如何利用人工智能課程培養小學生的創新思維

黃秀娟

隨著科技的飛速發展，人工智能已經滲透到各個領域，尤其是在教育領域中發揮的作用越來越顯著。在中小學引入人工智能課程，對培養學生的創新思維和問題解決能力具有重要意義。本文以長沙市芙蓉區實驗小學開發的人工智能課程“智慧種植基地——自動灌溉系統工作原理”為例，探討如何利用人工智能課程培養小學生的創新思維。

一、人工智能課程的特點

人工智能課程具有實踐性強、跨學科等特點，能夠為學生提供豐富的創新實踐機會。學生在課程中通過解決實際問題，不僅能夠掌握人工智能的基本知識，還有助于創新思維和問題解決能力的提升。

二、人工智能課程的具體實施

長沙市芙蓉區實驗小學一直致力于人工智能課程的建設與開發，人工智能課程遵循“學生為主體，教師為主導”的原則，鼓勵學生從實際生活中發現問題、提出問題、分析問題、解決問題，并學會拓展遷移，思考如何將所學的知識與技能運用到其他領域或解決其他問題。現以“智慧種植基地——自動灌溉系統工作原理”為例，闡述人工智能課程的具體實施過程。

1.發現問題

近年來，學校堅持立德樹人，推動“五育并舉”理念的實施，在校內開辟了種植基地。在種植基地，學生可以親手觸摸每一片葉子，感受它們的生命力；可以看到植物從發芽、生長、開花到結果的全過程，體驗生命的力量。然而，學校種植基地在寒暑假期間因無人管理導致植物生長受限，每次開學都會呈現出一片荒蕪的景象。為了改變這一現狀，經過思考和研究，我們發現利用自動灌溉系統可以解決植物生長的問題，于是決定在Scratch中編寫程序來模擬實現自動灌溉系統工作的過程。

2.分析問題

以小組合作的形式通過查閱資料、學習自動控制系統理論，確定解決這個問題的基本思路；以自動控制系統理論為基礎，通過土壤濕度傳感器實時監測土壤濕度，并將數據反饋給控制中心；控制中心根據預設的濕度范圍與實時數據進行比較，做出相應的控制決策；最后通過水泵和灌溉管道的執行機構實現對土壤濕度的自動調節。

3.解決問題

（1）確定系統需求

學校種植基地在寒暑假期間需要利用自動灌溉系統來維持植物生長。通過Scratch程序編寫實現自動灌溉系統的演示效果，以滿足這一需求。

（2）了解工作原理

學生通過上網查找資料了解土壤濕度對植物生長的重要性，以及科學家建議的適宜植物生長的濕度范圍（17%～44%）。

學生能夠理解自動灌溉系統的工作原理：土壤濕度傳感器實時監測土壤濕度，控制中心根據實時數據與預設的濕度范圍進行比較，并控制水泵的開關狀態。

（3）創建角色和背景

在Scratch中導入土壤濕度傳感器、控制中心、水泵、水滴、水花等角色以及種植基地場景作為背景，通過圖片幫助學生在頭腦中建立感性形象，并利用角色和背景建立模擬自動灌溉系統的運行過程。

（4）編寫腳本與設置邏輯條件

學生為每個角色編寫腳本，實現它們的基本功能，如傳感器檢測濕度、控制中心做出決策、水泵執行開關動作等。

在編寫腳本的過程中，學生需要設置適當的邏輯條件來控制角色的行為，確保系統能夠按照預期工作。例如，當土壤濕度低于17%時，控制中心應發送開啟水泵的指令；當土壤濕度高于44%時，控制中心應發送關閉水泵的指令；當土壤濕度在預設范圍內時，保持當前水泵狀態。

（5）測試和調試

完成腳本編寫后，學生對系統進行測試和調試，檢查各部分功能是否能正常使用、邏輯是否正確以及交互是否順暢。

在測試和調試過程中，學生可能會發現一些問題或不足之處，并進行相應的調整和優化，以提高系統的穩定性、可靠性。

（6）總結與反思

經過上述步驟的實踐和操作，學生對自動灌溉系統的工作原理和Scratch編程會有更深入的理解。此時，學生可以總結在開發過程中遇到的問題和解決方法，以及從中學到的知識和技能。此外，學生還可以思考如何將所學的知識和技能應用于其他場景或項目中，以及如何進一步改進和完善自動灌溉系統以滿足更多需求，等等。

4.拓展延伸

問題解決后，教師進一步啟發學生思考：自動灌溉系統在生活中還有哪些應用？生活中還有哪些自動控制系統，這些自動控制系統都采用了什么傳感器進行自動控制？

三、人工智能課程的階段成效

通過“智慧種植基地——自動灌溉系統工作原理”課程的實施，我們深入觀察并分析了學生在思維方式方面的變化，發現他們的創新思維得到了發展。

1.學生創新思維在編程訓練中得到提升

在人工智能課程教學中，學生通常需要學習編程基礎知識，掌握各種算法和數據結構。在此課程實施的過程中，學生帶著思考分析自動灌溉系統的整個工作過程，通過列表的方式發現這個過程是循環往復的，于是確定程序編寫時需要用到循環結構。這種訓練使學生更加擅長邏輯推理、問題分解和抽象思考，有助于他們培養嚴謹、有條理的創新思維。

2.學生創新思維在跨學科知識應用中得到促進

人工智能是一門跨學科的課程，涉及數學、計算機科學、生物學、心理學等多個領域。在此課程實施的過程中，學生在設計自動灌溉系統模擬演示程序時，不僅要分析問題、構建模型、編寫程序，還要設計界面和角色，選擇最優方案滿足用戶體驗感。同時，學生要綜合運用信息科技、數學、美術等學科的知識來解決問題，實現種植基地的自動灌溉。這種跨學科的思維方式使學生更加擅長整合不同領域的知識，有助于他們提出更具創新性的解決方案。

3.學生創新思維在團隊協作中得到強化

在搭建自動灌溉系統的過程中，學生需要通過相互協作來完成任務，并考慮如何與他人有效溝通、如何分工合作、如何解決問題。這種團隊合作的經驗不僅有助于培養學生的團隊協作與溝通能力，也有助于培養學生的創新思維。

綜上所述，利用人工智能課程培養小學生的創新思維具有重要意義。通過人工智能課程的具體實施，我們發現其對培養學生的邏輯思維、跨學科思維、團隊合作意識等有一定的幫助。未來，學校將不斷優化人工智能課程體系，進一步提高學生的創新思維和問題解決能力，為培養創新人才打下堅實基礎。

【本文系2022年度湖南省教育信息技術重點研究課題“人工智能條件下教育社會實驗實施策略研究”的研究成果（課題編號：HNETR22001）】