中小學人工智能教學實踐研究

中小學人工智能教學實踐研究摘要：人工智能作為義務(wù)教育階段《信息科技課程標準》的重要組成部分越來越受到人們的關(guān)注?！绊椖炕瘜W習”是開展人工智能教育的有效途徑。本文以“制作智能護眼神器”一課為例，詳細分析了教師如何基于項目化學習理念進行真實項目情境的創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學生明確問題、設(shè)計算法、完成創(chuàng)意和評價總結(jié)的整個過程。關(guān)鍵字：項目化學習；人工智能；教學實踐案例背景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：實施全民智能教育項目，在中小學階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。自此以來，中小學人工智能教育成為了國內(nèi)眾多學者和一線信息科技教師關(guān)注的焦點。2022年4月21日，義務(wù)教育階段《信息科技課程標準》頒布，人工智能作為第四學段的三大主題內(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，達成新課標要求的核心素養(yǎng)目標，是擺在一線教師面前的重要課題。項目化學習是一套系統(tǒng)的教學方法，它是對復(fù)雜、真實問題的探究過程，也是精心設(shè)計項目作品、規(guī)劃和實施項目任務(wù)的過程，在這個過程中，學生能夠掌握所需的知識和技能[1]。學生者通過參與一系列復(fù)雜度螺旋上升的任務(wù)來解決真實世界中的問題，從而實現(xiàn)信息素養(yǎng)目標的達成。本案例依據(jù)項目化學習理念，以“制作智能護眼神器”一課為例，通過情境創(chuàng)設(shè)——明確問題——設(shè)計算法——完成創(chuàng)意——總結(jié)評價五個教學環(huán)節(jié)的實施，詳細闡述了初中人工智能教育教學的步驟和方法，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)合的形式進行教學，選取制作預(yù)防近視的“護眼神器”這一主題進行項目探究，學生之前學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，通過小組合作動手搭建硬件并編程，實現(xiàn)預(yù)期效果，創(chuàng)新解決項目問題。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？》，視頻中通過詳細的數(shù)據(jù)和眼科專家的介紹展示了當前中學生視力普遍下降的事實。然后，通過提問“這個視頻主要想表達什么意思呢？”讓學生關(guān)注視頻中的核心問題——中學生的近視問題。繼續(xù)追問“這個近視問題嚴不嚴重??？”如此激發(fā)學生繼續(xù)反思視頻內(nèi)容——近視問題很嚴重。緊接著，讓學生統(tǒng)計一下本班戴眼鏡學生的數(shù)量，計算出近視率，使得學生感受到“近視問題”就在自己身邊發(fā)生著。通過情境導(dǎo)入，學生真真切切地感受到“中學生近視問題的普遍性和嚴重性”，為后面的項目引入和問題解決做好了鋪墊。頭腦風暴，明確問題學生融入真實情境后，下一個環(huán)節(jié)就是要讓學生深入探究問題的成因——中學生如此普遍的近視是如何產(chǎn)生的呢？在教師的主導(dǎo)下，讓學生就此開始“頭腦風暴”式的分組談?wù)?，討論過后，讓學生以組為單位進行匯報，最終得到的主要結(jié)論是：原因之一是中學生看書學習時間過長，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，這作為我們整個探究項目的第一個成果。抽象問題，設(shè)計算法近視成因找到了，接著教師便順勢引導(dǎo)學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？”老師此刻提醒學生“需要你認真想一想，比如設(shè)計一個小發(fā)明、小創(chuàng)意可不可以呢？”此時，學生的創(chuàng)新思維就會慢慢被點燃，他們會想出許多奇思妙想。有學生說可以制作一個特質(zhì)的椅子，把自己綁起來讓自己不能離書本太近；有的學生說開始學習前定一個鬧鈴，時間到就開始打鈴，提醒自己休息；有的學生說制作一個智能工具，可以安裝到學習桌上，既能實時監(jiān)測自己的頭部距桌面的距離，又能計算出人在桌前停留了多久，如果超過限定的距離和時長，能夠自動語音提醒學生“離遠一點”或者“休息一下吧！”；還有學生說……。接下來，便讓學生舉手表決誰的創(chuàng)意更好一點。最后大家集體決定采納第三位同學的設(shè)計方案——制作“智能護眼神器”。接著，讓學生結(jié)合第三位同學的設(shè)計思路，首先思考制作“智能護眼神器”所需硬件工具和程序運行流程，然后鼓勵學生嘗試用文字描述或者繪制圖形的方式設(shè)計程序算法。[學生設(shè)計的算法范例]（1）監(jiān)測距離：當程序啟動后，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，離遠一點！”，否則不做任何提示。（2）監(jiān)測時長：當程序啟動后，人體紅外傳感器開始重復(fù)監(jiān)測自己周圍是否有人，如果有人則計時變量每過1秒則加1，無人則計時器清零。如果計時變量累計值達到1800（30分鐘），則開啟語音提示“你學習超過了30分鐘，休息一下吧！”。學生會用不同方式設(shè)計算法，我們要組織學生表達和展示，讓學生評價他人設(shè)計的算法優(yōu)缺點，最后教師點評，與學生共同選出優(yōu)秀算法設(shè)計案例。4、團隊合作，完成創(chuàng)意在完成“智能護眼神器”的算法設(shè)計之后，我們就要組織學生以小組為單位進行硬件的搭建。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行連接（筆者選取的是codemao編程工具）。在這個環(huán)節(jié)，我們要讓學生利用之前學過的硬件搭建知識，通過小組合作共同完成搭建任務(wù)。教師可以巡視指導(dǎo)，及時指出學生連接時出現(xiàn)的問題。然后，讓學生在編程平臺上按照上一環(huán)節(jié)設(shè)計的算法進行程序積木的搭建，實現(xiàn)“監(jiān)測距離”和“監(jiān)測時長”功能。5、檢驗成果，總結(jié)評價學生完成硬件搭建和編程之后，就要進行成果的檢驗，看能否實現(xiàn)預(yù)設(shè)的“監(jiān)測距離”和“監(jiān)測時長”功能。如若達不到預(yù)期效果，需要小組成員共同進一步查找原因，檢查到底是程序故障還是硬件連接故障，調(diào)整之后再次進行檢驗，直至成功。作品完成之后，我們要留給學生展示和講解的時間和機會，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)了學生的團隊合作意識，也調(diào)動了他們的學習積極性。教學反思1、建立了真實的項目情境教師建立了真實的項目情境使學生快速融入課堂，進而使得后續(xù)的明確問題、設(shè)計算法、完成創(chuàng)意等環(huán)節(jié)順理成章地得以進行。學生在真實的情境下進行思考、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)了學生的計算思維教師在讓學生進行硬件搭建和編程之前，并非直截了當?shù)亟o學生演示或告訴學生應(yīng)該怎么辦，而是先有意識的引導(dǎo)學生思考問題解決的思路，然后放手讓學生進行方案的制定與算法的設(shè)計，最后由師生共同分析得出最佳解決方案和算法設(shè)計。這一過程能夠激發(fā)學生利用程序思想解決問題的意識，有利于學生計算思維的培養(yǎng)。3、提高了學生的創(chuàng)新能力學生圍繞“解決中學生近視問題”這一項目主題開展探究與實踐，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，這本身就是一個科學研究的過程范式，也是激發(fā)學生創(chuàng)新思維，提高學生用數(shù)字化方式解決問題的能力的過程。整個教學過程營造的探究、學習、合作