中小學(xué)人工智能教學(xué)實(shí)踐研究

中小學(xué)人工智能教學(xué)實(shí)踐研究摘要：人工智能作為義務(wù)教育階段《信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》的重要組成部分越來越受到人們的關(guān)注?！绊?xiàng)目化學(xué)習(xí)”是開展人工智能教育的有效途徑。本文以“制作智能護(hù)眼神器”一課為例，詳細(xì)分析了教師如何基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)理念進(jìn)行真實(shí)項(xiàng)目情境的創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生明確問題、設(shè)計(jì)算法、完成創(chuàng)意和評價(jià)總結(jié)的整個(gè)過程。關(guān)鍵字：項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；人工智能；教學(xué)實(shí)踐案例背景2017年7月8日，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的通知，通知中明確指出：實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。自此以來，中小學(xué)人工智能教育成為了國內(nèi)眾多學(xué)者和一線信息科技教師關(guān)注的焦點(diǎn)。2022年4月21日，義務(wù)教育階段《信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》頒布，人工智能作為第四學(xué)段的三大主題內(nèi)容之一，其重要教育地位更加凸顯。如何開展有效的人工智能教學(xué)，達(dá)成新課標(biāo)要求的核心素養(yǎng)目標(biāo)，是擺在一線教師面前的重要課題。項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是一套系統(tǒng)的教學(xué)方法，它是對復(fù)雜、真實(shí)問題的探究過程，也是精心設(shè)計(jì)項(xiàng)目作品、規(guī)劃和實(shí)施項(xiàng)目任務(wù)的過程，在這個(gè)過程中，學(xué)生能夠掌握所需的知識和技能[1]。學(xué)生者通過參與一系列復(fù)雜度螺旋上升的任務(wù)來解決真實(shí)世界中的問題，從而實(shí)現(xiàn)信息素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。本案例依據(jù)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)理念，以“制作智能護(hù)眼神器”一課為例，通過情境創(chuàng)設(shè)——明確問題——設(shè)計(jì)算法——完成創(chuàng)意——總結(jié)評價(jià)五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施，詳細(xì)闡述了初中人工智能教育教學(xué)的步驟和方法，以期為廣大信息科技教育工作者提供一些有益借鑒和參考。案例描述課例簡介：本課使用圖形化編程平臺與“arduino”開源硬件結(jié)合的形式進(jìn)行教學(xué)，選取制作預(yù)防近視的“護(hù)眼神器”這一主題進(jìn)行項(xiàng)目探究，學(xué)生之前學(xué)過超聲波傳感器與人體紅外傳感器的工作原理和使用方法，通過小組合作動(dòng)手搭建硬件并編程，實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，創(chuàng)新解決項(xiàng)目問題。結(jié)合生活，創(chuàng)設(shè)情境此環(huán)節(jié)是本課的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，首先給學(xué)生播放一段貼近生活的視頻——《孩子，你的視力還好嗎？》，視頻中通過詳細(xì)的數(shù)據(jù)和眼科專家的介紹展示了當(dāng)前中學(xué)生視力普遍下降的事實(shí)。然后，通過提問“這個(gè)視頻主要想表達(dá)什么意思呢？”讓學(xué)生關(guān)注視頻中的核心問題——中學(xué)生的近視問題。繼續(xù)追問“這個(gè)近視問題嚴(yán)不嚴(yán)重?。俊比绱思ぐl(fā)學(xué)生繼續(xù)反思視頻內(nèi)容——近視問題很嚴(yán)重。緊接著，讓學(xué)生統(tǒng)計(jì)一下本班戴眼鏡學(xué)生的數(shù)量，計(jì)算出近視率，使得學(xué)生感受到“近視問題”就在自己身邊發(fā)生著。通過情境導(dǎo)入，學(xué)生真真切切地感受到“中學(xué)生近視問題的普遍性和嚴(yán)重性”，為后面的項(xiàng)目引入和問題解決做好了鋪墊。頭腦風(fēng)暴，明確問題學(xué)生融入真實(shí)情境后，下一個(gè)環(huán)節(jié)就是要讓學(xué)生深入探究問題的成因——中學(xué)生如此普遍的近視是如何產(chǎn)生的呢？在教師的主導(dǎo)下，讓學(xué)生就此開始“頭腦風(fēng)暴”式的分組談?wù)摚懻撨^后，讓學(xué)生以組為單位進(jìn)行匯報(bào)，最終得到的主要結(jié)論是：原因之一是中學(xué)生看書學(xué)習(xí)時(shí)間過長，眼睛得不到充分的休息而導(dǎo)致近視；原因之二是有些中學(xué)生看書寫字的姿勢不正確，眼睛距離書本太近而導(dǎo)致的近視；原因之三是長期使用電子產(chǎn)品使得眼睛疲勞而致。然后，要求學(xué)生將導(dǎo)致近視的這些成因以思維導(dǎo)圖的方式繪制到紙上，這作為我們整個(gè)探究項(xiàng)目的第一個(gè)成果。抽象問題，設(shè)計(jì)算法近視成因找到了，接著教師便順勢引導(dǎo)學(xué)生開展更加深入的探究“如果我們能夠解決這些問題，那是不是就可以減少甚至避免近視？那我們有解決的好方法嗎？”問題一出，學(xué)生第一反應(yīng)是“只能自己注意嘍，能有什么好方法？”老師此刻提醒學(xué)生“需要你認(rèn)真想一想，比如設(shè)計(jì)一個(gè)小發(fā)明、小創(chuàng)意可不可以呢？”此時(shí)，學(xué)生的創(chuàng)新思維就會(huì)慢慢被點(diǎn)燃，他們會(huì)想出許多奇思妙想。有學(xué)生說可以制作一個(gè)特質(zhì)的椅子，把自己綁起來讓自己不能離書本太近；有的學(xué)生說開始學(xué)習(xí)前定一個(gè)鬧鈴，時(shí)間到就開始打鈴，提醒自己休息；有的學(xué)生說制作一個(gè)智能工具，可以安裝到學(xué)習(xí)桌上，既能實(shí)時(shí)監(jiān)測自己的頭部距桌面的距離，又能計(jì)算出人在桌前停留了多久，如果超過限定的距離和時(shí)長，能夠自動(dòng)語音提醒學(xué)生“離遠(yuǎn)一點(diǎn)”或者“休息一下吧！”；還有學(xué)生說……。接下來，便讓學(xué)生舉手表決誰的創(chuàng)意更好一點(diǎn)。最后大家集體決定采納第三位同學(xué)的設(shè)計(jì)方案——制作“智能護(hù)眼神器”。接著，讓學(xué)生結(jié)合第三位同學(xué)的設(shè)計(jì)思路，首先思考制作“智能護(hù)眼神器”所需硬件工具和程序運(yùn)行流程，然后鼓勵(lì)學(xué)生嘗試用文字描述或者繪制圖形的方式設(shè)計(jì)程序算法。[學(xué)生設(shè)計(jì)的算法范例]（1）監(jiān)測距離：當(dāng)程序啟動(dòng)后，超聲波傳感器開始重復(fù)監(jiān)測自己與頭部的距離，如果監(jiān)測距離小于35厘米，則開啟語音提示“你距離太近了，離遠(yuǎn)一點(diǎn)！”，否則不做任何提示。（2）監(jiān)測時(shí)長：當(dāng)程序啟動(dòng)后，人體紅外傳感器開始重復(fù)監(jiān)測自己周圍是否有人，如果有人則計(jì)時(shí)變量每過1秒則加1，無人則計(jì)時(shí)器清零。如果計(jì)時(shí)變量累計(jì)值達(dá)到1800（30分鐘），則開啟語音提示“你學(xué)習(xí)超過了30分鐘，休息一下吧！”。學(xué)生會(huì)用不同方式設(shè)計(jì)算法，我們要組織學(xué)生表達(dá)和展示，讓學(xué)生評價(jià)他人設(shè)計(jì)的算法優(yōu)缺點(diǎn)，最后教師點(diǎn)評，與學(xué)生共同選出優(yōu)秀算法設(shè)計(jì)案例。4、團(tuán)隊(duì)合作，完成創(chuàng)意在完成“智能護(hù)眼神器”的算法設(shè)計(jì)之后，我們就要組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行硬件的搭建。首先是超聲波傳感器的連接，然后是人體紅外傳感器的連接，最后將arduino主板連接電腦并與圖形化編程軟件進(jìn)行連接（筆者選取的是codemao編程工具）。在這個(gè)環(huán)節(jié)，我們要讓學(xué)生利用之前學(xué)過的硬件搭建知識，通過小組合作共同完成搭建任務(wù)。教師可以巡視指導(dǎo)，及時(shí)指出學(xué)生連接時(shí)出現(xiàn)的問題。然后，讓學(xué)生在編程平臺上按照上一環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行程序積木的搭建，實(shí)現(xiàn)“監(jiān)測距離”和“監(jiān)測時(shí)長”功能。5、檢驗(yàn)成果，總結(jié)評價(jià)學(xué)生完成硬件搭建和編程之后，就要進(jìn)行成果的檢驗(yàn)，看能否實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的“監(jiān)測距離”和“監(jiān)測時(shí)長”功能。如若達(dá)不到預(yù)期效果，需要小組成員共同進(jìn)一步查找原因，檢查到底是程序故障還是硬件連接故障，調(diào)整之后再次進(jìn)行檢驗(yàn)，直至成功。作品完成之后，我們要留給學(xué)生展示和講解的時(shí)間和機(jī)會(huì)，讓他們同樣以小組合作的形式分工演示它們的創(chuàng)意作品。這樣既培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識，也調(diào)動(dòng)了他們的學(xué)習(xí)積極性。教學(xué)反思1、建立了真實(shí)的項(xiàng)目情境教師建立了真實(shí)的項(xiàng)目情境使學(xué)生快速融入課堂，進(jìn)而使得后續(xù)的明確問題、設(shè)計(jì)算法、完成創(chuàng)意等環(huán)節(jié)順理成章地得以進(jìn)行。學(xué)生在真實(shí)的情境下進(jìn)行思考、討論、探究和創(chuàng)作，充分發(fā)揮了積極性和創(chuàng)造力。并且，從學(xué)生內(nèi)心來講，他們覺得自己所做的事情是非常有意義的，并不是純粹的娛樂或天馬行空的想象。2、培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維教師在讓學(xué)生進(jìn)行硬件搭建和編程之前，并非直截了當(dāng)?shù)亟o學(xué)生演示或告訴學(xué)生應(yīng)該怎么辦，而是先有意識的引導(dǎo)學(xué)生思考問題解決的思路，然后放手讓學(xué)生進(jìn)行方案的制定與算法的設(shè)計(jì)，最后由師生共同分析得出最佳解決方案和算法設(shè)計(jì)。這一過程能夠激發(fā)學(xué)生利用程序思想解決問題的意識，有利于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。3、提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力學(xué)生圍繞“解決中學(xué)生近視問題”這一項(xiàng)目主題開展探究與實(shí)踐，經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)主要問題、制定解決方案、創(chuàng)新解決問題的過程，這本身就是一個(gè)科學(xué)研究的過程范式，也是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生用數(shù)字化方式解決問題的能力的過程。整個(gè)教學(xué)過程營造的探究、學(xué)習(xí)、合作