如何利用人工智能課程培養(yǎng)小學(xué)生的創(chuàng)新思維

黃秀娟

隨著科技的飛速發(fā)展，人工智能已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，尤其是在教育領(lǐng)域中發(fā)揮的作用越來越顯著。在中小學(xué)引入人工智能課程，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和問題解決能力具有重要意義。本文以長沙市芙蓉區(qū)實驗小學(xué)開發(fā)的人工智能課程“智慧種植基地——自動灌溉系統(tǒng)工作原理”為例，探討如何利用人工智能課程培養(yǎng)小學(xué)生的創(chuàng)新思維。

一、人工智能課程的特點

人工智能課程具有實踐性強(qiáng)、跨學(xué)科等特點，能夠為學(xué)生提供豐富的創(chuàng)新實踐機(jī)會。學(xué)生在課程中通過解決實際問題，不僅能夠掌握人工智能的基本知識，還有助于創(chuàng)新思維和問題解決能力的提升。

二、人工智能課程的具體實施

長沙市芙蓉區(qū)實驗小學(xué)一直致力于人工智能課程的建設(shè)與開發(fā)，人工智能課程遵循“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的原則，鼓勵學(xué)生從實際生活中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題，并學(xué)會拓展遷移，思考如何將所學(xué)的知識與技能運(yùn)用到其他領(lǐng)域或解決其他問題?，F(xiàn)以“智慧種植基地——自動灌溉系統(tǒng)工作原理”為例，闡述人工智能課程的具體實施過程。

1.發(fā)現(xiàn)問題

近年來，學(xué)校堅持立德樹人，推動“五育并舉”理念的實施，在校內(nèi)開辟了種植基地。在種植基地，學(xué)生可以親手觸摸每一片葉子，感受它們的生命力；可以看到植物從發(fā)芽、生長、開花到結(jié)果的全過程，體驗生命的力量。然而，學(xué)校種植基地在寒暑假期間因無人管理導(dǎo)致植物生長受限，每次開學(xué)都會呈現(xiàn)出一片荒蕪的景象。為了改變這一現(xiàn)狀，經(jīng)過思考和研究，我們發(fā)現(xiàn)利用自動灌溉系統(tǒng)可以解決植物生長的問題，于是決定在Scratch中編寫程序來模擬實現(xiàn)自動灌溉系統(tǒng)工作的過程。

2.分析問題

以小組合作的形式通過查閱資料、學(xué)習(xí)自動控制系統(tǒng)理論，確定解決這個問題的基本思路；以自動控制系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，通過土壤濕度傳感器實時監(jiān)測土壤濕度，并將數(shù)據(jù)反饋給控制中心；控制中心根據(jù)預(yù)設(shè)的濕度范圍與實時數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，做出相應(yīng)的控制決策；最后通過水泵和灌溉管道的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對土壤濕度的自動調(diào)節(jié)。

3.解決問題

（1）確定系統(tǒng)需求

學(xué)校種植基地在寒暑假期間需要利用自動灌溉系統(tǒng)來維持植物生長。通過Scratch程序編寫實現(xiàn)自動灌溉系統(tǒng)的演示效果，以滿足這一需求。

（2）了解工作原理

學(xué)生通過上網(wǎng)查找資料了解土壤濕度對植物生長的重要性，以及科學(xué)家建議的適宜植物生長的濕度范圍（17%～44%）。

學(xué)生能夠理解自動灌溉系統(tǒng)的工作原理：土壤濕度傳感器實時監(jiān)測土壤濕度，控制中心根據(jù)實時數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的濕度范圍進(jìn)行比較，并控制水泵的開關(guān)狀態(tài)。

（3）創(chuàng)建角色和背景

在Scratch中導(dǎo)入土壤濕度傳感器、控制中心、水泵、水滴、水花等角色以及種植基地場景作為背景，通過圖片幫助學(xué)生在頭腦中建立感性形象，并利用角色和背景建立模擬自動灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行過程。

（4）編寫腳本與設(shè)置邏輯條件

學(xué)生為每個角色編寫腳本，實現(xiàn)它們的基本功能，如傳感器檢測濕度、控制中心做出決策、水泵執(zhí)行開關(guān)動作等。

在編寫腳本的過程中，學(xué)生需要設(shè)置適當(dāng)?shù)倪壿嫍l件來控制角色的行為，確保系統(tǒng)能夠按照預(yù)期工作。例如，當(dāng)土壤濕度低于17%時，控制中心應(yīng)發(fā)送開啟水泵的指令；當(dāng)土壤濕度高于44%時，控制中心應(yīng)發(fā)送關(guān)閉水泵的指令；當(dāng)土壤濕度在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時，保持當(dāng)前水泵狀態(tài)。

（5）測試和調(diào)試

完成腳本編寫后，學(xué)生對系統(tǒng)進(jìn)行測試和調(diào)試，檢查各部分功能是否能正常使用、邏輯是否正確以及交互是否順暢。

在測試和調(diào)試過程中，學(xué)生可能會發(fā)現(xiàn)一些問題或不足之處，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

（6）總結(jié)與反思

經(jīng)過上述步驟的實踐和操作，學(xué)生對自動灌溉系統(tǒng)的工作原理和Scratch編程會有更深入的理解。此時，學(xué)生可以總結(jié)在開發(fā)過程中遇到的問題和解決方法，以及從中學(xué)到的知識和技能。此外，學(xué)生還可以思考如何將所學(xué)的知識和技能應(yīng)用于其他場景或項目中，以及如何進(jìn)一步改進(jìn)和完善自動灌溉系統(tǒng)以滿足更多需求，等等。

4.拓展延伸

問題解決后，教師進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考：自動灌溉系統(tǒng)在生活中還有哪些應(yīng)用？生活中還有哪些自動控制系統(tǒng)，這些自動控制系統(tǒng)都采用了什么傳感器進(jìn)行自動控制？

三、人工智能課程的階段成效

通過“智慧種植基地——自動灌溉系統(tǒng)工作原理”課程的實施，我們深入觀察并分析了學(xué)生在思維方式方面的變化，發(fā)現(xiàn)他們的創(chuàng)新思維得到了發(fā)展。

1.學(xué)生創(chuàng)新思維在編程訓(xùn)練中得到提升

在人工智能課程教學(xué)中，學(xué)生通常需要學(xué)習(xí)編程基礎(chǔ)知識，掌握各種算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在此課程實施的過程中，學(xué)生帶著思考分析自動灌溉系統(tǒng)的整個工作過程，通過列表的方式發(fā)現(xiàn)這個過程是循環(huán)往復(fù)的，于是確定程序編寫時需要用到循環(huán)結(jié)構(gòu)。這種訓(xùn)練使學(xué)生更加擅長邏輯推理、問題分解和抽象思考，有助于他們培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、有條理的創(chuàng)新思維。

2.學(xué)生創(chuàng)新思維在跨學(xué)科知識應(yīng)用中得到促進(jìn)

人工智能是一門跨學(xué)科的課程，涉及數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)等多個領(lǐng)域。在此課程實施的過程中，學(xué)生在設(shè)計自動灌溉系統(tǒng)模擬演示程序時，不僅要分析問題、構(gòu)建模型、編寫程序，還要設(shè)計界面和角色，選擇最優(yōu)方案滿足用戶體驗感。同時，學(xué)生要綜合運(yùn)用信息科技、數(shù)學(xué)、美術(shù)等學(xué)科的知識來解決問題，實現(xiàn)種植基地的自動灌溉。這種跨學(xué)科的思維方式使學(xué)生更加擅長整合不同領(lǐng)域的知識，有助于他們提出更具創(chuàng)新性的解決方案。

3.學(xué)生創(chuàng)新思維在團(tuán)隊協(xié)作中得到強(qiáng)化

在搭建自動灌溉系統(tǒng)的過程中，學(xué)生需要通過相互協(xié)作來完成任務(wù)，并考慮如何與他人有效溝通、如何分工合作、如何解決問題。這種團(tuán)隊合作的經(jīng)驗不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作與溝通能力，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

綜上所述，利用人工智能課程培養(yǎng)小學(xué)生的創(chuàng)新思維具有重要意義。通過人工智能課程的具體實施，我們發(fā)現(xiàn)其對培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、跨學(xué)科思維、團(tuán)隊合作意識等有一定的幫助。未來，學(xué)校將不斷優(yōu)化人工智能課程體系，進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和問題解決能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才打下堅實基礎(chǔ)。

【本文系2022年度湖南省教育信息技術(shù)重點研究課題“人工智能條件下教育社會實驗實施策略研究”的研究成果（課題編號：HNETR22001）】