大數據背景下基于項目化學習的小學人工智能教學實踐思考
——以“智能植物養護機器人”項目為例

王瑤 湖北省武漢經濟技術開發區三角湖小學

王仕紅 湖北省襄陽市南漳縣九集鎮完全小學

●項目研究背景

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）提出“通過課程學習，圍繞學習任務，利用數字設備與團隊成員合作解決學習問題，協同完成學習任務，在數字化學習環境中發揮自主學習能力，主動探索新知識與新技能，采用新穎的視角思考和分析問題，設計和創作具有個性化的作品”。[1]新課標的頒布推動了我國中小學人工智能教育的開展與實施，但是當下小學階段的人工智能教育面臨以下問題：①教材內容與當地教學環境不符，教學內容的環境搭建、器材復盤難以落實；②教學知識側重于人工智能理論與模型講授，學生較難理解；③只注重簡單的動手實踐活動，未能將其真正應用到生活中解決實際問題，學生興趣缺失。針對以上問題，筆者結合小學生的認知規律、學習興趣和學習需求，依托大數據平臺，采用項目化學習的方式開展人工智能教學，旨在培養學生自主探究、項目組合作、綜合實踐和運用多學科知識分析解決問題的能力，促進學生核心素養的發展。

●項目劃分及課時安排（如下頁表）

項目劃分內容學科課時安排項目一深研學情，提出問題信息科技,科學課后服務1 課時，一次60 分鐘項目二組建團隊，制訂方案信息科技課后服務1 課時，一次60 分鐘項目三創建產品，編程實現信息科技課后服務1 課時，一次60 分鐘項目四測試改進，美化裝飾信息科技,美術課后服務1 課時，一次60 分鐘項目五產品推介，評價總結信息科技課后服務1 課時，一次60 分鐘

●項目實施過程

項目一：深研學情，提出問題

“智能植物養護機器人”項目是中央電化教育館人工智能小學版教材下冊第三章“小小創想家”第二節《小小種植園》的改編內容，屬于人工智能綜合實踐類課程，教學對象為五年級學生，筆者學校是人工智能課程規模化應用試點校，學生人人配備平板，利用平板自主學習已成為日常習慣。學生接觸過人工智能未來派設備，對傳感器功能有一定的了解，能夠操作平板進行簡單的編程，但是對項目式學習比較陌生，綜合利用所學知識解決問題的機會較少，他們思維活躍，勇于探索，正處在從形象思維到抽象思維的過渡時期。

筆者結合學校空中種植園的實際情況進行了項目設計，并組織學生對空中種植園管理中存在的問題進行了調查。具體安排如下：課前讓學生到“水精靈種植園”實地調研，搜集空中花園管理中存在的問題，觀察并收集各項數據，對問題進行分析，思考解決問題的辦法，并在線填寫問卷。

筆者在對問卷數據進行整理時發現：學生提到的管理問題高頻詞有植物干枯、爛根、踩踏等；約有70.91%的學生表示對智能化管理興趣最大，并提出如自動澆水、機器人管理、安裝攝像頭等建議。因此，筆者將項目主題確定為“智能植物養護機器人”。

項目二：組建團隊，制訂方案

（1）確定意向，組建團隊

教師帶領學生回顧項目一中的學習活動及問卷調查反饋，展示問卷大數據分析結果，得出學生最想制作的智能植物養護機器人種類。學生根據制作意向進行小組劃分，相同意向的歸為一個項目組，組成學習共同體。最終確定的四個項目組分別取名為YYDS隊、地表最強隊、番茄保衛隊、打敗番茄保衛隊。

（2）學習職責，崗位競聘

①崗位競聘，人人有崗。學生按照分好的項目組完成崗位競聘，明確競聘要求：仔細閱讀崗位職責表；組內競聘并說明崗位勝任的理由（若有分歧，組內投票解決）；小組上臺分享競聘過程中遇到的困難以及解決辦法。其他學生聽后分享感想或建議。

②崗前培訓，自主研學。教師將項目經理、項目工程師、項目設計師、項目監理四個不同的崗位職責要求上傳到教學平臺的七彩作業中，學生利用平板掃描各個崗位對應學習資料的二維碼進行學習。共同學習任務包括人工智能未來派資料、各個設備的功能，為后期項目中的產品設計和實現奠定基礎。

（3）頭腦風暴，設計方案

學生小組交流討論機器人的設計理念、外形、功能等，確定并完成機器人的設計方案，填寫學習任務單。學生以小組為單位將學習任務單拍照上傳至教學平臺的七彩任務中，全體學生在云端瀏覽他組作品，并從信息與意識、思維與決策、合作與表達、藝術與創新四個維度進行項目學習評價。

（4）展示匯報，品評互動

教師利用教學平臺整理學生點贊排行榜，邀請點贊數最多的小組分享項目設計方案和合作學習過程中遇到的困難及解決辦法，并強調按照不同的崗位職責進行匯報。項目經理：從作品靈感、擔任崗位原因、遇到的問題等方面進行匯報；項目設計師：從任職理由、作品設計圖等方面進行匯報；項目工程師：從作品使用硬件、功能、任職理由等方面進行匯報；項目監理：依據項目評價單根據組員個人表現情況進行匯報。其他學生聽取匯報，指出優點，并提出有針對性的建議。教師整理問題和建議，列出共性問題，學生針對問題提出解決辦法。

（5）方案迭代，收獲小結

在解決共性問題后，學生通過小組合作、修改設計方案、完成課中不同崗位的學習任務單等方式完善方案，并通過再次拍照上傳、點贊評論的方式分享作品。教師對本項目活動進行小結，并下發項目三的學習資料，如算法及算法結構的微課、機器人拼搭模型參考圖，供學生課后學習。

項目三：創建產品，編程實現

（1）算法設計，梳理思路

教師帶領學生回顧項目學習活動，展示項目小組修改后的設計方案，提出本課任務——搭建機器人并編程實現對應的功能。由于前期大部分學生已經在線學習過什么是算法及算法的結構，因此，這里主要是由教師開展不同形式的檢測活動。

①教師公布連線互動題，隨機請學生上臺連線，抽查學生對“順序結構、分支結構、循環結構”三種結構流程圖的認識。

②教師利用在線判斷檢測功能掌握全班學生對工作流程所屬算法結構的判斷，根據檢測結果有針對性地進行重點講解。

③學生根據項目組的設計方案，結合用算法描述流程圖的方法，繪制本組的植物看護機器人流程圖。

④教師將每個項目小組的算法流程圖拍照上傳到講評板塊，學生積極點評、提出修改建議，并上臺用不同顏色的筆畫出修改后的流程圖（教師及時糾正和引導）。項目組合作修改組內的算法流程圖。

（2）產品搭建，編程實現

①項目組根據教師提供的拼搭手冊與本項目小組的設計方案，合作拼搭機器人。

②項目組根據本組的算法設計流程圖，使用軟件進行編程。

（3）展示匯報，評價小結

①項目組代表上臺展示機器人外觀、程序運行界面，分享編程和拼搭過程中遇到的問題及解決辦法，匯報本小組設計方案中沒有實現的功能，尋求其他小組和教師的幫助。

②其他學生和教師聽取匯報，指出優點，提出有針對性的建議。

③教師總結本課的學習內容和智能植物養護機器人項目的完成進度，布置課后學習任務——思考美化裝飾機器人的方式、準備對應材料。

項目四：測試改進，美化裝飾

（1）項目回顧，明確任務

教師帶領學生回顧項目學習活動，提出本課任務——測試改進智能植物養護機器人，并進行美化裝飾。

（2）測試產品，發現問題

教師為每個項目組準備一盆植物，運行智能植物養護機器人，測試能否實現本小組的設計功能，學生記錄機器人運行中出現的問題，小組討論、分析問題產生的原因，并將遇到的問題分為已解決和未解決兩類。對于已解決的問題，將其發表在討論區供其他項目組學習參考；對于未解決的問題，其他項目組在討論區回復解決問題的經驗或者形成共性問題。

（3）頭腦風暴，解決問題

①學生進行頭腦風暴，討論解決辦法，教師針對共性問題集中講解，如機器人智能識別植物、植物喜陰喜陽的土壤濕度值設定等問題。

②項目小組改進機器人的結構和程序，并反復測試直至達到預期效果。

（4）美化裝飾，評價小結

①項目組根據設計方案與本小組準備的材料（彩色卡紙、扭扭棒、超輕黏土等）裝飾機器人。

②項目組討論微項目五產品推薦會的匯報形式并分工。

③項目組依據項目評價標準提供的信息與意識、思維與決策、合作與表達、藝術與創新四個維度進行自評。

④教師總結本課的學習內容和智能植物養護機器人項目的完成進度，布置課后學習任務——準備產品推薦會的匯報材料。

項目五：產品推介，評價總結

（1）項目回顧，明確主題

教師帶領學生回顧項目學習活動，明確本課任務——產品推薦會。產品推薦后，將依據項目評價標準對每個項目小組的作品進行評價，選出最優產品投產到空中種植園使用，每位學生都是本次產品推薦會的評審員。

（2）產品推薦，品評互動

①學生對自己的項目學習活動進行自評，出示項目活動自評雷達圖結果。

②項目組依次上臺推薦自己小組的產品，分享小組在某個維度做得好的經驗及作品優點，并操作演示。

③其他學生在評價量化表上進行記載，在項目小組分享后其他學生針對產品的亮點或疑惑進行提問。

④經過產品推介，學生對各組產品有了初步的了解。學生選擇自己最感興趣的小組進行體驗、操作，對項目小組一對一提問解惑。

（3）組間評價，經驗分享

①依標推薦，組間評價。學生以項目組為單位推薦自己最喜歡的作品，并在教學平臺上從信息與意識、思維與決策、合作與表達、藝術與創新四個維度進行線上組間評價（教師整理線上問卷結果）。

②揭曉成績，數據分析。教師出示大數據評價結果，橫向對比信息與意識、思維與決策、合作與表達、藝術與創新四個維度表現最優的項目組及各個項目組在四個維度的縱向的表現柱形圖。

③項目頒獎，發表感言。教師公布項目學習綜合實力最強的小組，并出示其他組成員的評價高頻詞。冠軍團隊分享獲獎感言。

（4）項目評價，拓展提升

①教師播放《智慧農業管理》視頻，學生分享感受。

②教師強調核心技術自主可控的重要性。

③教師引導學生思考在整個項目學習活動中自己的收獲和困惑。學生在線上討論區發表收獲和困惑。

●項目實踐亮點

1.堅持目標導向，激發學生責任擔當

本項目活動以二十大精神為指導，全力落實有理想、有本領、有擔當新時代人才培養要求，將校園“空中種植園”的管理與中國現代化的智慧農業有機關聯。由于城市里的學校校園空間、土地資源有限，大部分學生都沒有種植經驗。本項目以學校“空中種植園”的植物管理為研究對象開展實地調研，使用問卷調查分析得出忘記澆水導致干枯、澆水過多導致歐根、學生亂入采摘蔬菜等管理中存在的問題，進而聚焦智能化管理任務，如使用機器人智能澆水、人臉識別身份等。結合學生的認知水平和特點，確立了項目主題——設計智能植物養護機器人，并從校園植物園管理拓展到中國農業（農場）的智能管理，培養學生對中國現代農業的責任擔當。

2.堅持問題導向，聚焦學生核心素養

本項目活動注重對實際問題的有效回應，精選對學生終身發展有價值的課程內容，著力改變課堂模式，聚焦學生核心素養的發展。學校的“空中種植園”是學生身邊的事物，項目活動立足于學生生活，引導學生主動觀察、分析與解決問題，提升學生的信息意識；在學生上網搜索、詢問教師、制作不同形式的匯報作品過程中，讓學生學會解決問題，提升其數字化學習與創新能力；在算法設計、編程搭建中，提升學生的算法思維；在設置澆水時長和澆水量的過程中，滲透節能環保、可持續發展的重要性，培養學生的信息社會責任感。

3.堅持創新導向，實踐跨學科項目學習

本項目活動滲透STEAM教育理念，嘗試跨學科項目式學習。學生在五個微項目活動中完成了實地調研、方案設計、算法設計、巧手拼搭和編程實踐、產品推介的完整過程，將科學、技術、工程、藝術、數學、人文表達等多學科知識內化為綜合能力，讓學生的思維廣度得以拓寬，讓STEAM學習理念得以落實。

●結語

數字化是引領未來的新浪潮，以學生為主體的大數據背景下的項目化學習，充分體現了新課標強調的“要強化學科內知識的整合，統籌設計綜合課程和跨學科主題學習”理念，探索了數字化轉型背景下信息科技課程的新樣態，做到了教學資源數字化、教學模式創新化、教學評價數據化。但本項目依然存在一些問題，如設備數量不足、前期準備工作較多等，這些問題使得本項目并未得到大面積推廣。筆者后期將讓更多的組內教師參與進來，繼續深入探究，以便提高教學效率，促進學生的全面發展。