淺談在STEAM理念下開發(fā)小學人工智能課程
——以人工智能課程“智能感應雨量器”為例

董玉坤

(合肥市南國花園小學 安徽合肥 230000)

引言

人工智能時代,“學會學習”比“學了多少”更重要。STEAM理念兼具探索性、研究性和應用性特征,強調科技創(chuàng)新的同時注重實際應用。在STEAM理念的指導下,開發(fā)適合小學生的人工智能課程,不僅可以培養(yǎng)學生的動手操作能力、融合創(chuàng)新能力,還可以鍛煉學生的跨學科學習能力,提高學生人工智能素養(yǎng)。

一、小學人工智能課程的開發(fā)背景與現(xiàn)狀

(一)小學人工智能課程的開發(fā)背景

黨的二十大報告指出:推動戰(zhàn)略新興產業(yè)融合發(fā)展,構建新一代信息技術、人工智能、生物技術、綠色環(huán)保等一批新的增長引擎。其中提及的人工智能已然成為當前國際競爭的新焦點和經濟發(fā)展的新引擎。未來的競爭是人才及人才培養(yǎng)的競爭,近些年來,我國正在加大人工智能教育的政策供給,例如國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》,提出在中小學階段設置人工智能相關課程,逐步推廣編程教育。這些措施推動了人工智能和教育教學的深度融合,全面提高了學生對人工智能的整體認知和應用水平,讓學生對人工智能產生濃厚的學習興趣,開發(fā)學生學習潛力,為建設科技強國提供了人才儲備。

(二)小學人工智能課程的開發(fā)現(xiàn)狀

讓學生群體具備人工智能素養(yǎng)是國家未來發(fā)展的需求。我們應當培養(yǎng)可以協(xié)作交流、善于批判性思考、具有跨學科思維能力和人工智能素養(yǎng)的能夠解決真實問題的應用型創(chuàng)新人才。

然而,在小學階段,人工智能課程并未普及。部分已經開設的人工智能課程也相對缺乏系統(tǒng)的理論指導和課程標準,而且不同地區(qū)所具備的軟硬件也存在明顯差異。此外,具備條件的地區(qū)也很少將人工智能課程作為一項常規(guī)課程,這些地區(qū)往往將人工智能作為一種競賽,例如編程比賽、機器人比賽,等等。這些比賽主要的參賽教師一般都是科學老師或者信息技術老師,參與的教師和學生人數(shù)比較有限而且專業(yè)化程度較高,這導致語文、數(shù)學等學科教師大多無法加入其中,很多學生甚至沒有接觸人工智能的機會。

二、STEAM理念下開發(fā)小學人工智能課程的要求

(一)創(chuàng)建實驗室

STEAM理念是一種注重學生實踐的跨學科教育理念,它強調培養(yǎng)學生利用多學科的知識與技能解決實際問題的能力。為了使更多的教師和學生參與人工智能課程的開發(fā)與應用,應積極創(chuàng)建實驗室,創(chuàng)造教學情境,同時定期檢查實驗室建設和使用情況,確保實驗室建有所用。

(二)課程安排

STEAM理念指導下的小學人工智能課程分為三個階段,分別對應小學低段、中段以及高段。

第一階段:小學一、二年級培養(yǎng)學生對人工智能的學習興趣,拓寬學生的視野,豐富學生的知識儲備。

第二階段:小學三、四年級傳授學生基礎的信息技術知識,培養(yǎng)學生對人工智能的探索精神。

第三階段:小學五、六年級通過完整的人工智能課程培養(yǎng)學生的學科整合能力、實踐能力、創(chuàng)新能力以及對人工智能技術的綜合應用能力。

(三)師資培訓

目前,基礎教育領域和人工智能領域相結合仍處在初步階段,這需要教育主管部門提供更多的學習機會和交流平臺幫助教師成長,教育工作者應以更加開放的學習態(tài)度接納新知識,探索新途徑,求得新發(fā)展。

三、STEAM理念下小學人工智能課程的開發(fā)原則

首先,STEAM理念下的小學人工智能課程需要具備可操作性和挑戰(zhàn)性。小學生對外界環(huán)境具有很強的好奇心以及探索精神,但他們動手能力還比較弱,所以課程的內容難度不宜過大,需要針對學生的年齡特點開發(fā)有趣的學生貼合日常生活的可操作的課程。但課程也需要具備一定的挑戰(zhàn)性,防止學生缺乏學習興趣和探索動力。

其次,STEAM理念下的小學人工智能課程需要具有可持續(xù)探究性。小學生具有極強的求知欲。對于小學生來說,可以持續(xù)探究的項目更能激發(fā)學生的興趣,能夠引導學生不斷思考,為學生的終身學習奠定基礎。

最后,STEAM理念下的小學人工智能課程應當充分考慮到學校的實際情況以及學生的認知發(fā)展水平,從學生的生活實際出發(fā),引導學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題,進而解決問題。

四、STEAM理念下小學人工智能課程的開發(fā)思路

在STEAM理念的指導下,應以發(fā)展學生的創(chuàng)新思維能力和人工智能素養(yǎng)為核心目標,融合科學、數(shù)學、語文、信息技術等多學科知識,采用項目式學習策略展開分科教學,做好各學科間的銜接,引導學生通過完整的項目探究過程在不同學科的學習中得到良好的發(fā)展。所以教師在設計課程整體架構時應找到不同學科的交叉點,讓學生在學習的過程中能夠對所學知識進行合理化遷移。

五、STEAM理念下小學人工智能課程實踐案例

“智能感應雨量器”是在2021年鄭州暴雨災害的背景下,以監(jiān)測降雨量并提醒行人及時避險以及播報實時天氣等為目標設計的人工智能課程。本課程的實施對象為五、六年級學生,為了更好地培養(yǎng)學生統(tǒng)籌規(guī)劃、融合創(chuàng)新以及合作交流的能力,根據(jù)學科課程安排,筆者設計了6課時內容,包含雨量器的流程設計與簡易制作、根據(jù)實際需求編程和優(yōu)化、對雨量器進行美化和展示等活動。其涉及了工程、數(shù)學、科學、信息技術、美術、語文等多門學科知識,讓學生在學習學科知識的同時,通過綜合應用各學科知識動手實踐完成項目作品制作。

(一)創(chuàng)設情境,確定主題——第一課“智能感應雨量器的設計流程”

首先語文老師帶領學生觀看2021年7月鄭州發(fā)生的暴雨災害資料,并引導學生提出問題:鄭州發(fā)生的暴雨災害給我們帶來了很大的損失,天氣預報已經播報了暴雨提醒,為什么有些人沒有及時撤離呢?據(jù)了解,當時鄭州已經發(fā)布了兩次暴雨紅色預警,可是民眾大多對降雨量沒有概念,不知道那些降雨量數(shù)字意味著什么,沒能對“信號”給予足夠重視,忽視預警所提到的風險,導致了一些不必要的損失。在此基礎上,科學老師引導學生提出可以制作一個智能感應雨量器裝置,當感應雨速和雨量達到一定程度后,會有語音報警提醒,并且智能感應雨量器還具備人臉識別、體溫檢測、視頻宣傳等功能,從而確定本次人工智能課程的主題——制作智能感應雨量器。

在確定項目之后,信息技術老師引導學生進行思考,分析智能感應雨量器的各個功能以及實現(xiàn)原理,確定設計方向。學生通過上網查詢、看書等方法查找資料,擴展視野,豐富知識儲備。在老師的指導下,學生進行課程要素分解、分組設計交流、方案具體實施等活動,經歷完整的項目分析、規(guī)劃、分解、設計、整合、優(yōu)化的過程,培養(yǎng)了交流合作能力和工程思維。最后學生通過交流討論確定智能感應雨量器的制作流程。

1.了解測量降雨量的科學用具——雨量器,嘗試設計智能感應雨量器;

2.交流討論,利用VJC軟件編寫程序;

3.搭建智能感應雨量器裝置并測試;

4.對智能感應雨量器進行優(yōu)化和美化;

5.對智能感應雨量器進行展示;對小組項目制作過程進行綜合性評價。

(二)動手實踐,結構搭建——第二課“智能感應雨量器的制作”

什么是雨量器?在制作智能感應雨量器之前,科學老師帶領學生通過“自制雨量器”一課認識測量降雨量的科學用具——雨量器,知道雨量器是用來測量降雨量多少的工具。學生在了解雨量器的結構之后,綜合運用工程、數(shù)學等學科知識通過組內合作制作一個簡易雨量器。

智能感應雨量器應該如何制作呢?如何搭建智能感應雨量器的智能結構呢?帶著這些問題,信息技術老師帶領學生回顧相關電子知識,并介紹紅外測距傳感器、主控板、指示燈、顯示屏等結構零件,引導學生思考在雨量器的什么位置安裝傳感器、安裝什么樣的傳感器比較合適,以及對應的語音內容和視頻內容是什么。學生參考小組項目設計圖,分組將顯示屏、攝像頭、麥克風、紅外測距燈等電子元件安裝在已有雨量器中。

(三)完善設計,個性編程——第三課“智能感應雨量器的編程”

如何讓組裝的智能感應雨量器元件發(fā)揮效果呢?在信息技術老師的指導下,學生了解到可以通過編程讓計算機理解人的意圖,讓計算機通過程序指揮電子元件按要求去工作。在老師的引導下,學生嘗試獨立使用VJC軟件編寫程序給智能感應雨量器添加水量識別功能。完成后,學生分小組對程序進行調試,使用圖表對實驗過程和結果進行測量和記錄,經過交流討論發(fā)現(xiàn)問題:有的程序數(shù)值設置不準確,水位未到指定位置報警裝置就開始發(fā)出警示。有的程序循環(huán)設置不清楚,當水位降低時,報警裝置還會發(fā)出警示。隨后,學生分小組拆解問題,逐個分析,逐步解決,最終完成對程序的調整和完善,設計出了可以完美運行程序的智能感應雨量器。經過調試,當水位達到一定高度,雨量器就會發(fā)出警示并閃爍燈光提醒周圍的人注意安全。

通過編程的學習,學生培養(yǎng)了邏輯思維能力和抽象思維能力,提升了創(chuàng)造性和計算能力,提高了耐心、細心和專注力。

(四)改進創(chuàng)新,項目優(yōu)化——第四課“智能感應雨量器的優(yōu)化”

對于制作好的簡易智能感應雨量器還可以怎樣優(yōu)化呢?學生分小組進行討論,最后提出幾點優(yōu)化方案。例如:

當智能感應雨量器監(jiān)測到周邊有行人經過時,利用播放器播放實時天氣或者提前錄制好的暴雨等自然災害科普視頻。還可以在雨量器旁安裝儲備柜存放災害應急物資,當暴雨等自然災害發(fā)生時,行人可以通過人臉識別打開柜門使用應急物資,等等。

針對學生提出的優(yōu)化方案,科學老師在整理匯總后進行任務分配。語文老師帶領學生拍攝科普視頻。信息技術老師帶領學生探究人臉識別的基本原理,引導學生經歷建立人臉數(shù)據(jù)庫、比對人臉、分析特征、連接互聯(lián)網、利用大數(shù)據(jù)精準分析等過程,利用Python編程實現(xiàn)人臉識別功能,提升了學生創(chuàng)新能力和解決問題的能力,并發(fā)展了學生精細的運動技能和手眼協(xié)調能力。

最后,學生對優(yōu)化完成的各個組件進行組裝,完成了具備雨量檢測、物資存儲、視頻宣傳等功能的智能感應雨量器。

(五)設計外觀,美化作品——第五課“智能感應雨量器的美化”

最后由美術老師帶領學生對雨量器的外觀進行設計。有的學生畫出了精美的圖案,有的學生編寫了有趣的宣傳標語,還有的學生制作了彩色裝飾。學生在合作中完成智能感應雨量器的美化設計。

接下來,科學老師帶領學生使用3D打印技術并利用防水材料對智能感應雨量器的外殼進行一體化打印,這樣制作的智能感應雨量器不僅美觀而且可以避免沙礫、灰塵、振動等干擾。通過對外觀的設計,學生認識美、欣賞美、感受美、創(chuàng)造美的意識和能力提高了。

(六)交流展示,總結評價——第六課“智能感應雨量器的展示”

STEAM理念下小學人工智能課程的考核應當具備高度的靈活性,除了傳統(tǒng)的評估方式,學生還需要向同學、老師展示項目成果。老師再根據(jù)展示效果進行評估和反饋,幫助學生改進執(zhí)行方案,完善學生的作品。

通過智能感應雨量器的制作,每位同學都受益匪淺。課堂上,學生進行小組展示,分享制作成果和心得。教師引導學生探討并投票選出最佳作品,給予獲獎小組鼓勵。針對小組遇到的問題,師生給出建議,及時地解決問題。

(七)持續(xù)探究,促進終身學習

在課程的最后,老師進行總結并引導學生思考:智能感應雨量器還可以怎樣優(yōu)化?我們還可以為其增加哪些實用的功能?這些功能如何去實現(xiàn)呢?雖然“智能感應雨量器”這個項目已經結束,但對雨量器的探究卻沒有停止。當學生掌握豐富的學科知識、擁有一定的人工智能素養(yǎng)后,我們可以引導其對雨量器進行再次升級,并且在生活中發(fā)現(xiàn)更多值得探究的項目。