融合人工智能教育的小學科學STEAM船模校本課程實踐

許嘉艷　潘鑌

《義務教育科學課程標準（2022年版）》新增了“技術、工程與社會”“工程設計與物化”等課程內(nèi)容。人工智能內(nèi)容也進入到小學五六年級的信息科技教材。為培養(yǎng)新時代學生發(fā)展所需要的人文底蘊、科學精神與實踐創(chuàng)新能力，我們在蘇教版六年級科學教材“像工程師那樣”這一專題學習中，充分挖掘福建船政文化課程資源，依托船模創(chuàng)客班開展一系列跨學科的項目式探究活動，以船模制造為基礎，鍛煉學生的工程技術與創(chuàng)新能力，并結合人工智能，滿足并實現(xiàn)學生在時代發(fā)展、技術進步的環(huán)境中產(chǎn)生的奇思妙想。

一、沉浸式研學，探秘中國近代船政史

“一座學堂引領一個時代”，這是福建船政學堂的縮影。學生懷著對嚴復、詹天佑、薩鎮(zhèn)冰等船政名人的崇敬和對造船知識的渴望，定期到福建船政博物館、昭忠祠等地開展沉浸式的參觀研學。

1.明確任務，激發(fā)興趣。

在研學前，教師引導學生自由組建學習合作小組，確定組名與口號，領取研學地圖與任務單，并明確項目時間與獎勵規(guī)則，激發(fā)學生濃厚的學習興趣與斗志。

2.合作學習，問題驅動。

教師根據(jù)任務單進行小組分工，合理安排組員任務、線路和時間，引導學生綜合運用文本閱讀、信息搜集、數(shù)學計算等方法，進行合理分析與綜合判斷，協(xié)同合作迅速解決任務。如，在一樓展廳獲知清朝水師名艦“揚武號”模型的長、寬與型深，以及模型制作比例1∶13等信息，在規(guī)定時間內(nèi)測算“揚武號”實際尺寸。

3.匯報展示，分享評價。

最后的各組匯報展示，全體學員得以分享更多的研學發(fā)現(xiàn)，通過梳理任務過程出現(xiàn)的問題，提高小組成員合作學習的能力。

二、跨學科探究，“我是小小船舶工程師”

“雙減”政策背景下，我校在課后延時服務課程中增設“編程與船?！眲?chuàng)客校本課程、人工智能有機融入船模STEAM研究項目，讓“小小船舶工程師”的更多奇思妙想成為可能。

1.建立師生學習共同體，自主學習編程技術。

“編程與船模”創(chuàng)客班師生學習共同體向學生普及編程技術，讓學生熟練運用數(shù)學思維完成圖形化的編程，讓項目中的人工智能實現(xiàn)成為可能。我們選擇界面簡潔、操作簡單、教學資源豐富且免費的Mind+編程軟件，在國產(chǎn)開源硬件掌控板平臺等處選購物美價廉的芯片與傳感器，由免費的Easy IOT物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)學生的智能項目萬物互聯(lián)。

2.線上線下完美結合，翻轉課堂助力學習。

我們創(chuàng)建班級微信群，精選線上人工智能課程資源，整合碎片化時間，打破時空限制，在信息科技課學習簡單圖形化編程的基礎上，課后再利用微信“打卡”小程序推送練習，并在線上學習圈及時分享作業(yè)，自主互學互評中有效解決學習中出現(xiàn)的共性高頻問題，不斷提升圖形化編程和各種傳感器程序控制能力。

經(jīng)過線上線下一體化的翻轉課堂學習之后，學生在線下自主選擇合適的工具、材料來嘗試實施奇思妙想，運用多領域知識技能，開展多維度的探究學習。

3.探究實踐應用遷移，工程技術實現(xiàn)物化。

“小小船舶工程師”們躍躍欲試，運用自主編程技術，把普通的電動遙控船改裝成了利用超聲波傳感器智能控制的無人避障船。它在水中運行可以智能避開障礙物，自動規(guī)劃行進路線。這樣的作品不再是簡單的模型、簡單的無線電遙控，而是具有數(shù)學運算思維，可智能控制各種傳感器、實現(xiàn)科學仿生的航海船模。

三、創(chuàng)新小發(fā)明，培育未來科技小創(chuàng)客

通過“小小船舶工程師”的實踐，學生鍛煉了工程技術與創(chuàng)新能力，同時又掌握了人工智能編程的能力，為后續(xù)進一步創(chuàng)新發(fā)明打下了基礎。

1.大膽質(zhì)疑確定選題，解決身邊實際問題。

在創(chuàng)客班的一次自由討論中，一名學生提出的生活問題引起大家的關注：他的父親是一個電動貨車司機，小區(qū)僅有的幾個充電樁停車位常被汽油車給占用，導致無法充電。如何解決這個煩惱呢？能不能把充電樁設計成可以移動的？通過頭腦風暴，大家提出：充電停車位可自動識別新能源汽車，自動落鎖，阻止汽油車占用新能源專用車位，這樣一個充電樁就可以給很多輛汽車充電了。就這樣，通過集體智慧，學生鎖定了研究方向，并以“船政成功”為“智能移動充電樁”項目命名。

2.制訂方案分工合作，開展可行性研究論證。

為調(diào)動全員積極參與性，學生分小組進行了合理分工。設計制作組負責設計模型、繪制草圖、選材制作、傳感器安裝調(diào)試；編程代碼組負責實現(xiàn)項目需求，編寫代碼并在傳感器上測試；觀察指導組負責統(tǒng)籌項目過程，遇到問題給出方向。同時，學生開展前期研究，對項目的兩個預設功能進行了可行性認定：一是車庫通過顏色傳感器識別車牌顏色，從而自動識別新能源汽車，落鎖放行，避免專用車位被占用；二是充電樁可以利用物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過手機控制移庫，實現(xiàn)一充多用、高效充電。

3.學科融合完成作品，培養(yǎng)科技創(chuàng)新能力。

“智能移動充電樁”項目從草圖到成品由學生全程自主合作完成。他們內(nèi)心的渴望化為無窮的學習動力，激發(fā)出來的潛力和越挫越勇的韌勁令人驚嘆。

（1）動手實踐設計并物化。

設計制作組先是繪制草圖，計算船舵圓盤半徑，確定底座的長、寬、高；接著運用數(shù)學知識把設計變成實物，利用尺子、圓規(guī)、量角器等工具在PVC板上繪制，然后切割組裝成型。設計制作過程中，學生經(jīng)常遇到困難，比如手劃破了、皮膚被502膠水黏住了，但他們滿腔熱情，這就是學習內(nèi)驅力的魅力。

（2）不斷試錯解決疑難。

最具挑戰(zhàn)的是代碼組的修正工作。代碼與傳感器聯(lián)動要測試近百次，才能確定最優(yōu)方案。比如對于顏色傳感器識別問題，學生大膽地提出創(chuàng)新思維，直接用電機工作來替代傳感器；利用數(shù)學原理“速度×時間=路程”，測量出每個車庫的寬度來確定移動的路程，程序設定好電機的轉速和電機運行時間，如此便能使充電樁精準運行且又省錢。

（3）學科融合方法多樣。

在項目研究過程中，學生就像工程師一樣，綜合運用數(shù)學、美術、科學、信息技術等學科知識，在項目中嘗試用多種思維方法解決問題，在“問題—修正—新問題—再修正”的不斷優(yōu)化中收獲成功。

4.展示交流增強自信，提升綜合實踐能力。

我們鼓勵學生自主設計作品說明書、撰寫簡介、制作海報、拍攝視頻，在學校微信公眾號與朋友圈發(fā)布成果。展示與交流再一次培養(yǎng)了學生的綜合實踐能力，使得學生越來越有信心，越來越敢于創(chuàng)新。

經(jīng)過反復實驗研究，最終本專題實踐項目作品《“船政成功”新能源汽車智能移動充電裝置》參加第22屆福建省學生信息素養(yǎng)提升實踐活動“創(chuàng)意智造”項目評選，并榮獲省級二等獎、福州賽區(qū)一等獎的優(yōu)異成績。

（作者單位：福建省福州市羅星中心小學? ? ?責任編輯：蘇少偉）