融合人工智能教育的小學科學實踐研究
——以《設計智能花房》為例

黃曉曦

（福州市群眾路小學，福建 福州 350005）

隨著國務院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，人工智能教育受到廣泛關注。人工智能是一項復雜的綜合性技術課程，涉及各個方面。在小學階段設置人工智能相應的課程，并不是把人工智能相關專業(yè)課程與知識簡單下放到小學，而是需要充分考慮到小學生的身心發(fā)展特點以及認知起點，以人工智能為載體，讓學生親歷探究式學習的過程，充分調動學生對新技術的興趣，并賦能自身學習發(fā)展。開展人工教育，是人工智能時代所賦予的使命和任務，也是科學課融合變革的發(fā)展和挑戰(zhàn)。本文以小學中年級科學課《設計智能花房》為例，探討人工智能融合教育領域的實踐研究。

一、感受智能差異，聚焦育人目標

習近平總書記在2019 年國際人工智能與教育大會指出，人工智能是引領新一輪科技革命和產業(yè)變革的重要驅動力。把握全球人工智能發(fā)展態(tài)勢，找準突破口和主攻方向，培養(yǎng)大批具有創(chuàng)新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命。［1］教育工作者要進行人工智能教育，首先要明確育人目標。即通過教育，要培養(yǎng)什么樣的人？培養(yǎng)出來的人要具有什么樣的技能？只有解決好這個問題，才能擺正教育的正確方向。

（一）區(qū)分人的智能與人工智能

在育人目標設置方面，筆者把期待培養(yǎng)出來的學生品質歸納為十二個字：懂智能，有眼光，敢創(chuàng)新，會合作。知識技能方面，要了解人工智能的簡單原理和應用，能夠區(qū)分人的智能和人工智能的不同，并具備與人工智能協(xié)作的能力。隨著5G 時代的來臨，人工智能技術在日常的生產生活中得到廣泛的應用。學生越來越多地接觸到人工智能技術，有的學生甚至把人工智能的應用作為一種習以為常的技術。如何能讓學生區(qū)分人的智能和人工智能的不同呢？戴爾的經驗之塔告訴我們，讓學生擁有更多自主獲取知識的體驗，擁有更多活用技術的機會，才能讓學習真正發(fā)生。

《設計智能花房》的導入部分，營造一個需要大規(guī)模種植不同種類花朵的情境。學生第一反應是用自己的智能來解決問題，但是當花朵的種類不斷增多時，他們會感覺困難，此時要鼓勵學生嘗試著用各種方法解決問題，并記錄嘗試的過程。接著，呈現(xiàn)人工智能解決問題的方案，使學生充分體會到人工智能技術與人類智能的不同。再引導學生反思他們解決問題的流程和人工智能技術解決問題的異同，展開類比。比如，把自己看的過程類比為圖像識別的過程，把自己的知識儲備類比為人工智能技術背后的大型數(shù)據(jù)庫，把自己查詢植物圖譜的過程類比為人工智能的比對搜索的算法等。在這個過程中，教師創(chuàng)造一定的真實生活情景，讓學生在真實地嘗試解決生活中問題的過程中，結合自有知識經驗，了解人工智能技術，應用人工智能技術。

（二）體驗人工智能帶來的變革與便利

在情境化的學習中，學生在體驗人的智能與人工智能不同的同時，還能夠體會到人工智能技術可以大大縮減解決問題所需的時間成本以及識別準確性的進步。《設計智能花房》中，學生嘗試自己查詢植物圖譜的過程是十分費時費力的，而借助人工智能可以快速生成識別結果。在設計識花的案例中，教學素材特地選擇了玫瑰和中國月季兩種容易混淆的花朵，一般學生基于現(xiàn)有的知識經驗，不易將兩種花分別開來。因此，學生更加關注植物特征的提取，比如葉、花、刺等的細微不同，而人工智能正是做到特征的提取比對，才能準確地區(qū)分玫瑰和月季的不同。在這個過程中，學生既能感受到人工智能技術給生活帶來的極大的便利，激發(fā)學習動機，更重要的是了解人工智能的基本原理，明白人的智能和人工智能的異同，知道人工智能很大程度上是在模仿人的智能，其背后又有著大量的數(shù)據(jù)和不斷優(yōu)化的計算機程序的支撐。

想讓學生逐步了解人工智能，需要教育者基于學生的現(xiàn)有的認知水平、知識經驗以及人工智能技術在生活中的應用，選取合適的素材，給學生創(chuàng)造一個真實的解決問題的情景，為他們學習的搭建腳手架。讓學生明白人工智能的“源”在哪里，從而滿懷信心和熱忱地投入學習中。

二、巧用開放平臺，提升智能協(xié)同

算法是人工智能的重要組成部分，但是基于小學生思維發(fā)展規(guī)律，五年級學生的思維基本上才開始由具象轉換為抽象。在這個過程中，如果強行給學生灌輸算法理解與編寫的知識，學生并不容易理解，反而會對人工智能產生疏離感，認為這項技術離他們太遙遠，他們力所不能及。如何培養(yǎng)學生與人工智能協(xié)作的能力呢？網絡上人工智能的開放平臺給教師提供了很好的解決方式。

（一）同一問題，在多平臺尋求解決方案

百度、阿里、訊飛等多家大型公司布局AI 開放平臺，并免費開放部分接口提供相應的人工智能服務，開放平臺覆蓋了多種人工智能技術的體驗。例如，在《設計智能花房》這個案例中，學生的識花活動，可以直接利用微信小程序上百度開放平臺中植物識別的功能，或利用“形色”“花伴侶”等識花手機app，或用計算機登陸AI 開放平臺識別圖片。解決同一個問題的方式可以有很多種。學生在多平臺尋求解決方案的過程中，既拓展視野，又能避免單一平臺識別帶來的錯誤，同時形成自己的智能應用偏好，為未來更加得心應手地使用人工智能打下堅實的基礎。

（二）同一平臺，拓展解決多種不同問題

嘗試識別花的過程，也是學生熟悉開放平臺的過程。AI 開放平臺，不僅僅有植物的識別，還有人臉識別、語音識別等功能，平臺對相應的技術進行了詳細的分類。以百度開放平臺為例，它將人工智能的基本應用分成語音技術、圖像技術、文字識別、人臉與人體識別、視頻技術、AR 和VR、自然語言處理、數(shù)據(jù)智能知識圖譜等。單看其中的一類，如圖像技術，又分成圖像識別、車輛分析、圖像審核、圖像搜索等，學生可以根據(jù)自己的興趣進行體驗。開放平臺的使用，讓學生知道圖像識別技術不僅能識別花朵等植物，還可以識別動物、菜品、地標、果蔬甚至是紅酒、貨幣等，拓展學生對人工智能技術在生活中應用的認知。同一種技術可以解決很多不同的問題。學生建立起這樣的認知之后，在生活中如果遇到問題，就可以考慮上百度AI 的開放平臺或者尋求其他人工智能技術的支持，嘗試解決問題。

（三）跨平臺協(xié)作，致力培養(yǎng)創(chuàng)新思維

在小學階段的人工智能教育中，最重要的是培養(yǎng)學生利用人工智能來解決問題的思維方式。對于小學生來說，能夠編輯算法并執(zhí)行算法來解決問題是十分困難的。例如，深度學習算法的背后是需要大量的數(shù)學知識的，對于大學本科的學生都非易事。小學階段首要做到能聽會看，敢想巧用。在《設計智能花房》的學習過程中，教師鼓勵學生綜合利用多種平臺，比如用微信小程序識別后，再用“花伴侶”查詢匹配植物習性，用“形色”制作植物卡片等，培養(yǎng)學生與人工智能協(xié)作的能力，建構應用人工智能解決問題的創(chuàng)新性思維。鼓勵學生多想，根據(jù)現(xiàn)有技術路線，哪些功能可能留給未來去實現(xiàn)？在學生的想象中種下人工智能的種子，形成人工智能的生態(tài)。等他們長大后有能力設計算法進行計算時，就可以沿著之前的思路來設計。有時候好的想法往往比技術更加有價值，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提升學生的創(chuàng)新能力，比學習一些簡單的技術知識更加重要。

三、融合邏輯圖示，培養(yǎng)算法思維

在義務階段設置人工智能課程，其宗旨是為培養(yǎng)“符合智能化社會需求，具備良好計算思維和編程能力的創(chuàng)新人才”奠定基礎。［2］這要求教師實施融合教育，將小學科學、信息技術、綜合實踐活動等課程進行融合，為學生的思維發(fā)展打開一片新的天地。課程要能緊緊圍繞學生的核心素養(yǎng)發(fā)展，體現(xiàn)出人工智能技術與各個學科的交叉創(chuàng)新，即“人工智能+STEAM”課程體系。在這樣的課程背景下，如何培養(yǎng)學生的算法思維，成為教師應該思考和探索的重要問題。

（一）圖示繪制明晰流程

在小學中高年級學生中，圖形化編程的語言，如scratch 等語言的使用較為廣泛。但是在圖形化編程執(zhí)行之前，或者上課的地點并不在計算機房時，學生可以用什么方式來訓練算法思維呢？畫流程圖的方法給教師提供了解決方式。將流程圖的訓練貫穿整個上課的過程，包括學生要用流程圖來表示解決問題的步驟。如繪制《設計智能花房》中植物智能養(yǎng)護的流程圖（如圖1）。

圖1 植物養(yǎng)護流程圖

圖示繪制以能清楚說明流程為目的，具體形式不做限定。教師在引導學生繪制流程圖的過程中，滲透算法教育當中順序控制的理念，實際上就是要讓學生理解解決問題的流程。如繪制智能花房建構的流程圖（如圖2）。

圖2 智能種植流程圖

（二）理清條件分析邏輯

學生繪制完建構花房的流程后，還要思考實現(xiàn)智能控制的判斷條件以及觸發(fā)條件，還有哪里需要循環(huán)結構等問題。在設計智能花房的體驗中，主要創(chuàng)設去除毒花雜草的情景，讓學生認識判斷結構中的或與非的條件。如NOT 表示“非”關系，即假如沒有毒花，就不進行藥物清除。OR 表示“或”關系，即假如有雜草或毒花，就進行藥物清除。AND 表示“與”關系，即假如有雜草和毒花，就進行藥物清除和機械作業(yè)等。

學生在了解或與非的邏輯結構之后，根據(jù)花朵的生長環(huán)境，確定2-3 個核心的要素，比如溫度和濕度。這時，學生要思考：如何進行溫度和濕度的控制？溫度和濕度的關系是“或與非”這三種邏輯結構中的哪一種？根據(jù)自己的思考繪制流程圖，表示解決問題的流程。從邏輯圖示到圖形化編程，對于學生來說，知識落差并不大，大部分學生可以平穩(wěn)地過渡和遷移。利用流程圖示來訓練學生的算法思維，打破了時間與空間的限制，讓學生的注意力更多的關注解決問題的流程，從根本上提升學生的推理、決策能力。

四、結語

人工智能教育在小學階段的開展。是挑戰(zhàn)也是使命，對小學科學教師提出了更多學科專業(yè)知識外的要求。教師需要面向全體學生，保護他們對于人工智能這一新領域的好奇心的求知欲，選擇合適他們認知水平的學習內容，融合他們喜聞樂見的科學主題。在輕松愉快的學習氛圍，讓學生學習人工智能知識，學會用人工智能學習，成為一個具有終身學習能力的學習者。