面向數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力的人工智能教學實踐

倪榮

摘要：作者以智造“玻璃溫室”為例，從體驗感知、原理探究、實踐創(chuàng)新、拓展遷移和評價交流五個方面，探討如何在人工智能教學中培養(yǎng)學生的數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力，以期能夠促進學生創(chuàng)新思維的深入發(fā)展，從而使學生更好地適應信息化社會。

關鍵詞：數(shù)字化學習與創(chuàng)新；人工智能教學；溫濕度檢測系統(tǒng)

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2023）16-0062-03

2022年4月，教育部印發(fā)《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”），明確信息科技學科的核心素養(yǎng)主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任四個方面。其中，數(shù)字化學習與創(chuàng)新是指個體在日常學習和生活中通過選用合適的數(shù)字設備、平臺和資源，有效地管理學習過程與學習資源，開展探究性學習，創(chuàng)造性地解決問題。同時，課標指出信息科技課程知識體系圍繞數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡、信息處理、信息安全、人工智能六條邏輯主線進行螺旋式建構(gòu)學習，其中的人工智能模塊的學習以體驗應用系統(tǒng)為基礎，逐步進行深度學習?？梢?，在新時代教育背景下，通過人工智能課程活動培養(yǎng)學生數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力很有必要。

因此，在基于數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的人工智能教學實踐與研究中，筆者以智造“玻璃溫室”為明線，以利用數(shù)字設備規(guī)劃系統(tǒng)及程序設計實現(xiàn)過程與控制的方案為暗線，以智慧農(nóng)業(yè)為情境，讓學生在系統(tǒng)設計中感受科技給農(nóng)業(yè)種植帶來的便利，提高學生的數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生利用人工智能解決問題的意識。

體驗感知，走進智慧農(nóng)業(yè)

近年來，智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，借助數(shù)字化技術打造智慧農(nóng)業(yè)，不僅大大減輕了農(nóng)民的體力勞動，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，而且提升了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，筆者綜合當?shù)剞r(nóng)業(yè)基地發(fā)展狀況，利用周末組織學生到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園開展研學。在研學前，基于數(shù)字化學習與創(chuàng)新理念，以農(nóng)業(yè)示范園如何通過智能化控制為植物提供生長所需的最佳環(huán)境條件為中心，設計學生研學手冊。

研學手冊主要包括以下幾點：①注意事項。包括安全事項、時間、地點、交通方式等。②研學目的。目的是體驗智慧農(nóng)業(yè)。③研學方法。包括聽取技術人員講解、采訪詢問負責人、網(wǎng)絡查詢和親身操作等方式。④研學感悟。除了以上幾點，為幫助學生深入學習，筆者還提出以下三個具體問題，指導學生完成此次現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園研學活動：①農(nóng)業(yè)示范園主要包含哪些智能系統(tǒng)？②這些智能系統(tǒng)分別具有什么作用和功能？③這些智能系統(tǒng)中分別使用了哪些數(shù)字化設備？

學生在研學手冊的指導下，集思廣益分享交流，借助思維導圖梳理出農(nóng)業(yè)示范園的主要系統(tǒng)及功能。同時，在體驗智慧農(nóng)業(yè)的過程中，學生能夠利用平板電腦、手機等數(shù)字設備獲取信息，并對信息加工、處理、整合，開展自主學習和合作探究。這些都有助于學生數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力的提高。

原理探究，揭秘溫濕度檢測系統(tǒng)

人工智能應用廣泛，研究領域豐富多樣。在開展人工智能課程時，教師可以從較大的領域帶領學生進入情境，但在課堂學習層面應從小處尋找突破口，從而減少學生的畏難情緒，增強學生的成就感。筆者根據(jù)學生研學手冊的完成情況和現(xiàn)階段的學習能力，選擇溫濕度檢測系統(tǒng)為切入點，引導學生從應用層面描述溫濕度檢測系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)中承擔的功能，并得出結(jié)論：溫濕度檢測系統(tǒng)負責對環(huán)境中的溫度、濕度進行24小時實時監(jiān)測。

為使學生能夠循序漸進地了解溫濕度檢測系統(tǒng)的工作原理，筆者采用了如下策略：①組織學生利用計算機畫圖工具，根據(jù)研學記錄構(gòu)畫出溫濕度檢測系統(tǒng)的主要電子模塊，明確該系統(tǒng)由溫濕度傳感器、主控板、顯示屏三部分組成。②分組合作認識電子元器件。③拆卸該傳感器，讓學生觀察探究，梳理出其內(nèi)部裝有濕敏和熱敏元件，能夠?qū)h(huán)境中的溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號。另外，主控板負責接收讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)并發(fā)送給顯示屏進而打印出環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)值。

實踐創(chuàng)新，智造“玻璃溫室”

人工智能的學習注重以實踐帶動理論。在實踐過程中學生需要根據(jù)實際需求自主規(guī)劃系統(tǒng)、搭建模型、編寫程序?qū)崿F(xiàn)智能控制處理，逐步驗證想法，不斷優(yōu)化設計方案。為培養(yǎng)學生數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力，筆者從以下幾個步驟，組織引導學生進行實踐創(chuàng)新。

①鼓勵式提出需求。向?qū)W生展示冷水花盆栽，介紹冷水花喜歡溫暖濕潤的環(huán)境，當環(huán)境中的空氣濕度在60%～75%之間、溫度在15～25℃之間時生長旺盛。同時提出需求，鼓勵學生為冷水花打造“玻璃溫室”，守護盆栽茁壯成長。

②頭腦風暴梳理思路。組織學生開展頭腦風暴，分析得出“玻璃溫室”應以“搭建溫室主體模型—組裝溫濕度檢測系統(tǒng)—軟件編程燒錄程序—測試優(yōu)化”四個步驟逐步完成。

③分組搭建模型。要求學生兩人一組，使用結(jié)構(gòu)類零件搭建出各式各樣的溫室主體模型，表達他們在建筑設計上的奇思妙想。

④編程調(diào)試。帶領學生使用SmartArt工具畫出溫濕度檢測系統(tǒng)的工作流程圖（如圖1），再借助圖形化編程軟件完成程序（如下頁圖2）并燒錄到主控板中，不斷調(diào)試溫濕度檢測系統(tǒng)。

⑤互換作品，分享建議。小組在全部完成后，相互交換“玻璃溫室”成品。學生切換為用戶角色，試用產(chǎn)品并向“生產(chǎn)者”反饋用戶體驗，提出建議。

在整個實踐過程中，教師給予學生充足的創(chuàng)作時間，讓學生在實踐創(chuàng)新的過程中，鍛煉獨立探索能力、合作溝通能力、數(shù)字設備的使用能力、資源整合能力，提高數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力及對人工智能的適應力和勝任力。

拓展遷移，研制火警報警器

學習遷移可以理解為在一種情境中獲得的技能、知識或情感態(tài)度對另一種情境中知識、技能的掌握或情感態(tài)度的形成產(chǎn)生影響。在人工智能課程的設計中，教師應注意設置拓展環(huán)節(jié)，拓展的核心內(nèi)容應與本節(jié)課的重難點保持一致，遵循最近發(fā)展區(qū)理論。這樣既節(jié)省了資源和時間成本，又鍛煉了學生舉一反三、觸類旁通的能力，以最高效的方式促進學生盡快達到下一發(fā)展階段的水平。

在完成“玻璃溫室”作品后，筆者順勢激勵學生觀察教室內(nèi)的智能設備，并請學生說說這些智能設備內(nèi)隱藏的傳感器。學生注意到教室內(nèi)的火警報警器，討論得出其內(nèi)部安裝了溫度傳感器，當室內(nèi)溫度超過預定溫度后立即發(fā)出警報聲。教師借機鼓勵學生利用溫濕度傳感器、蜂鳴器等零件研制火警報警器驗證自己的想法。

通過上一階段的學習積累，大部分學生可獨立在計算機上規(guī)劃方案、梳理創(chuàng)作步驟、制作流程圖、設計算法、研制產(chǎn)品。在此階段，教師要做的是表揚學生的前期表現(xiàn)，營造發(fā)明創(chuàng)造的氛圍，并主動關注學生的差異，發(fā)現(xiàn)學生不同的思維角度，讓每個學生都獲得發(fā)展。

評價交流，感悟人工智能的魅力

在人工智能教學中，評價交流更是重要的環(huán)節(jié)。筆者設置了自我評價、小組互評、社區(qū)評價三種不同的評價主體，營造開放、寬松的評價氛圍。

自我評價：采用電子評價單方式，圍繞計算機科學原理理解、數(shù)字化技術掌握、學習態(tài)度、創(chuàng)新精神、行為活動五個要素設置詳細的評價標準。

小組互評：借助問卷星平臺，圍繞系統(tǒng)規(guī)劃、模型搭建、程序編寫、產(chǎn)品功能四個方面設置評價標準，要求小組之間客觀公正給予評價。

社區(qū)評價：教師在網(wǎng)絡在線平臺上創(chuàng)建學校造物圈，讓完成作品的小組將作品上傳到造物圈并發(fā)布到社區(qū)中。借助網(wǎng)絡在線平臺，學生可以登錄自己的賬號查看社區(qū)所有作品，互相點贊、交流評價作品。同時，教師可以鼓勵學生將自己的作品設置開源，促進學生和社區(qū)中其他學校學生之間的相互學習。

多元的評價方式及評價主體，不僅可以強化學生數(shù)字化知識與技能的運用，還能促進學生在豐富多彩的作品中感悟人工智能的魅力，從而落實評價目標。

結(jié)語

人工智能的學習對當代青少年至關重要。教師應努力在信息科技課程中滲透人工智能相關內(nèi)容，通過選取恰當?shù)娜斯ぶ悄軕脠鼍?，?chuàng)造條件讓學生體驗人工智能技術，分析案例讓學生理解科學原理，規(guī)劃微型智能系統(tǒng)，引導學生使用電子零部件搭建模型，設計算法編寫程序，鼓勵學生展示創(chuàng)作成果等教學策略，讓學生熟練掌握數(shù)字化技術，提高學生數(shù)字化學習能力，促進學生創(chuàng)新思維的深入發(fā)展，從而使學生更好地適應信息化社會。

參考文獻：

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.