面向數字化學習與創新能力的人工智能教學實踐

倪榮

摘要：作者以智造“玻璃溫室”為例，從體驗感知、原理探究、實踐創新、拓展遷移和評價交流五個方面，探討如何在人工智能教學中培養學生的數字化學習與創新能力，以期能夠促進學生創新思維的深入發展，從而使學生更好地適應信息化社會。

關鍵詞：數字化學習與創新；人工智能教學；溫濕度檢測系統

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2023）16-0062-03

2022年4月，教育部印發《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”），明確信息科技學科的核心素養主要包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個方面。其中，數字化學習與創新是指個體在日常學習和生活中通過選用合適的數字設備、平臺和資源，有效地管理學習過程與學習資源，開展探究性學習，創造性地解決問題。同時，課標指出信息科技課程知識體系圍繞數據、算法、網絡、信息處理、信息安全、人工智能六條邏輯主線進行螺旋式建構學習，其中的人工智能模塊的學習以體驗應用系統為基礎，逐步進行深度學習。可見，在新時代教育背景下，通過人工智能課程活動培養學生數字化學習與創新能力很有必要。

因此，在基于數字化學習與創新能力培養的人工智能教學實踐與研究中，筆者以智造“玻璃溫室”為明線，以利用數字設備規劃系統及程序設計實現過程與控制的方案為暗線，以智慧農業為情境，讓學生在系統設計中感受科技給農業種植帶來的便利，提高學生的數字化學習與創新能力，培養學生利用人工智能解決問題的意識。

體驗感知，走進智慧農業

近年來，智慧農業發展迅速，借助數字化技術打造智慧農業，不僅大大減輕了農民的體力勞動，降低了農業生產成本，而且提升了農產品的質量和產量。因此，筆者綜合當地農業基地發展狀況，利用周末組織學生到現代農業示范園開展研學。在研學前，基于數字化學習與創新理念，以農業示范園如何通過智能化控制為植物提供生長所需的最佳環境條件為中心，設計學生研學手冊。

研學手冊主要包括以下幾點：①注意事項。包括安全事項、時間、地點、交通方式等。②研學目的。目的是體驗智慧農業。③研學方法。包括聽取技術人員講解、采訪詢問負責人、網絡查詢和親身操作等方式。④研學感悟。除了以上幾點，為幫助學生深入學習，筆者還提出以下三個具體問題，指導學生完成此次現代農業示范園研學活動：①農業示范園主要包含哪些智能系統？②這些智能系統分別具有什么作用和功能？③這些智能系統中分別使用了哪些數字化設備？

學生在研學手冊的指導下，集思廣益分享交流，借助思維導圖梳理出農業示范園的主要系統及功能。同時，在體驗智慧農業的過程中，學生能夠利用平板電腦、手機等數字設備獲取信息，并對信息加工、處理、整合，開展自主學習和合作探究。這些都有助于學生數字化學習與創新能力的提高。

原理探究，揭秘溫濕度檢測系統

人工智能應用廣泛，研究領域豐富多樣。在開展人工智能課程時，教師可以從較大的領域帶領學生進入情境，但在課堂學習層面應從小處尋找突破口，從而減少學生的畏難情緒，增強學生的成就感。筆者根據學生研學手冊的完成情況和現階段的學習能力，選擇溫濕度檢測系統為切入點，引導學生從應用層面描述溫濕度檢測系統在智慧農業中承擔的功能，并得出結論：溫濕度檢測系統負責對環境中的溫度、濕度進行24小時實時監測。

為使學生能夠循序漸進地了解溫濕度檢測系統的工作原理，筆者采用了如下策略：①組織學生利用計算機畫圖工具，根據研學記錄構畫出溫濕度檢測系統的主要電子模塊，明確該系統由溫濕度傳感器、主控板、顯示屏三部分組成。②分組合作認識電子元器件。③拆卸該傳感器，讓學生觀察探究，梳理出其內部裝有濕敏和熱敏元件，能夠將環境中的溫度量和濕度量轉換成容易被測量處理的電信號。另外，主控板負責接收讀取溫濕度傳感器的數據并發送給顯示屏進而打印出環境的溫濕度數據值。

實踐創新，智造“玻璃溫室”

人工智能的學習注重以實踐帶動理論。在實踐過程中學生需要根據實際需求自主規劃系統、搭建模型、編寫程序實現智能控制處理，逐步驗證想法，不斷優化設計方案。為培養學生數字化學習與創新能力，筆者從以下幾個步驟，組織引導學生進行實踐創新。

①鼓勵式提出需求。向學生展示冷水花盆栽，介紹冷水花喜歡溫暖濕潤的環境，當環境中的空氣濕度在60%～75%之間、溫度在15～25℃之間時生長旺盛。同時提出需求，鼓勵學生為冷水花打造“玻璃溫室”，守護盆栽茁壯成長。

②頭腦風暴梳理思路。組織學生開展頭腦風暴，分析得出“玻璃溫室”應以“搭建溫室主體模型—組裝溫濕度檢測系統—軟件編程燒錄程序—測試優化”四個步驟逐步完成。

③分組搭建模型。要求學生兩人一組，使用結構類零件搭建出各式各樣的溫室主體模型，表達他們在建筑設計上的奇思妙想。

④編程調試。帶領學生使用SmartArt工具畫出溫濕度檢測系統的工作流程圖（如圖1），再借助圖形化編程軟件完成程序（如下頁圖2）并燒錄到主控板中，不斷調試溫濕度檢測系統。

⑤互換作品，分享建議。小組在全部完成后，相互交換“玻璃溫室”成品。學生切換為用戶角色，試用產品并向“生產者”反饋用戶體驗，提出建議。

在整個實踐過程中，教師給予學生充足的創作時間，讓學生在實踐創新的過程中，鍛煉獨立探索能力、合作溝通能力、數字設備的使用能力、資源整合能力，提高數字化學習與創新能力及對人工智能的適應力和勝任力。

拓展遷移，研制火警報警器

學習遷移可以理解為在一種情境中獲得的技能、知識或情感態度對另一種情境中知識、技能的掌握或情感態度的形成產生影響。在人工智能課程的設計中，教師應注意設置拓展環節，拓展的核心內容應與本節課的重難點保持一致，遵循最近發展區理論。這樣既節省了資源和時間成本，又鍛煉了學生舉一反三、觸類旁通的能力，以最高效的方式促進學生盡快達到下一發展階段的水平。

在完成“玻璃溫室”作品后，筆者順勢激勵學生觀察教室內的智能設備，并請學生說說這些智能設備內隱藏的傳感器。學生注意到教室內的火警報警器，討論得出其內部安裝了溫度傳感器，當室內溫度超過預定溫度后立即發出警報聲。教師借機鼓勵學生利用溫濕度傳感器、蜂鳴器等零件研制火警報警器驗證自己的想法。

通過上一階段的學習積累，大部分學生可獨立在計算機上規劃方案、梳理創作步驟、制作流程圖、設計算法、研制產品。在此階段，教師要做的是表揚學生的前期表現，營造發明創造的氛圍，并主動關注學生的差異，發現學生不同的思維角度，讓每個學生都獲得發展。

評價交流，感悟人工智能的魅力

在人工智能教學中，評價交流更是重要的環節。筆者設置了自我評價、小組互評、社區評價三種不同的評價主體，營造開放、寬松的評價氛圍。

自我評價：采用電子評價單方式，圍繞計算機科學原理理解、數字化技術掌握、學習態度、創新精神、行為活動五個要素設置詳細的評價標準。

小組互評：借助問卷星平臺，圍繞系統規劃、模型搭建、程序編寫、產品功能四個方面設置評價標準，要求小組之間客觀公正給予評價。

社區評價：教師在網絡在線平臺上創建學校造物圈，讓完成作品的小組將作品上傳到造物圈并發布到社區中。借助網絡在線平臺，學生可以登錄自己的賬號查看社區所有作品，互相點贊、交流評價作品。同時，教師可以鼓勵學生將自己的作品設置開源，促進學生和社區中其他學校學生之間的相互學習。

多元的評價方式及評價主體，不僅可以強化學生數字化知識與技能的運用，還能促進學生在豐富多彩的作品中感悟人工智能的魅力，從而落實評價目標。

結語

人工智能的學習對當代青少年至關重要。教師應努力在信息科技課程中滲透人工智能相關內容，通過選取恰當的人工智能應用場景，創造條件讓學生體驗人工智能技術，分析案例讓學生理解科學原理，規劃微型智能系統，引導學生使用電子零部件搭建模型，設計算法編寫程序，鼓勵學生展示創作成果等教學策略，讓學生熟練掌握數字化技術，提高學生數字化學習能力，促進學生創新思維的深入發展，從而使學生更好地適應信息化社會。

參考文獻：

中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：4.