基于“項目式學習”的中小學“人工智能”課程教學實踐

江蘇省太倉市沙溪鎮岳王學校 唐曉挺

“人工智能”成為國際競爭的新焦點，“人工智能”是引領未來的戰略性技術，世界主要發達國家把發展人工智能作為提升國家競爭力、維護國家安全的重大戰略，2017年國務院關于印發《新一代人工智能發展規劃》，指出人工智能課程教學要向低齡化發展，那么我們的首要任務是在中小學的教學計劃中加入“人工智能”課程，并運用適合中小學生心理特點的教學策略進行教學。

一、要義解讀

（一）項目式學習

項目式學習是以問題引導、任務驅動的學習方法，是學生自主探究的一個體現，學生主動探索現實世界，教師作用是理論指導和器材提供，學生通過小組合作解決一個現實生活問題，學習過程不是用一個固定的、現成的方法解決實際問題，而是學生需要知道什么地方以及如何獲得有助于解決問題的方法和信息，最后解決問題。它可以展現學生的創造力，具體過程包括如何檢索知識、如何制定方案、如何改進方案、如何實施方案，以及在方案實施過程中如何進行小組溝通和合作。

在項目式學習中，學生的學習過程是動態的，需要通過思考和推理來完成項目的實施，老師的作用是通過支持、建議和指導來幫助學生更好地學習。項目式教學和傳統的傳授式教學不同，它需要教師更多關注項目的過程、學生能力的發展，而不是注重知識的傳授。

（二）人工智能教學

人工智能是通過了解人腦思考問題的特點，制造出具有一定智能和能模擬人腦思維的人工系統，運用該系統替代需要人的智力才能完成的工作，人工智能教學也就是了解人工智能的發展現狀，學習人工系統的基本理論、方法和技術。

2017年7月國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，要求在中小學階段安排“人工智能”相關課程，初步接觸“人工智能”。2018年1月，教育部公布《普通高中課程方案》，人工智能、物聯網、大數據處理正式被納入《普通高中信息技術課程標準》新課標，同年江蘇省教研室《信息技術》教材編寫組也發布了蘇科版《信息技術》教材，編程、機器人課程、走進人工智能等章節出現在教學內容中。2019年7月《人工智能（初中版）》教材面世，教學目的在于提升學生的人工智能素養，幫助學生建立起對人工智能的鑒賞力、理解力和應用力。

二、教學模式

中小學人工智能教學還沒有形成一門獨立的課程，一般在《信息技術》教材中體現，缺乏系統性和完整性，“人工智能”與“中學物理”聯系緊密，在物理課程活動中開設“人工智能”課程，可以彌補不足，項目式學習教學方法的融入也可以使人工智能教學有可靠的抓手。人工智能教學不是一個單學科教學，在教學過程中需要滲透其他學科知識，學生運用各種知識實現既定目的。教學模式如圖1所示。

圖1

三、教學應用

人工智能教學是通過課程讓學生學會用模擬人類智能的途徑解決生活中的實際問題，讓人們的生活質量更高，它以項目式學習的教學方法作為載體，教師在課程教學中運用“構建框架”“形成作品”“成果反饋”的模式組織教學。

1.生活情境：在醫院當對病人進行靜脈注射時，將藥液裝于輸液瓶中，再采用靜脈注射管將液體藥物注射到人體血管中，以達到治療的目的，輸液時，需要人來定時查看液體的多少，讓病人或家屬不敢休息，帶來很大的負擔。

2.生成問題：如何使液體在快要輸完時自動發出報警提醒病人或看護者通知醫務人員進行換藥或做其他處理？

3.檢索資料：目前市面上的輸液存余檢測技術主要是紅外線檢測技術，利用液體和空氣的接觸面的折射原理改變紅外線的強度或方向，從而使得接收端信號改變，一般有透射式和折射式。這種方式就是檢測滴液管中液滴滴落的次數，這種技術的缺點是固定在輸液管上檢測，當報警時已經太晚了。

4.制定方案：中學物理中初步涉及了電路設計知識、傳感器知識。方案制定的思路為：“Arduino”主控，利用非接觸式液位傳感器保證藥液衛生安全，當液位低于安全閥值時，發出報警，提醒患者及醫護人員，同時可以通過無線網絡把液位數據傳到醫護人員的手機app上，提醒醫護人員或患者。

器材準備：主控板、非接觸式液位傳感器、蜂鳴器、LED、撥碼開關、3.7V鋰電池聚合物、Micro usb 充電接口、其他結構件（3D打印）。（如圖2）

圖2

5.學科滲透：物理知識、焊接知識、無線網絡知識、手機app、3D打印等。

6.修改完善：此設計只是液位低于安全閾值時，發出報警，拓展其功能，可以利用手機app實時查看液面的位置，輸液者、陪護家屬甚至護士都能查看，利用大數據網絡，合理安排工作。

7.作品展示：元器件焊接后，合理安放到結構件中。

8.評價點評：該作品是通過物聯網和傳感技術實現“人工智能”為人們服務，解決的是人們輸液時需要人去看護的輸液報警問題，利用網絡和app可以實現和手機連接，有一定的實際應用價值。

9.推廣應用：在全校范圍展示，征求建議，申請專利，向社會尋求合作意向。

四、教學意義

（一）項目式學習讓學生回歸本源

項目式學習是基于生活、基于思考、基于創新等具有實踐性的學習方式，打破以往單學科的教學方式，以“項目”來引領的課程模式，它是一種符合學生心理特點以及能發展學生高階能力的學習方式，在學習過程中讓學習親近生活，解決生活中的實際問題，教師提供有目的、真實的任務，與真實世界相連接，促使學生積極參與學習過程，深入探究生活實際問題，可以有效促進學生的深度學習，有效提升他們的學科核心素養和能力。

項目式學習讓“人工智能”課程有了合適的教學方法，中小學生的天性是“好動”，項目式學習是在“玩中學”，“人工智能”的特點是新奇，學生對某一學科有興趣，就會持續地專心致志地鉆研，從而提高學習效果。

項目式學習教學使更多的教師開始關注傳統教育理念、教育模式的變革，注重對中小學生創新能力的培養，探索出適合時代要求的育人方法，從而使學生的成長更符合生長規律，得到全面的發展。

（二）“人工智能”課程讓中小學和科技走得更近

人工智能就其本質而言，是對人思維過程的模擬，該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等，屬于現代社會的高端科技領域。《中國學生發展核心素養》中指出，實踐創新主要是學生在日常活動、問題解決、適應挑戰等方面所形成的實踐能力、創新意識和行為表現，具體包括勞動意識、問題解決、技術應用等基本要點；理解技術與人類文明的有機聯系，具有學習掌握技術的興趣和意愿；具有工程思維，能將創意和方案轉化為有形物品或對已有物品進行改進與優化等。在中學開始“人工智能”課程符合國家對于學生的總體要求，而項目式學習讓學生有了“思維”的成長和“勞動”的體驗，讓學生在開闊眼界的同時在探究中獲得高端科技的知識。

（三）基于“項目式學習”的 “人工智能”課程更有利于中小學的教學銜接

通過對現有同一領域研究資料的分析發現，在中小學課程教學中開展的人工智能課程并不多。在“小學科學”和“中學物理”的教學中，適當融入“人工智能”課程，通過項目式學習方式提高教學有效性，挖掘中小學的人工智能資源，并對中小學教學內容進行合理銜接，成為學生學習人工智能的基石，可以提高學生的科學素養，從教學形式上，探索中小學人工智能教學的延續性、銜接性，為基礎教育階段課程統一開展打好基礎。學生在小學階段接觸到項目式學習的教學模式，他們到初中以后，潛移默化地接受這種教學模式，不會感到陌生、抗拒。小學階段和中學階段區別僅僅是教學內容的不同，教學形式的統一更利于人工智能教學的開展、人工智能教育理念的落實，可以真正提高學生的科學素養！