòu)》，提出“南果北種鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”項目目標：

1.德育為先：學生了解鄉(xiāng)村振興、海源對口幫扶等時政熱點，增強人工智能社會責任感。

2.勞育為本：學生走近“火龍果的一生”，了解火龍果的生長習性、掛果時長、采摘困難、大小分揀，體會果農(nóng)勞作問題。

3.智育為重：學生了解智能農(nóng)業(yè)背后的科學原理，能夠利用人工智能技術(shù)實現(xiàn)“南果北種”，助力鄉(xiāng)村振興，同時將果農(nóng)從繁重農(nóng)業(yè)勞作中解脫出來。

4.美育為要：學生關(guān)注作品程序優(yōu)化、硬件結(jié)構(gòu)拼搭及顏色設(shè)計等，感知結(jié)構(gòu)美、顏色美、邏輯美。

5.體育為基：在長時間的小組協(xié)作過程中，學生掌握合作技巧，培養(yǎng)團隊合作的體育精神。

（二）項目架構(gòu)

該項目依托項目式學習的形式，立足于火龍果（南果）在寧夏涇源縣（北種）勞作問題，引入人工智能技術(shù)，智能化“火龍果的一生”。項目實施過程不斷促進五育的深度融合、協(xié)調(diào)發(fā)展。項目整體體現(xiàn)在“鄉(xiāng)村振興、海源幫扶”大情境中，讓學生了解國家鄉(xiāng)村振興，促進德育。光溫控養(yǎng)護果架、果“臉”識別采摘臂、無人出園運輸車、大小自動分揀機系列內(nèi)容循環(huán)落地。學生在項目的循環(huán)反復中深入分析程序邏輯，促進計算思維發(fā)展，提升智育水平?；凇盎瘕埞囊簧敝械膭谧鲉栴}，學生直觀感受人工智能技術(shù)帶來的農(nóng)業(yè)發(fā)展，了解現(xiàn)代勞動形式，接受勞動教育。整個項目學生均需要與同伴合作完成任務，學生不斷學習合作技巧，內(nèi)化團結(jié)精神，培養(yǎng)合作、團結(jié)的體育品德。在作品拼搭與欣賞過程中，學生感知結(jié)構(gòu)美、顏色美、形態(tài)美的創(chuàng)美能力不斷提升。項目的出項環(huán)節(jié)升華至家鄉(xiāng)人的擔當：為寧夏建造火龍果園，促進鄉(xiāng)村振興。這將德育提升至更高水平，完成項目出項。該項目時長為11課時，參與對象是有人工智能課程學習經(jīng)歷的七年級18個班學生，項目整體架構(gòu)如圖1所示。

（三）項目內(nèi)容

依據(jù)項目架構(gòu)，筆者對項目內(nèi)容從AI核心技術(shù)、智能硬件、數(shù)字資源支持等方面進行細化（見表1）。

1.光溫控養(yǎng)護果架利用專家系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、亮度傳感器、溫濕度傳感器、眼燈等技術(shù)，智能保障適合火龍果生長的光照和溫度。

2.智能識別采摘臂利用圖像識別、超聲波測距技術(shù)，機械臂伸縮、旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)智能采摘。

3.大小自動分揀機利用機器學習大小火龍果模型，實現(xiàn)果實智能分揀。

4.無人出園運輸車利用按壓傳感器統(tǒng)計火龍果數(shù)量，利用無人駕駛技術(shù)實現(xiàn)智能出園，并結(jié)合語音識別和顏色識別實現(xiàn)下一輛小車自動駛?cè)?，實現(xiàn)運輸?shù)臒o縫銜接。

（四）項目評價

項目評價依托于“課堂有點酷——量規(guī)”數(shù)字工具開展，分為隨堂評價和階段評價。隨堂評價主要由教師根據(jù)學生課堂任務完成、小組合作、課堂發(fā)言等情況及時評價。每個微項目完成后即開展一次階段評價，主要從德、智、體、美、勞五育維度展開，采用自評、互評、師評多元主體評價方式。教師在入項環(huán)節(jié)，向?qū)W生闡明項目評價方式及評價內(nèi)容，為學生的項目學習指明方向。項目階段評價表如表2所示。

三、項目實踐

（一）項目整體實施

人工智能項目式學習實施路徑涵蓋“入項探索—知識與能力建構(gòu)—合作探究—形成與修訂成果—出項—反思”^[7]環(huán)節(jié)。項目的系統(tǒng)性和整體性拓展了五育融合的時空路徑。

1.“海源情深”入項，突出德育實效

注重價值觀的培養(yǎng)、突出德育實效是優(yōu)質(zhì)入項的關(guān)鍵特征。入項要讓學生積極主動建構(gòu)，產(chǎn)生解決項目問題的強烈意愿。多樣的入項事件可以增強學生體驗感，如：真實體驗類（實地參觀、實踐體驗），模擬體驗類（演講，特殊人群真實需求），閱讀體驗類（文本、視聽資料，新聞事件）等^[8]。

“南果北種鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”融入道法知識，借助新聞事件“廈門海滄區(qū)與寧夏涇源縣對口牽手、南果北種實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興”入項，讓學生了解鄉(xiāng)村振興是國家目前三農(nóng)工作的新重心，了解海滄與涇源對口幫扶歷史，感知海滄人的責任與擔當。學生的學習熱情、個人使命感被前所未有地激發(fā)了起來。隨后，教師創(chuàng)設(shè)情境由學生接收寧夏涇源致富代表陳大伯在涇源建設(shè)“AI火龍果園”的委托函，正式進入人工智能項目學習。

【入項問題】2020年底，脫貧攻堅戰(zhàn)取得全面勝利，黨中央將全面推進鄉(xiāng)村振興作為“三農(nóng)”工作新重心。廈門市海滄區(qū)與寧夏涇源縣攜手20載，南果北種是兩地對口共建的新項目。來自涇源縣鄉(xiāng)村致富代表陳大伯發(fā)來委托函，急需“AI火龍果園建設(shè)方案”，如果你是策劃者，你會如何策劃該方案呢？

2.知識能力建構(gòu)，提升智勞水平

智能時代，學生獲取知識的途徑更加精準化，教師可以引導學生利用大語言模型獲取項目知識。“南果北種鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”項目知識包括以下內(nèi)容。

（1）背景知識：鄉(xiāng)村振興、海源幫扶等。

（2）核心知識 ：機器學習、物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、圖像識別、語音識別等技術(shù)包含的科學原理，循環(huán)結(jié)構(gòu)和分支結(jié)構(gòu)算法結(jié)構(gòu)，硬件模型拼搭設(shè)計、專業(yè)術(shù)語（橫梁、主板、插銷）、智能傳感器功能等。上述人工智能技術(shù)和原理是項目核心知識，有助于提升智育水平。

（3）特定知識：火龍果種植條件、采摘事項、分揀依據(jù)、掛果時長等生物學知識，火龍果南北方價格差異等經(jīng)濟學知識。上述知識是經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域特定知識，有助于加強勞動教育。

3.小組合作探究，強化美體熏陶

項目的完成離不開知識與能力建構(gòu)和合作探究環(huán)節(jié)。小組合作以3人為一組，完成硬件拼搭、程序編寫及調(diào)試。在合作探究中，學生感知團結(jié)合作的體育精神。在硬件拼搭中，學生從硬件顏色、結(jié)構(gòu)、外形方面不斷優(yōu)化創(chuàng)新，增強美育熏陶。好的合作探究既要為每個組員提供平等共享的機會，又要讓所有人在自身基礎(chǔ)上獲得知識積累和能力提升。

4.招標會議出項，落地五育融合

出項是小組要將合作成品以令人印象深刻的形式展示出來。本項目采用在線“AI火龍果園建設(shè)方案招標會”形式出項，出項對象是海滄和涇源兩地果農(nóng)。教師將課堂上學生小組利用數(shù)字視頻、PPT演示文稿、PS手繪等形式介紹建設(shè)方案的過程錄下來，發(fā)給兩地果農(nóng)提出意見。全班小組在課堂上進行招標投票，票高組中標。

（二）項目實施案例

“南果北種鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”項目包括光溫控養(yǎng)護果架、果“臉”識別采摘臂、無人出園運輸車、大小自動分揀機4個微項目，在項目整體實施中位于知識與能力建構(gòu)和合作探究環(huán)節(jié)?！读x務教育信息科技課程標準（2022年版）》建議人工智能教學貫穿場景分析、原理認知、拼搭編程、遷移運用等步驟。筆者將課標要求細化為詳細教學流程，如圖2所示。教師引導學生在多個人工智能微項目的循環(huán)學習過程中，不斷提升五育水平。五育從淺層融合螺旋上升到深度融合，在人工智能項目中得到協(xié)調(diào)發(fā)展。

下面以“果‘臉識別采摘臂”為例闡述微項目的實施過程。該案例包括3課時。第1課時主要內(nèi)容為了解火龍果采摘勞作問題，分析智慧采摘核心原理、技術(shù)及程序邏輯，設(shè)計拼搭采摘臂模型。第2課時主要內(nèi)容為理解圖像識別技術(shù)科學原理，訓練、加載、檢驗圖像識別模型。第3課時主要內(nèi)容為硬件連接，應用圖像識別模型編程運行采摘臂，分享作品并不斷優(yōu)化功能。

1.智慧采摘場景感知

教師播放關(guān)于火龍果生長、開花、結(jié)果的短視頻，問：火龍果在采摘中會遇到哪些勞作問題？學生分析：掛果時間有限，采摘工作量大，急缺人手……教師接著播放智慧采摘視頻，讓學生直觀感受人工智能技術(shù)實現(xiàn)無人采摘后為勞作方式帶來的變革，初步感知人工智能技術(shù)與社會的關(guān)系。該環(huán)節(jié)主要以真實果園場景及采摘勞作問題導入，達到激發(fā)學生興趣、加強勞動教育的目的。

2.人工智能原理認知

學生邊看視頻邊分析智慧采摘的核心技術(shù)及功能：圖像識別和機械臂采摘。教師隨即播出識別技術(shù)視頻合集“一分鐘帶你了解人臉識別”“車流量瞬時統(tǒng)計”“安全頭盔佩戴監(jiān)測”等，引導學生分析圖像識別技術(shù)背后的原理路線：圖像采集—數(shù)據(jù)預處理—關(guān)鍵特征提取—模型訓練—圖像識別。在本環(huán)節(jié)，學生的抽象概括能力、邏輯思維能力得到大大提升，智育效果凸顯。接著，教師組織學生小組合作參照uCode軟件模型庫完成機械臂模型拼搭。模型結(jié)構(gòu)的調(diào)整、色彩的搭配強化了美育熏陶，小組合作的順利開展無形中推進了協(xié)作化體育教育。最后，教師引導學生對果“臉”識別采摘機功能進行描述和拆解，順勢帶出初級、中級、高級小果農(nóng)三個進階任務。三個進階任務依次為：果“臉”識別模型訓練、機械臂識別采摘、超聲波測距和機械臂伸縮采摘。

3.合作編程創(chuàng)意作品

該環(huán)節(jié)教師需要不斷引導學生小組合作并梳理思路：識別模型訓練及應用的步驟是什么？采摘臂運行的程序邏輯是什么？運行哪些硬件，傳感器ID是多少？對高階思維智育及協(xié)作化體育提出了更高要求。

（1）初級小果農(nóng)。教師為學生提供成熟火龍果、不成熟火龍果圖像數(shù)據(jù)庫，組織學生參照操作微課利用uCode軟件合作訓練果“臉”識別模型。訓練完成后，學生加載應用模型發(fā)現(xiàn)識別置信度偏低，教師順勢組織討論：提升圖像識別準確性的方法有哪些？學生不斷嘗試實驗，最后全班討論得出結(jié)論：增加分類圖像數(shù)量，減少識別火龍果背景干擾等方法可以提升識別置信度?；瘕埞R別模型訓練及應用如圖3所示。

（2）中級小果農(nóng)。學生將拼搭好的機械臂和軟件連接，分析作品功能：如果識別到成熟火龍果，那么機械臂開合采摘。學生完成程序流程圖思路梳理后，編程實現(xiàn)采摘臂開合效果。在這個過程中，教師需要提醒學生易錯點。

（3）高級小果農(nóng)。依據(jù)采摘真實情境，為實現(xiàn)采摘不同高度的火龍果的功能，項目引入超聲波傳感器。如果傳感器檢測到距離較遠，那么機械臂將會伸直。有了前面任務邏輯鋪墊，學生很容易完成測距采摘編程。這部分作為拓展任務，不對全體學生提出要求。作品完整程序如圖4所示。

4.拓展遷移作品優(yōu)化

教師引導學生思考果“臉”識別采摘機械臂的局限性，發(fā)散思維，將所學內(nèi)容進行遷移，優(yōu)化作品功能。如：學生提出可以使用無人機解決機械臂在果園中移動緩慢的問題。有學生想利用圖像識別技術(shù)在水果病蟲害防治、除雜草等維度完善采摘臂功能。還有小組提出，可實現(xiàn)對更多水果（芭樂、蓮霧、荔枝、楊桃等）的智慧采摘應用。本部分主要引導學生了解人工智能技術(shù)的特點、優(yōu)勢和邊界，暢想技術(shù)賦能現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，開展勞育和智育。

五、實施效果

為評估人工智能助力五育融合在項目式學習中的落地效果，筆者采用問卷調(diào)查的方式對七年級18個班共864位學生從德、智、體、美、勞五個維度進行追蹤測評：“德”指學生對鄉(xiāng)村振興、海源幫扶等時政及利用人工智能技術(shù)實現(xiàn)南果北種等意義的認識。“智”指學生對程序的編寫、調(diào)試、運行?！绑w”指學生小組合作技能的掌握，團結(jié)協(xié)作精神的提升?！懊馈敝笇W生從作品結(jié)構(gòu)美觀、顏色搭配等方面美化作品意識的提升。“勞”指學生了解火龍果種植、采摘、運輸、分揀階段果農(nóng)遇到的主要勞作問題，使用人工智能技術(shù)化賦能農(nóng)業(yè)能力的提升。問卷采用李克特量表方式，追蹤“非常同意、同意”學生比例數(shù)據(jù)。依據(jù)項目整體實施及微項目進行時間節(jié)點開展，這種測評方法可以呈現(xiàn)學生五育水平的動態(tài)發(fā)展過程。

從圖5可以看出，在人工智能項目實施過程中，學生的五育水平得到不斷提升，其中勞育水平得到提升的學生占比最大，德育緊隨其后。這可能與學生平時對水果種植、鄉(xiāng)村振興等知識了解較少，在項目學習中這兩部分空白得到迅速填補有關(guān)。實踐表明，人工智能助力五育融合在項目式學習中的落地效果較好。

六、總結(jié)與展望

在“南果北種鄉(xiāng)村夢，AI果園海源情”項目式學習中，學生親身實踐了圖像識別、無人駕駛、語音識別、多樣智能傳感器等人工智能技術(shù)。在整個項目學習過程中，學生對鄉(xiāng)村振興、火龍果勞作等德育與勞育內(nèi)容的了解達到前所未有的深度。學生抽離出項目背后的“如果……那么……”算法邏輯，智育水平達到新的高度。硬件模型顏色美、結(jié)構(gòu)美、程序簡練美等也在無形中實現(xiàn)了美育。學生思考如何開展小組合作，如何發(fā)揮團隊作用，體育精神效果明顯。整個項目過程中，學生增強利用人工智能技術(shù)造福社會的責任感。實踐證明，人工智能項目式學習是促進五育協(xié)調(diào)發(fā)展、深度融合的可行途徑。

注 ：本文系廈門市教育科學“十四五”規(guī)劃2022年度課題“五育融合視域下人工智能課程資源開發(fā)與實踐研究”（課題編號：22166）、廈門市海滄區(qū)第一期“市管區(qū)培”市級學科帶頭人課題“基于UbD的初中人工智能項目化學習實踐研究”（課題編號：XMXDHC20230101+050）的階段性研究成果。

[1] 李有毅.在實踐中深入推進“五育”融合[N].人民政協(xié)報，2021-04-28（9）.

[2][5][6]朱秋庭.運用人工智能為“五育并舉”賦能[J].中小學信息技術(shù)教育，2021（S1）：13-15.

[3] 中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[4] 陸康其，楊玲.以項目化學習推動五育融合的探索[J].上海教育科研，2021（7）：83-87.

[7][8]夏雪梅.項目化學習的實施：學習素養(yǎng)視角下的中國建構(gòu)[M].北京：教育科學出版社，2020.

（作者系福建省廈門市海滄區(qū)北附學校教育集團京口中學一級教師）

責任編輯：李媛