小學(xué)人工智能跨學(xué)科教學(xué)實踐與探索
——以“智能循線小車”為例

唐燕南

(合肥市師范附屬第四小學(xué) 安徽合肥 230000)

隨著智能家居、智能校園、智能城市等應(yīng)用在人們生活中的深入應(yīng)用,人工智能相關(guān)產(chǎn)業(yè)越來越被重視。在2017年新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃中,國務(wù)院提出要在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程。2022年頒布的《義務(wù)教育信息科技課程標準》,將人工智能作為課程內(nèi)容中很重要的一塊,并且規(guī)定實際教學(xué)中跨學(xué)科實踐活動不少于本學(xué)科總課時的百分之十。當然,人工智能跨學(xué)科、多領(lǐng)域的特征決定了人工智能教育必須依靠跨學(xué)科的交叉融合。學(xué)科融合不但能夠促進中小學(xué)人工智能教育快速發(fā)展,而且作為一種新型教學(xué)方式,在培養(yǎng)智能時代所需高素質(zhì)人才方面也發(fā)揮著重要作用。

一、人工智能跨學(xué)科教學(xué)理論基礎(chǔ)

當前,小學(xué)階段開展人工智能教學(xué)的主要途徑是,將人工智能教學(xué)與現(xiàn)有教材中可視化編程等相關(guān)內(nèi)容結(jié)合起來,教學(xué)中注重學(xué)生對人工智能的體驗。人工智能跨學(xué)科教學(xué)整合需要選擇合適的教育理論作為理論基礎(chǔ),且需要經(jīng)過一個逐步學(xué)習(xí)與認知加深的過程。

(一)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論最早由著名兒童心理學(xué)家皮亞杰提出,又稱結(jié)構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論,該理論主張知識是由個體主動建構(gòu)的結(jié)果,學(xué)生的學(xué)習(xí)是一種基于行動的、不確定的情境探索過程。從而獲取新的體驗。學(xué)生在構(gòu)建知識經(jīng)驗的過程中,需要利用已有知識經(jīng)驗對不確定的問題進行實踐探究。因彼此間認知的多元化和心理的差異性會產(chǎn)生很多不同想法,通過探究過程中對新想法的交流,學(xué)生會獲得創(chuàng)新性啟發(fā)。

活動作為知識建構(gòu)的中介,是知識經(jīng)驗與意義建構(gòu)間的橋梁。“智能循線小車”以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo),教師以“校園文化藝術(shù)節(jié)科技周”為活動背景,引導(dǎo)學(xué)生在具體情境中開展探究活動,運用原有知識結(jié)構(gòu)中信息科技、數(shù)學(xué)、科學(xué)等學(xué)科知識背景,開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)探究,建立學(xué)習(xí)與生活間的有機聯(lián)系。

(二)“做中學(xué)”理論

“做中學(xué)”理論,即知識與經(jīng)驗聯(lián)系起來,幫助學(xué)生實現(xiàn)新課標所倡導(dǎo)的“建立學(xué)習(xí)和生活的有機聯(lián)系”。通過參加有趣且富有教育意義的活動,學(xué)生能夠獲得更好的成長。該理論認為學(xué)生在活動中的親身經(jīng)歷,有利于學(xué)生加深對知識的理解。同時“做中學(xué)”理論要求教師為學(xué)生創(chuàng)造良好環(huán)境,充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動探究,不斷獲取和積累新的經(jīng)驗,提升解決問題的能力,增強學(xué)習(xí)自信心。為了讓學(xué)生獲得更多的主動權(quán),教師需要放手教學(xué),將課堂盡可能交給學(xué)生,通過科學(xué)合理的引導(dǎo),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

教師結(jié)合具體問題情境,對“智能循線小車”進行教學(xué)設(shè)計。教學(xué)過程中注重引導(dǎo)學(xué)生通過“做中學(xué)”探究問題,并借助在線學(xué)習(xí)平臺開展模擬仿真實驗,驗證猜想,最終得出相關(guān)結(jié)論。通過小組合作探究,學(xué)生積累知識經(jīng)驗,思考及動手實踐的能力都得到很好提升。

(三)學(xué)習(xí)遷移理論

有學(xué)者認為,學(xué)習(xí)遷移主要是指學(xué)生的一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)的影響,或者說學(xué)生在一種活動中習(xí)得的經(jīng)驗對其他學(xué)習(xí)活動產(chǎn)生的作用,且產(chǎn)生遷移的重要條件是兩種學(xué)習(xí)或經(jīng)驗間要具有共同要素成分。

“智能循線小車”一課的學(xué)習(xí)遷移,普遍存在于學(xué)生運用跨學(xué)科知識解決實際問題的學(xué)習(xí)實踐中。例如,“學(xué)生借助原有信息科技、數(shù)學(xué)、科學(xué)等學(xué)科知識,幫助自己思考智能小車循線算法”“知識結(jié)構(gòu)中Scratch可視化編程技能,對掌握本課的圖形化編程具有促進作用”“科學(xué)課上學(xué)習(xí)的光的三原色原理,對學(xué)生在拓展環(huán)節(jié)設(shè)置車燈顏色也有啟發(fā)”。這些都屬于典型的學(xué)習(xí)遷移現(xiàn)象。教師鼓勵學(xué)生在不同知識之間進行遷移,有助于學(xué)生知識的深度掌握,幫助學(xué)生擴充知識寶庫的同時,也提升了他們運用跨學(xué)科知識解決實際問題的能力。

二、人工智能跨學(xué)科教學(xué)實施策略

學(xué)生習(xí)得的知識和技能是相互關(guān)聯(lián)、密不可分的,任何一種能力的形成都需要多門學(xué)科知識的支撐,單靠一門學(xué)科是不夠的,跨學(xué)科教學(xué)可以幫助學(xué)生形成綜合能力。以往信息科技與其他學(xué)科融合,通常只發(fā)揮教學(xué)演示、信息交流加工的作用,教學(xué)側(cè)重于知識和技能的掌握。本研究以“智能循線小車”為例,探索小學(xué)人工智能跨學(xué)科教學(xué)實施策略。

(一)基于真實情境,確定合適主題

新課程標準倡導(dǎo),課程要面向?qū)W生生活,建立學(xué)生學(xué)習(xí)與生活之間的有機聯(lián)系。“智能循線小車”注重教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生現(xiàn)實生活的有機結(jié)合,以“校園文化藝術(shù)節(jié)科技周”為活動背景,以“智能交通”為項目主題。將信息科技作為主體學(xué)科,將其他學(xué)科作為資源供給及智力支持。創(chuàng)設(shè)真實的學(xué)習(xí)情境吸引學(xué)生的興趣,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的熱情。

(二)采取小組合作,組織項目學(xué)習(xí)

小組合作學(xué)習(xí)形式有利于學(xué)生進行合作與交流,培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力。“智能循線小車”教學(xué)分享與交流環(huán)節(jié),教師請學(xué)生以小組為單位上臺展示作品,分享學(xué)習(xí)成果,并在組內(nèi)開展自評、互評。學(xué)生通過在小組內(nèi)開展交流活動,分享不同的想法,獲得創(chuàng)新性啟發(fā),思維得到拓展,動手實操能力及團隊協(xié)作能力也得到很好提升。

(三)結(jié)合多種要素,設(shè)計項目任務(wù)

教師結(jié)合多種要素進行跨學(xué)科項目任務(wù)設(shè)計,促進學(xué)生不同知識、技能間的學(xué)習(xí)遷移。“智能循線小車”以“智能交通”為活動主題,充分利用學(xué)生經(jīng)驗結(jié)構(gòu)中的一種活動經(jīng)驗對另一種學(xué)習(xí)活動產(chǎn)生促進作用,使學(xué)生具備全方位的信息科技素養(yǎng),幫助學(xué)生建立知識間的有機聯(lián)系。

(四)營造開放氛圍,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教師為學(xué)生營造更加開放的項目學(xué)習(xí)氛圍,構(gòu)建良好寬松的溝通環(huán)境,促進學(xué)生作為學(xué)習(xí)主人的主體意識發(fā)展,注重引導(dǎo)學(xué)生在做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)。學(xué)生在教師搭建的交流展示平臺上,根據(jù)實際需要選用合適的軟硬件作為學(xué)習(xí)支撐,進行創(chuàng)造性自主學(xué)習(xí)。通過在真實情境中交流分享、動手實踐和協(xié)作探究,深刻體驗智能車的智能感知和智能交互。

(五)完善評價環(huán)節(jié),鞏固學(xué)習(xí)效果

好的跨學(xué)科教學(xué)離不開有效的評價反饋機制,在開展教學(xué)評價時,教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程,以學(xué)生課堂表現(xiàn)為基礎(chǔ),重視評價對學(xué)生行為和動機的引導(dǎo)作用。為促進跨學(xué)科主題教學(xué)目標的達成,教師需要從促進學(xué)生跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的角度出發(fā),構(gòu)建一套科學(xué)、合理、有效的跨學(xué)科教學(xué)評價機制。在評價工具設(shè)計環(huán)節(jié),首先界定評價內(nèi)容,明確評什么;其次注意評價方式的多樣化,確定怎么評。在評價活動的實際開展中,教師可采用網(wǎng)絡(luò)問卷、座談等多種途徑采集數(shù)據(jù)并進行分析,以調(diào)整接下來的教學(xué)側(cè)重點。

三、人工智能跨學(xué)科教學(xué)實踐

在小學(xué)開展人工智能教學(xué)是時代發(fā)展需要。本學(xué)期,我校依托商湯人工智能數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺,針對不同年齡段學(xué)生設(shè)計了三種不同難易程度的人工智能課程,分別是人工智能啟蒙課、普及課和培優(yōu)課。筆者通過研讀新課標中有關(guān)人工智能及跨學(xué)科教學(xué)相關(guān)要求,梳理我校人工智能社團課中跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容,最終決定以與學(xué)生生活密切相關(guān)的“智能交通”為主題,選中“智能循線小車”作為本研究教學(xué)實踐案例。

(一)情境導(dǎo)入

教師通過創(chuàng)設(shè)真實學(xué)習(xí)情境“校園文化藝術(shù)節(jié)”,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為向全校師生展示“智能交通”魅力,教師鼓勵學(xué)生運用已掌握的Scratch編程技能,借助商湯人工智能數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺,通過編程控制智能小車沿著橢圓賽道自動行駛。

(二)活動探究

1.登錄平臺,編寫程序

學(xué)生根據(jù)循線原理及智能小車沿著橢圓賽道自動循線的算法分析,在商湯人工智能數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺上編寫程序,連接小車觀察循線程序運行效果。當觀察到智能小車循線失敗后,教師引導(dǎo)學(xué)生分析和思考循線失敗的原因,進而提出實驗猜想:影響智能車循線的因素可能是移動時間、移動速度及轉(zhuǎn)彎角度。在實驗探究環(huán)節(jié),教師根據(jù)實驗猜想設(shè)計三個實驗任務(wù),并引導(dǎo)學(xué)生利用循線原理,采用物理上常用的變量控制法開展實驗探究。

2.修改參數(shù),實驗探究

學(xué)生通過修改參數(shù),驗證實驗猜想,得出以下結(jié)論:移動時間、移動速度及轉(zhuǎn)彎角度均會對智能車循線效果造成影響。在實驗總結(jié)環(huán)節(jié),教師通過引導(dǎo)學(xué)生思考:除以上三個影響因素外,實際生活中是否還存在其他影響因素,引發(fā)學(xué)生想到地面平整度、小車輪胎磨損度等,也會影響智能車的循線。

學(xué)生在驗證有關(guān)影響智能車循線因素的實驗中,基于真實問題情境,全身心投入,不僅在實驗過程中了解了無人駕駛車的運行原理、過程與控制系統(tǒng)的特征及實現(xiàn)方式,也進一步理解了計算機解決問題的過程,鍛煉了高階思維,持續(xù)提升了數(shù)字素養(yǎng)及嚴謹負責(zé)的信息科技價值觀。

(三)拓展分享

為拓展智能小車循線功能,增加智能小車在藝術(shù)節(jié)上展示的觀賞性,教師設(shè)計了絢麗燈光秀環(huán)節(jié),引導(dǎo)學(xué)生利用科學(xué)課上學(xué)習(xí)的光的三原色原理,以及“設(shè)置車燈顏色”指令,讓小車實現(xiàn)循線過程中車燈顏色與顏色傳感器檢測到的顏色保持一致。培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的同時,也提升了學(xué)生運用跨學(xué)科知識解決實際問題的能力。

(四)總結(jié)評價

學(xué)生根據(jù)本課表現(xiàn),在組內(nèi)開展自評、互評。教師根據(jù)學(xué)生的回答,做出合理點評,真正實現(xiàn)教學(xué)評一體化。

(五)實踐應(yīng)用

課程要面向?qū)W生的生活,教師通過播放與學(xué)生生活密切相關(guān)的三個視頻:《無人駕駛車》《智能送餐車》《無人清掃車》,向?qū)W生展示循線原理在生活中的應(yīng)用場景,讓學(xué)生深刻感受循線技術(shù)在生活中的廣泛應(yīng)用,以及人工智能技術(shù)給人們生活帶來便捷,引發(fā)學(xué)生對未來智慧社會的期待。激發(fā)學(xué)生對人工智能的興趣,幫助學(xué)生建立學(xué)習(xí)與生活的有機聯(lián)系,為以后人工智能其他相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

四、人工智能跨學(xué)科教學(xué)反思

跨學(xué)科教學(xué)最終目的不僅僅是教學(xué)形式上的改變,知識維度的淺層課程整合會導(dǎo)致學(xué)科間的僵硬結(jié)合。只有從各學(xué)科底層邏輯出發(fā)深入分析,找尋可以融合交互的交叉點,進行深層次整合,才能達到圓融而完滿的整合效果。

“智能循線小車”基于“校園文化藝術(shù)節(jié)科技周活動”的真實情境,以“智能交通”為項目活動主題,將知識建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入教學(xué)。引導(dǎo)學(xué)生借助在線學(xué)習(xí)平臺資源,嘗試模擬仿真實驗,利用跨學(xué)科知識解決智能車循線問題。

(一)基于真實情境設(shè)計

新課標倡導(dǎo)教師要幫助學(xué)生建立學(xué)習(xí)與生活間的有機聯(lián)系。以往通過對系列化人工智能課堂教學(xué)實踐進行分析,筆者發(fā)現(xiàn)雖然日常生活中充滿眾多人工智能工具,但很少有小學(xué)生能夠理解并主動去探索人工智能方面的知識。興趣和內(nèi)在動機是培養(yǎng)創(chuàng)造力和持久力的關(guān)鍵,所以,在人工智能跨學(xué)科課程的導(dǎo)入方面,教師應(yīng)立足于學(xué)生的好奇心和興趣點,創(chuàng)設(shè)真實的項目情境,幫助他們建立學(xué)習(xí)與生活的有機聯(lián)系,發(fā)揮他們自主學(xué)習(xí)的積極性。再引導(dǎo)他們借助在線學(xué)習(xí)平臺等學(xué)習(xí)資源,開展模擬仿真實驗,大致了解人工智能的基本原理,實現(xiàn)人工智能相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容的意義構(gòu)建。

(二)關(guān)注教師角色轉(zhuǎn)變

5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、元宇宙等新技術(shù)的快速更新發(fā)展,不但對人工智能授課教師提出了新要求,而且也為課堂改革與創(chuàng)新及教師角色轉(zhuǎn)變提供了新思路。在開展人工智能跨學(xué)科教學(xué)中,為促進學(xué)生全面發(fā)展,教師應(yīng)以學(xué)生為主體,以項目為主線,承認學(xué)生作為探究者和發(fā)現(xiàn)者的主體地位,充當學(xué)生開展創(chuàng)新活動的顧問和催化劑,充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)活動的連接者和協(xié)作者作用。為緊跟教育部“教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動”計劃,適應(yīng)數(shù)字化時代對中小學(xué)人工智能師資的需求,中小學(xué)教師應(yīng)主動作為,積極參與各類人工智能師資培訓(xùn)活動,綜合提升自身人工智能教學(xué)水平。

(三)注重培養(yǎng)學(xué)生人工智能倫理規(guī)范

在2021年9月發(fā)布的《新一代人工智能倫理規(guī)范》中,國家新一代人工智能專業(yè)治理委員會規(guī)定,為促進公平、公正、和諧、安全,增強全社會的人工智能倫理意識與行為自覺,負責(zé)地研發(fā)與應(yīng)用人工智能,避免偏見、歧視、隱私及信息泄露等問題,需將倫理道德融入人工智能全生命周期。因此,中小學(xué)教師在開展人工智能教學(xué)時,應(yīng)注重對學(xué)生進行人工智能倫理規(guī)范方面的培養(yǎng)。教師可以在實際教學(xué)中抓住契機,設(shè)計人工智能倫理方面的主題討論。在學(xué)生進行真實討論和觀點碰撞的過程,教師進行合理引導(dǎo),幫助學(xué)生形成良好的人工智能倫理素養(yǎng)及信息科技價值觀。