基于“項目式學(xué)習(xí)”的中小學(xué)“人工智能”課程教學(xué)實踐

江蘇省太倉市沙溪鎮(zhèn)岳王學(xué)校 唐曉挺

“人工智能”成為國際競爭的新焦點，“人工智能”是引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略性技術(shù)，世界主要發(fā)達國家把發(fā)展人工智能作為提升國家競爭力、維護國家安全的重大戰(zhàn)略，2017年國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出人工智能課程教學(xué)要向低齡化發(fā)展，那么我們的首要任務(wù)是在中小學(xué)的教學(xué)計劃中加入“人工智能”課程，并運用適合中小學(xué)生心理特點的教學(xué)策略進行教學(xué)。

一、要義解讀

（一）項目式學(xué)習(xí)

項目式學(xué)習(xí)是以問題引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動的學(xué)習(xí)方法，是學(xué)生自主探究的一個體現(xiàn)，學(xué)生主動探索現(xiàn)實世界，教師作用是理論指導(dǎo)和器材提供，學(xué)生通過小組合作解決一個現(xiàn)實生活問題，學(xué)習(xí)過程不是用一個固定的、現(xiàn)成的方法解決實際問題，而是學(xué)生需要知道什么地方以及如何獲得有助于解決問題的方法和信息，最后解決問題。它可以展現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)造力，具體過程包括如何檢索知識、如何制定方案、如何改進方案、如何實施方案，以及在方案實施過程中如何進行小組溝通和合作。

在項目式學(xué)習(xí)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是動態(tài)的，需要通過思考和推理來完成項目的實施，老師的作用是通過支持、建議和指導(dǎo)來幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。項目式教學(xué)和傳統(tǒng)的傳授式教學(xué)不同，它需要教師更多關(guān)注項目的過程、學(xué)生能力的發(fā)展，而不是注重知識的傳授。

（二）人工智能教學(xué)

人工智能是通過了解人腦思考問題的特點，制造出具有一定智能和能模擬人腦思維的人工系統(tǒng)，運用該系統(tǒng)替代需要人的智力才能完成的工作，人工智能教學(xué)也就是了解人工智能的發(fā)展現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)人工系統(tǒng)的基本理論、方法和技術(shù)。

2017年7月國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，要求在中小學(xué)階段安排“人工智能”相關(guān)課程，初步接觸“人工智能”。2018年1月，教育部公布《普通高中課程方案》，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理正式被納入《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》新課標(biāo)，同年江蘇省教研室《信息技術(shù)》教材編寫組也發(fā)布了蘇科版《信息技術(shù)》教材，編程、機器人課程、走進人工智能等章節(jié)出現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容中。2019年7月《人工智能（初中版）》教材面世，教學(xué)目的在于提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)，幫助學(xué)生建立起對人工智能的鑒賞力、理解力和應(yīng)用力。

二、教學(xué)模式

中小學(xué)人工智能教學(xué)還沒有形成一門獨立的課程，一般在《信息技術(shù)》教材中體現(xiàn)，缺乏系統(tǒng)性和完整性，“人工智能”與“中學(xué)物理”聯(lián)系緊密，在物理課程活動中開設(shè)“人工智能”課程，可以彌補不足，項目式學(xué)習(xí)教學(xué)方法的融入也可以使人工智能教學(xué)有可靠的抓手。人工智能教學(xué)不是一個單學(xué)科教學(xué)，在教學(xué)過程中需要滲透其他學(xué)科知識，學(xué)生運用各種知識實現(xiàn)既定目的。教學(xué)模式如圖1所示。

圖1

三、教學(xué)應(yīng)用

人工智能教學(xué)是通過課程讓學(xué)生學(xué)會用模擬人類智能的途徑解決生活中的實際問題，讓人們的生活質(zhì)量更高，它以項目式學(xué)習(xí)的教學(xué)方法作為載體，教師在課程教學(xué)中運用“構(gòu)建框架”“形成作品”“成果反饋”的模式組織教學(xué)。

1.生活情境：在醫(yī)院當(dāng)對病人進行靜脈注射時，將藥液裝于輸液瓶中，再采用靜脈注射管將液體藥物注射到人體血管中，以達到治療的目的，輸液時，需要人來定時查看液體的多少，讓病人或家屬不敢休息，帶來很大的負(fù)擔(dān)。

2.生成問題：如何使液體在快要輸完時自動發(fā)出報警提醒病人或看護者通知醫(yī)務(wù)人員進行換藥或做其他處理？

3.檢索資料：目前市面上的輸液存余檢測技術(shù)主要是紅外線檢測技術(shù)，利用液體和空氣的接觸面的折射原理改變紅外線的強度或方向，從而使得接收端信號改變，一般有透射式和折射式。這種方式就是檢測滴液管中液滴滴落的次數(shù)，這種技術(shù)的缺點是固定在輸液管上檢測，當(dāng)報警時已經(jīng)太晚了。

4.制定方案：中學(xué)物理中初步涉及了電路設(shè)計知識、傳感器知識。方案制定的思路為：“Arduino”主控，利用非接觸式液位傳感器保證藥液衛(wèi)生安全，當(dāng)液位低于安全閥值時，發(fā)出報警，提醒患者及醫(yī)護人員，同時可以通過無線網(wǎng)絡(luò)把液位數(shù)據(jù)傳到醫(yī)護人員的手機app上，提醒醫(yī)護人員或患者。

器材準(zhǔn)備：主控板、非接觸式液位傳感器、蜂鳴器、LED、撥碼開關(guān)、3.7V鋰電池聚合物、Micro usb 充電接口、其他結(jié)構(gòu)件（3D打?。?。（如圖2）

圖2

5.學(xué)科滲透：物理知識、焊接知識、無線網(wǎng)絡(luò)知識、手機app、3D打印等。

6.修改完善：此設(shè)計只是液位低于安全閾值時，發(fā)出報警，拓展其功能，可以利用手機app實時查看液面的位置，輸液者、陪護家屬甚至護士都能查看，利用大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，合理安排工作。

7.作品展示：元器件焊接后，合理安放到結(jié)構(gòu)件中。

8.評價點評：該作品是通過物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)實現(xiàn)“人工智能”為人們服務(wù)，解決的是人們輸液時需要人去看護的輸液報警問題，利用網(wǎng)絡(luò)和app可以實現(xiàn)和手機連接，有一定的實際應(yīng)用價值。

9.推廣應(yīng)用：在全校范圍展示，征求建議，申請專利，向社會尋求合作意向。

四、教學(xué)意義

（一）項目式學(xué)習(xí)讓學(xué)生回歸本源

項目式學(xué)習(xí)是基于生活、基于思考、基于創(chuàng)新等具有實踐性的學(xué)習(xí)方式，打破以往單學(xué)科的教學(xué)方式，以“項目”來引領(lǐng)的課程模式，它是一種符合學(xué)生心理特點以及能發(fā)展學(xué)生高階能力的學(xué)習(xí)方式，在學(xué)習(xí)過程中讓學(xué)習(xí)親近生活，解決生活中的實際問題，教師提供有目的、真實的任務(wù)，與真實世界相連接，促使學(xué)生積極參與學(xué)習(xí)過程，深入探究生活實際問題，可以有效促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，有效提升他們的學(xué)科核心素養(yǎng)和能力。

項目式學(xué)習(xí)讓“人工智能”課程有了合適的教學(xué)方法，中小學(xué)生的天性是“好動”，項目式學(xué)習(xí)是在“玩中學(xué)”，“人工智能”的特點是新奇，學(xué)生對某一學(xué)科有興趣，就會持續(xù)地專心致志地鉆研，從而提高學(xué)習(xí)效果。

項目式學(xué)習(xí)教學(xué)使更多的教師開始關(guān)注傳統(tǒng)教育理念、教育模式的變革，注重對中小學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，探索出適合時代要求的育人方法，從而使學(xué)生的成長更符合生長規(guī)律，得到全面的發(fā)展。

（二）“人工智能”課程讓中小學(xué)和科技走得更近

人工智能就其本質(zhì)而言，是對人思維過程的模擬，該領(lǐng)域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等，屬于現(xiàn)代社會的高端科技領(lǐng)域?！吨袊鴮W(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》中指出，實踐創(chuàng)新主要是學(xué)生在日?；顒?、問題解決、適應(yīng)挑戰(zhàn)等方面所形成的實踐能力、創(chuàng)新意識和行為表現(xiàn)，具體包括勞動意識、問題解決、技術(shù)應(yīng)用等基本要點；理解技術(shù)與人類文明的有機聯(lián)系，具有學(xué)習(xí)掌握技術(shù)的興趣和意愿；具有工程思維，能將創(chuàng)意和方案轉(zhuǎn)化為有形物品或?qū)σ延形锲愤M行改進與優(yōu)化等。在中學(xué)開始“人工智能”課程符合國家對于學(xué)生的總體要求，而項目式學(xué)習(xí)讓學(xué)生有了“思維”的成長和“勞動”的體驗，讓學(xué)生在開闊眼界的同時在探究中獲得高端科技的知識。

（三）基于“項目式學(xué)習(xí)”的 “人工智能”課程更有利于中小學(xué)的教學(xué)銜接

通過對現(xiàn)有同一領(lǐng)域研究資料的分析發(fā)現(xiàn)，在中小學(xué)課程教學(xué)中開展的人工智能課程并不多。在“小學(xué)科學(xué)”和“中學(xué)物理”的教學(xué)中，適當(dāng)融入“人工智能”課程，通過項目式學(xué)習(xí)方式提高教學(xué)有效性，挖掘中小學(xué)的人工智能資源，并對中小學(xué)教學(xué)內(nèi)容進行合理銜接，成為學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的基石，可以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，從教學(xué)形式上，探索中小學(xué)人工智能教學(xué)的延續(xù)性、銜接性，為基礎(chǔ)教育階段課程統(tǒng)一開展打好基礎(chǔ)。學(xué)生在小學(xué)階段接觸到項目式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，他們到初中以后，潛移默化地接受這種教學(xué)模式，不會感到陌生、抗拒。小學(xué)階段和中學(xué)階段區(qū)別僅僅是教學(xué)內(nèi)容的不同，教學(xué)形式的統(tǒng)一更利于人工智能教學(xué)的開展、人工智能教育理念的落實，可以真正提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)！