“AI+科學(xué)微實(shí)踐”項(xiàng)目“粉筆灰哪兒去了”活動(dòng)設(shè)計(jì)

〔摘" "要〕" 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能的應(yīng)用已逐漸融入教育領(lǐng)域。本文探討在智慧教育環(huán)境下，設(shè)計(jì)和實(shí)施小學(xué)科學(xué)中的“AI+科學(xué)微實(shí)踐”項(xiàng)目“粉筆灰哪兒去了”活動(dòng)，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)學(xué)科素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。教師應(yīng)分析智慧環(huán)境的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，結(jié)合具體教學(xué)案例，明確活動(dòng)設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和實(shí)施過程，并及時(shí)評(píng)估和反思教學(xué)效果，為小學(xué)科學(xué)教學(xué)提供新思路和方法。?

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；智慧環(huán)境；“AI+科學(xué)微實(shí)踐”項(xiàng)目；設(shè)計(jì)實(shí)施?

〔中圖分類號(hào)〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕" A" " " " 〔文章編號(hào)〕" 1674-6317" " （2025）21" " 0040-03

一、開展“AI+科學(xué)微實(shí)踐”項(xiàng)目活動(dòng)的意義?

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，智慧環(huán)境在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，為教育帶來了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。人工智能作為引領(lǐng)未來的前沿技術(shù)，正逐漸融入中小學(xué)教育體系?！督逃哭k公廳關(guān)于加強(qiáng)中小學(xué)人工智能教育的通知》指出，要著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，“以人工智能引領(lǐng)構(gòu)建以人為本的創(chuàng)新教育生態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生正確處理人與技術(shù)、社會(huì)的關(guān)系，促進(jìn)思維發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高解決實(shí)際問題的能力”?！吨行W(xué)科學(xué)教育工作指南》提出，“實(shí)施中小學(xué)科學(xué)教育工作，要聚焦科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任等核心素養(yǎng)培育”。智慧教育“微實(shí)踐”活動(dòng)具有重要意義，它為學(xué)生提供在“AI+科學(xué)”等領(lǐng)域?qū)嵺`的契機(jī)，學(xué)生能借此在實(shí)踐進(jìn)程中鍛煉創(chuàng)新思維，提升解決實(shí)際問題的能力，切實(shí)落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的要求。與此同時(shí)，該活動(dòng)助力學(xué)生形成科學(xué)觀念，鍛煉科學(xué)思維，培育探究實(shí)踐能力以及樹立對(duì)科學(xué)的態(tài)度責(zé)任，高度契合指南中聚焦核心素養(yǎng)培育的相關(guān)要求，全方位推動(dòng)學(xué)生在知識(shí)、能力與素養(yǎng)層面的發(fā)展。

二、明確活動(dòng)目標(biāo)，融通學(xué)科資源?

教師設(shè)計(jì)“AI+科學(xué)微實(shí)踐”項(xiàng)目，需以明確的原則為指引。依據(jù)中央電化教育館發(fā)布的《中小學(xué)人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》，應(yīng)聚焦于發(fā)展學(xué)生的人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)“AI+科學(xué)微實(shí)踐”活動(dòng)，能引導(dǎo)學(xué)生通過自主探究、動(dòng)手操作，主動(dòng)理解知識(shí)、掌握技能，實(shí)現(xiàn)提升素養(yǎng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)?；顒?dòng)應(yīng)高度契合學(xué)科知識(shí)的科學(xué)原理與方法，讓學(xué)生獲取準(zhǔn)確知識(shí)，避免認(rèn)知混淆。同時(shí)，結(jié)合學(xué)校實(shí)際條件與學(xué)生認(rèn)知水平，挑選易操作、能落地的項(xiàng)目，為活動(dòng)開展奠定基礎(chǔ)。從目標(biāo)導(dǎo)向看，活動(dòng)旨在幫助學(xué)生深入理解人工智能的基本概念與應(yīng)用場景，培養(yǎng)其觀察思考、實(shí)驗(yàn)探究等科學(xué)方法運(yùn)用能力，提升解決實(shí)際問題的水平，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，塑造合作與創(chuàng)新精神。?

人工智能時(shí)代對(duì)人的創(chuàng)造能力、邏輯思考能力和解決復(fù)雜問題能力有較高要求，能夠發(fā)現(xiàn)問題并能綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決復(fù)雜問題的創(chuàng)新型人才是人工智能時(shí)代所急需的。本文以科學(xué)工程設(shè)計(jì)課的外延課程中的“粉筆灰哪兒去了—— 粉筆擦排粉器”“AI+科學(xué)微實(shí)踐”項(xiàng)目為例，充分展現(xiàn)了活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施的全過程。學(xué)生從發(fā)現(xiàn)粉筆灰對(duì)人體危害及資源回收問題出發(fā)，綜合運(yùn)用調(diào)查訪問、數(shù)據(jù)分析等手段，結(jié)合 AI智造編程等多學(xué)科知識(shí)與資源，設(shè)計(jì)并不斷改進(jìn)粉筆擦排粉器模型。教師引導(dǎo)學(xué)生明確活動(dòng)目標(biāo)，即運(yùn)用人工智能技術(shù)解決粉筆灰危害師生健康與資源浪費(fèi)問題。從教學(xué)目標(biāo)設(shè)定而言，學(xué)生能借此深入理解人工智能在粉塵處理、資源回收領(lǐng)域的應(yīng)用，關(guān)聯(lián)環(huán)境科學(xué)與人工智能知識(shí)；培養(yǎng)創(chuàng)新思維，如在排粉器設(shè)計(jì)中融入智能感應(yīng)、自動(dòng)清理等功能，涉及電子工程、自動(dòng)化控制等多學(xué)科知識(shí)；提升解決問題能力，從發(fā)現(xiàn)問題到優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，融合多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題；引導(dǎo)學(xué)生從身邊問題關(guān)注人工智能應(yīng)用，增強(qiáng)對(duì)生活問題的關(guān)注度與解決意愿，體現(xiàn)目標(biāo)設(shè)計(jì)與多學(xué)科資源在生活中的關(guān)聯(lián)。?

這一活動(dòng)實(shí)現(xiàn)了“AI+科學(xué)微實(shí)踐”多學(xué)科資源的融合。在科學(xué)學(xué)科方面，學(xué)生了解粉筆成分及其對(duì)人體和環(huán)境的危害，將科學(xué)知識(shí)用于項(xiàng)目；在信息科技學(xué)科方面，運(yùn)用編程知識(shí)為排粉器編寫程序，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能；數(shù)學(xué)學(xué)科方面，通過問卷調(diào)查收集數(shù)據(jù)并分析，如統(tǒng)計(jì)受影響師生比例、計(jì)算粉筆浪費(fèi)量，為項(xiàng)目決策提供科學(xué)依據(jù)。

總之，教師設(shè)計(jì)“AI+科學(xué)微實(shí)踐”活動(dòng)，要基于學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)，遵循多維度準(zhǔn)則，借助類似“粉筆灰”項(xiàng)目這樣的實(shí)踐，融通多學(xué)科資源，助力實(shí)現(xiàn)教學(xué)與活動(dòng)目標(biāo)，切實(shí)提升學(xué)生的人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)。

三、學(xué)習(xí)方式多樣，激發(fā)探索興趣?

學(xué)習(xí)方式是學(xué)習(xí)者獲取外界信息、促進(jìn)自我反思、實(shí)現(xiàn)自主發(fā)展的方法和策略的總和。立足于明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，教師對(duì)活動(dòng)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與開展應(yīng)采用多樣化的方式，將其貫穿于“微實(shí)踐”活動(dòng)，以喚醒學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐與探索興趣。從整體活動(dòng)的過程拆解學(xué)習(xí)方式，在不同階段采用的不同方式，對(duì)于學(xué)生實(shí)現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)目的具有重要影響。在“粉筆灰哪兒去了——粉筆擦排粉器”“AI+科學(xué)微實(shí)踐”項(xiàng)目中，不同階段采用了多樣化的學(xué)習(xí)方式。

活動(dòng)起始階段：教師展示智能掃地機(jī)器人清理灰塵的案例，這類機(jī)器人能通過傳感器感知環(huán)境，自動(dòng)規(guī)劃清掃路線。將其類比粉筆擦排粉器項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生思考如何運(yùn)用類似的傳感器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)粉筆灰的自動(dòng)收集。接著，讓學(xué)生分組討論人工智能技術(shù)在解決粉筆灰問題上的潛在應(yīng)用，如利用距離傳感器檢測黑板擦是否放置到位，利用粉塵傳感器監(jiān)測空氣中粉筆灰的濃度等，激發(fā)學(xué)生的興趣和探索欲望，為后續(xù)實(shí)踐活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

深入探索階段：教師詳細(xì)介紹傳感器（如粉塵傳感器、紅外傳感器）和電機(jī)（直流電機(jī)、舵機(jī)）的工作原理，這些原理是實(shí)現(xiàn)排粉器智能化的關(guān)鍵。以粉塵傳感器為例，教師講解其如何將檢測到的粉塵濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳輸給控制器進(jìn)行處理。學(xué)生通過編程軟件，嘗試不同的編程方法和設(shè)計(jì)思路，如編寫程序使電機(jī)按照特定的轉(zhuǎn)速和時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，控制舵機(jī)的角度來實(shí)現(xiàn)不同方式的排粉動(dòng)作，培養(yǎng)探索精神。

拓展探索階段：教師引導(dǎo)學(xué)生思考如何將人工智能技術(shù)應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如將粉筆擦排粉器的設(shè)計(jì)理念拓展到工業(yè)粉塵處理設(shè)備中，或者如何改進(jìn)現(xiàn)有的人工智能解決方案。例如，探討在排粉器中加入人工智能圖像識(shí)別技術(shù)，識(shí)別黑板擦上的粉筆灰殘留量，自動(dòng)調(diào)整清理力度和時(shí)間，提升清理效果；思考如何將智能排粉器與校園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測教室空氣質(zhì)量，當(dāng)粉筆灰濃度超標(biāo)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)排粉器進(jìn)行清理。通過這些拓展探索，學(xué)生在小組合作中培養(yǎng)了創(chuàng)新思維和綜合應(yīng)用能力，提升了團(tuán)隊(duì)合作水平。

在“AI+科學(xué)微實(shí)踐”項(xiàng)目中，多樣化的學(xué)習(xí)方式發(fā)揮了無可替代的重要作用。項(xiàng)目起始，案例類比學(xué)習(xí)激發(fā)學(xué)生興趣，如借智能掃地機(jī)器人清理灰塵，引導(dǎo)學(xué)生思考如何運(yùn)用類似技術(shù)解決項(xiàng)目問題，讓學(xué)生快速融入實(shí)踐情境。深入階段，理論講解搭配實(shí)操演練，教師對(duì)傳感器、電機(jī)原理的詳述，與學(xué)生編程實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生扎實(shí)掌握知識(shí)并應(yīng)用。拓展環(huán)節(jié)，小組合作探討創(chuàng)新應(yīng)用，學(xué)生共同思考將項(xiàng)目理念拓展至其他領(lǐng)域，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作與創(chuàng)新思維。正是這些多樣化學(xué)習(xí)方式，全方位推動(dòng)了“AI+科學(xué)微實(shí)踐”的開展，助力學(xué)生提升綜合能力。

四、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)引領(lǐng)，以評(píng)促進(jìn)教學(xué)?

評(píng)價(jià)是反饋學(xué)生實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的重要手段，及時(shí)進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)和反思是完成“AI+科學(xué)微實(shí)踐”活動(dòng)的重要內(nèi)容。教師可通過課堂評(píng)價(jià)、課后拓展作業(yè)等方式考查學(xué)生對(duì)“AI+科學(xué)微實(shí)踐”相關(guān)知識(shí)的掌握程度，還可通過學(xué)生的課堂參與度、合作表現(xiàn)和興趣變化等方面，了解學(xué)生對(duì)人工智能情感態(tài)度的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，教師應(yīng)在課后及時(shí)反思活動(dòng)內(nèi)容的難易程度、趣味性等是否合理，是否符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和需求，總結(jié)在教學(xué)過程中所采取的方法能否激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以及所使用的教學(xué)資源能否滿足教學(xué)需求。

在“粉筆灰哪兒去了—— 粉筆擦排粉器”“AI+科學(xué)微實(shí)踐”項(xiàng)目結(jié)束后，教師從多維度對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。知識(shí)技能方面，通過查看學(xué)生編寫的程序代碼，評(píng)估其對(duì)編程知識(shí)的掌握程度，如是否能正確運(yùn)用各種指令實(shí)現(xiàn)排粉器的功能；檢查學(xué)生對(duì)傳感器和電機(jī)工作原理的理解，以書面測試或現(xiàn)場問答的形式，考查學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的記憶和應(yīng)用能力。過程表現(xiàn)上，觀察學(xué)生在小組合作中的參與度，包括是否積極提出想法、參與討論，能否與小組成員有效溝通和協(xié)作；評(píng)估學(xué)生解決問題的能力，如在遇到如電機(jī)故障、程序錯(cuò)誤、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等問題時(shí)，學(xué)生能否主動(dòng)分析原因并嘗試不同的解決方法。創(chuàng)新思維層面，評(píng)價(jià)學(xué)生在設(shè)計(jì)排粉器過程中的創(chuàng)新點(diǎn)，如獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新穎的功能添加等；鼓勵(lì)學(xué)生提出對(duì)未來排粉器改進(jìn)的創(chuàng)新性想法，即使這些想法暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)，也給予肯定和引導(dǎo)。

同時(shí)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我反思和小組互評(píng)。學(xué)生在自我反思中，總結(jié)自己在“AI+科學(xué)微實(shí)踐”項(xiàng)目中的收獲，如學(xué)會(huì)了哪些新的知識(shí)和技能，在團(tuán)隊(duì)合作中發(fā)現(xiàn)了自己的哪些優(yōu)點(diǎn)和不足；思考自己在解決問題過程中的思路和方法是否合理，有沒有更好的解決方案。小組互評(píng)時(shí)，學(xué)生相互評(píng)價(jià)在項(xiàng)目中的表現(xiàn)，分享自己從他人身上學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)，提出改進(jìn)建議，促進(jìn)共同成長。教師根據(jù)評(píng)價(jià)和反思結(jié)果，總結(jié)活動(dòng)中的優(yōu)點(diǎn)和不足，為后續(xù)的“AI+科學(xué)微實(shí)踐”活動(dòng)改進(jìn)教學(xué)方法和活動(dòng)設(shè)計(jì)提供參考。

評(píng)價(jià)在反饋學(xué)生實(shí)現(xiàn)預(yù)期方面的作用顯著。教師從知識(shí)技能、過程表現(xiàn)、創(chuàng)新思維多維度評(píng)價(jià)學(xué)生，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生自我反思與小組互評(píng)，助力學(xué)生總結(jié)收獲、認(rèn)識(shí)不足。教師依據(jù)評(píng)價(jià)反思結(jié)果，總結(jié)活動(dòng)優(yōu)劣，這對(duì)提升教學(xué)效果、促進(jìn)學(xué)生綜合素養(yǎng)提升意義重大，也為后續(xù)“AI+科學(xué)微實(shí)踐”活動(dòng)優(yōu)化提供有力參考。

五、結(jié)語?

基于智慧環(huán)境的“AI+科學(xué)微實(shí)踐”活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐為學(xué)生提供了全新的學(xué)習(xí)平臺(tái)，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能。在人工智能微實(shí)踐活動(dòng)實(shí)施進(jìn)程中，明確活動(dòng)目標(biāo)，融通學(xué)科資源，為學(xué)生構(gòu)建起一個(gè)跨越知識(shí)邊界、緊密關(guān)聯(lián)生活實(shí)際的學(xué)習(xí)框架，使學(xué)生能精準(zhǔn)把握學(xué)習(xí)方向，在多學(xué)科交融中深化對(duì)知識(shí)的理解與運(yùn)用。學(xué)習(xí)方式多樣化、喚醒探索興趣，如同為學(xué)生開啟了一扇扇充滿新奇與挑戰(zhàn)的大門，激發(fā)他們主動(dòng)探索、勇于創(chuàng)新，在實(shí)踐中不斷磨礪思維與能力。而學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)引領(lǐng)，以評(píng)促教，以評(píng)促學(xué)，則像一座明亮的燈塔，為教學(xué)活動(dòng)指引了改進(jìn)與優(yōu)化的方向，讓教師能依據(jù)評(píng)價(jià)反饋，不斷調(diào)整教學(xué)策略，提升教學(xué)質(zhì)量與效率。這三者相輔相成，共同促進(jìn)學(xué)生在人工智能微實(shí)踐活動(dòng)中全面發(fā)展，不僅提升知識(shí)技能，更培養(yǎng)創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力與科學(xué)素養(yǎng)，為他們未來更好地適應(yīng)科技社會(huì)、應(yīng)對(duì)復(fù)雜挑戰(zhàn)筑牢堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。我們應(yīng)持續(xù)踐行并深化這些理念，推動(dòng)人工智能教育邁向新高度。

【本文系廈門市集美區(qū)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度立項(xiàng)課題“智慧教育環(huán)境下小學(xué)科學(xué)‘微實(shí)踐’項(xiàng)目設(shè)計(jì)的研究”（課題立項(xiàng)編號(hào)：23024）和廈門市集美區(qū)鄭曉萬名師發(fā)展工作室課題“核心素養(yǎng)導(dǎo)向下小學(xué)科學(xué)‘思探創(chuàng)’一體化學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：MSFZGZS04-202415）的研究成果】

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