STEAM理念下小學(xué)人工智能綜合課程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

【摘 要】自《義務(wù)教育信息科技標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》發(fā)布以來，人工智能教育、跨學(xué)科綜合課程逐漸走進(jìn)中小學(xué)生課堂。本文在STEAM理念指導(dǎo)下，采用項(xiàng)目式教學(xué)策略，設(shè)計(jì)小學(xué)人工智能綜合性課程，通過課堂教學(xué)和動(dòng)手實(shí)踐，提升學(xué)生AI素養(yǎng)與跨學(xué)科思維，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究、創(chuàng)新實(shí)踐、解決問題的關(guān)鍵能力。

【關(guān)鍵詞】人工智能;綜合課程;STEAM理念;項(xiàng)目式教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2022）010-077-02

目前，人工智能教育在中小學(xué)進(jìn)入快速發(fā)展的新階段。為了深入探索我國(guó)小學(xué)人工智能教育應(yīng)該教什么、怎么教等問題，筆者在學(xué)校開展人工智能教學(xué)實(shí)踐，并構(gòu)建了對(duì)應(yīng)四五年級(jí)的人工智能體驗(yàn)、人工智能編程應(yīng)用和人工智能綜合實(shí)踐的梯度課程。在STEAM教育理念支持下，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)策略，基于真實(shí)的生活情境，筆者設(shè)計(jì)并實(shí)施了“防疫安全門”人工智能綜合課程，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐的過程中完成人工智能項(xiàng)目目標(biāo)，提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)與跨學(xué)科思維，發(fā)展解決問題的關(guān)鍵能力。

小學(xué)人工智能綜合課程的設(shè)計(jì)思路

人工智能是一門跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科，涵蓋了技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、編程等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)的培養(yǎng)也需要多個(gè)學(xué)科的有機(jī)聯(lián)系。而STEAM教學(xué)理念是一種重實(shí)踐的超學(xué)科教育概念[1]。它強(qiáng)調(diào)學(xué)科與學(xué)科之間跨學(xué)科的深度融合，比如科學(xué)與技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的融合。采用STEAM理念指導(dǎo)人工智能課程的開展，有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過程中融合多學(xué)科知識(shí)，提升學(xué)生的AI素養(yǎng)。

在STEAM理念指導(dǎo)下，筆者以發(fā)展學(xué)生AI素養(yǎng)與跨學(xué)科思維為核心目標(biāo)，融合多學(xué)科的知識(shí)、技能與方法，采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)策略，展開分科學(xué)習(xí)，并梳理了小學(xué)人工智能綜合課程的教學(xué)模式，主要包含了以下五個(gè)環(huán)節(jié)、六個(gè)步驟，對(duì)應(yīng)六節(jié)學(xué)科課程（圖1）。

小學(xué)人工智能綜合課程的實(shí)施

“防疫安全門”人工智能項(xiàng)目案例是在新冠肺炎疫情背景下，以檢測(cè)進(jìn)入校園人員是否戴口罩、是否本校人員等安全信息為目標(biāo)的智能校園門禁系統(tǒng)教學(xué)案例。根據(jù)人工智能綜合實(shí)踐課程的教學(xué)模式，筆者設(shè)計(jì)實(shí)施了教學(xué)主題為防疫安全門的六節(jié)課，包括防疫安全門的設(shè)計(jì)、制作、編程、優(yōu)化、美化、展示，涵蓋了科學(xué)、工程、信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、美術(shù)、語文等多個(gè)學(xué)科的6節(jié)分科課程，綜合應(yīng)用了學(xué)生的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，開展人工智能綜合實(shí)踐活動(dòng)。

1.創(chuàng)設(shè)情境、確定主題

從校門口的智能閘門入手，引導(dǎo)學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)校門的智能檢測(cè)系統(tǒng)具備哪些功能？學(xué)生發(fā)現(xiàn)有人臉識(shí)別、體溫檢測(cè)、口罩識(shí)別、語音提醒等功能。那其背后的原理是什么？如何制作呢？從而創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，明確關(guān)鍵問題，確定項(xiàng)目研究主題——制作智能防疫安全門。

2.頭腦風(fēng)暴、分析問題

在確定項(xiàng)目之后，科學(xué)老師先引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，分析智能防疫安全門的功能、原理與結(jié)構(gòu)。接著引導(dǎo)小組進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)草圖、項(xiàng)目任務(wù)分解、小組分工等活動(dòng)，讓學(xué)生經(jīng)歷完整的項(xiàng)目分析、規(guī)劃、設(shè)計(jì)的過程，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)思維和小組合作能力。

3.分科學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐

本環(huán)節(jié)學(xué)生在做中學(xué)、學(xué)中做，邊學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)，邊動(dòng)手實(shí)踐，綜合應(yīng)用各學(xué)科知識(shí)完成項(xiàng)目作品制作。

（1）動(dòng)手實(shí)踐，結(jié)構(gòu)搭建——第二課“防疫安全門的制作”

如何搭建結(jié)構(gòu)呢？科學(xué)老師先引導(dǎo)學(xué)生回顧相關(guān)電子知識(shí)，并介紹激光切割的門結(jié)構(gòu)零件;學(xué)生參考小組項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖，動(dòng)手實(shí)踐，搭建作品的門框結(jié)構(gòu);最后，學(xué)生完成樹莓派、攝像頭、紅外測(cè)距燈電子元件的接線和安裝，完成核心功能部分的組裝。從而培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和動(dòng)手實(shí)踐能力。

（2）任務(wù)探究，項(xiàng)目編程——第三課“防疫安全門的編程”

如何讓智能硬件動(dòng)起來呢？借助樹莓派、攝像頭等硬件，教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試使用古德微圖形化編程在線平臺(tái)，給防疫安全門添加口罩識(shí)別的功能。在程序調(diào)試過程中，信息科技老師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題：有的程序會(huì)不斷地重復(fù)檢測(cè)口罩，即使沒有人經(jīng)過門閘，程序也會(huì)一直播報(bào)“請(qǐng)戴上口罩”。通過引導(dǎo)學(xué)生拆解問題、逐個(gè)分析，逐步解決，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和計(jì)算思維。

（3）改進(jìn)創(chuàng)新，項(xiàng)目?jī)?yōu)化——第四課“防疫安全門的優(yōu)化”

如何進(jìn)行人臉識(shí)別呢？信息科技老師要引導(dǎo)學(xué)生共同探索校園門禁系統(tǒng)中的人臉識(shí)別功能，頭腦風(fēng)暴，探究人臉識(shí)別的基本原理與程序執(zhí)行的流程。引導(dǎo)學(xué)生通過建立人臉庫、人臉入庫、人臉比對(duì)等過程，編程實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別的功能。從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和AI素養(yǎng)，提升學(xué)生解決問題的關(guān)鍵能力。

（4）完善外觀，項(xiàng)目美化——第五課“防疫安全門的美化”

最后，如何讓我們的作品更美觀實(shí)用呢？學(xué)生項(xiàng)目小組對(duì)作品進(jìn)行外觀的美化。美術(shù)老師引導(dǎo)學(xué)生通過回顧點(diǎn)、線、面等美術(shù)功底，將美術(shù)創(chuàng)作元素以及功能標(biāo)識(shí)圖標(biāo)融入作品的美化中，進(jìn)一步加強(qiáng)作品的美觀性，完成防疫安全門項(xiàng)目實(shí)物制作的美化任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生感受美、創(chuàng)造美和動(dòng)手實(shí)踐等能力。

4.交流作品、分享收獲

本環(huán)節(jié)，學(xué)生展示小組作品，分享制作過程中遇到的問題及收獲，并自我評(píng)價(jià)作品，針對(duì)小組的作品及遇到的問題，師生進(jìn)行探討并提出自己的建議。通過作品展示交流，培養(yǎng)學(xué)生樂于分享的精神。

5.總結(jié)評(píng)價(jià)、拓展主題

根據(jù)各小組的分享展示，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)各組作品進(jìn)行投票評(píng)價(jià)，按照自我評(píng)價(jià)、同學(xué)評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)對(duì)小組項(xiàng)目制作過程進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。同時(shí)師生互動(dòng)，總結(jié)整個(gè)項(xiàng)目課程，并提出新問題：人臉識(shí)別一定安全嗎？我們還可以增加哪些實(shí)用的功能呢？如何實(shí)現(xiàn)這些功能呢？從而在評(píng)價(jià)中培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和思辨思維，在主題延伸中引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考、探索作品，拓展學(xué)生的AI意識(shí)與科學(xué)探究的精神。

結(jié) 論

本文基于STEAM理念，采用項(xiàng)目教學(xué)的教學(xué)策略，梳理了小學(xué)人工智能綜合課程的教學(xué)模式，并在實(shí)際教學(xué)中付諸實(shí)踐，致力于發(fā)展學(xué)生的AI素養(yǎng)、跨學(xué)科思維、解決問題的關(guān)鍵能力。希望文章的課程設(shè)計(jì)思路和實(shí)施過程對(duì)于各中小學(xué)開展人工智能綜合課程帶來一些新的思考。

注：本文系2020年度廣東省教育信息化應(yīng)用融合創(chuàng)新課題“STEM視域下的小學(xué)人工智能教育課程的開發(fā)與實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：20JX07167）的研究成果

參考文獻(xiàn)

樂勇. STEAM：一種嶄新的國(guó)際教育理念[J]. 大學(xué)科普，2017（11）： 32.

作者單位：廣東中山火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)博凱小學(xué) 廣東中山市東區(qū)雍景園小學(xué)