中小学人工智能教学实践研究

中小学人工智能教学实践研究摘要：人工智能作为义务教育阶段《信息科技课程标准》的重要组成部分越来越受到人们的关注。“项目化学习”是开展人工智能教育的有效途径。本文以“制作智能护眼神器”一课为例，详细分析了教师如何基于项目化学习理念进行真实项目情境的创设，引导学生明确问题、设计算法、完成创意和评价总结的整个过程。关键字：项目化学习；人工智能；教学实践案例背景2017年7月8日，国务院印发《新一代人工智能发展规划》的通知，通知中明确指出：实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。自此以来，中小学人工智能教育成为了国内众多学者和一线信息科技教师关注的焦点。2022年4月21日，义务教育阶段《信息科技课程标准》颁布，人工智能作为第四学段的三大主题内容之一，其重要教育地位更加凸显。如何开展有效的人工智能教学，达成新课标要求的核心素养目标，是摆在一线教师面前的重要课题。项目化学习是一套系统的教学方法，它是对复杂、真实问题的探究过程，也是精心设计项目作品、规划和实施项目任务的过程，在这个过程中，学生能够掌握所需的知识和技能[1]。学生者通过参与一系列复杂度螺旋上升的任务来解决真实世界中的问题，从而实现信息素养目标的达成。本案例依据项目化学习理念，以“制作智能护眼神器”一课为例，通过情境创设——明确问题——设计算法——完成创意——总结评价五个教学环节的实施，详细阐述了初中人工智能教育教学的步骤和方法，以期为广大信息科技教育工作者提供一些有益借鉴和参考。案例描述课例简介：本课使用图形化编程平台与“arduino”开源硬件结合的形式进行教学，选取制作预防近视的“护眼神器”这一主题进行项目探究，学生之前学过超声波传感器与人体红外传感器的工作原理和使用方法，通过小组合作动手搭建硬件并编程，实现预期效果，创新解决项目问题。结合生活，创设情境此环节是本课的导入环节，首先给学生播放一段贴近生活的视频——《孩子，你的视力还好吗？》，视频中通过详细的数据和眼科专家的介绍展示了当前中学生视力普遍下降的事实。然后，通过提问“这个视频主要想表达什么意思呢？”让学生关注视频中的核心问题——中学生的近视问题。继续追问“这个近视问题严不严重啊？”如此激发学生继续反思视频内容——近视问题很严重。紧接着，让学生统计一下本班戴眼镜学生的数量，计算出近视率，使得学生感受到“近视问题”就在自己身边发生着。通过情境导入，学生真真切切地感受到“中学生近视问题的普遍性和严重性”，为后面的项目引入和问题解决做好了铺垫。头脑风暴，明确问题学生融入真实情境后，下一个环节就是要让学生深入探究问题的成因——中学生如此普遍的近视是如何产生的呢？在教师的主导下，让学生就此开始“头脑风暴”式的分组谈论，讨论过后，让学生以组为单位进行汇报，最终得到的主要结论是：原因之一是中学生看书学习时间过长，眼睛得不到充分的休息而导致近视；原因之二是有些中学生看书写字的姿势不正确，眼睛距离书本太近而导致的近视；原因之三是长期使用电子产品使得眼睛疲劳而致。然后，要求学生将导致近视的这些成因以思维导图的方式绘制到纸上，这作为我们整个探究项目的第一个成果。抽象问题，设计算法近视成因找到了，接着教师便顺势引导学生开展更加深入的探究“如果我们能够解决这些问题，那是不是就可以减少甚至避免近视？那我们有解决的好方法吗？”问题一出，学生第一反应是“只能自己注意喽，能有什么好方法？”老师此刻提醒学生“需要你认真想一想，比如设计一个小发明、小创意可不可以呢？”此时，学生的创新思维就会慢慢被点燃，他们会想出许多奇思妙想。有学生说可以制作一个特质的椅子，把自己绑起来让自己不能离书本太近；有的学生说开始学习前定一个闹铃，时间到就开始打铃，提醒自己休息；有的学生说制作一个智能工具，可以安装到学习桌上，既能实时监测自己的头部距桌面的距离，又能计算出人在桌前停留了多久，如果超过限定的距离和时长，能够自动语音提醒学生“离远一点”或者“休息一下吧！”；还有学生说……。接下来，便让学生举手表决谁的创意更好一点。最后大家集体决定采纳第三位同学的设计方案——制作“智能护眼神器”。接着，让学生结合第三位同学的设计思路，首先思考制作“智能护眼神器”所需硬件工具和程序运行流程，然后鼓励学生尝试用文字描述或者绘制图形的方式设计程序算法。[学生设计的算法范例]（1）监测距离：当程序启动后，超声波传感器开始重复监测自己与头部的距离，如果监测距离小于35厘米，则开启语音提示“你距离太近了，离远一点！”，否则不做任何提示。（2）监测时长：当程序启动后，人体红外传感器开始重复监测自己周围是否有人，如果有人则计时变量每过1秒则加1，无人则计时器清零。如果计时变量累计值达到1800（30分钟），则开启语音提示“你学习超过了30分钟，休息一下吧！”。学生会用不同方式设计算法，我们要组织学生表达和展示，让学生评价他人设计的算法优缺点，最后教师点评，与学生共同选出优秀算法设计案例。4、团队合作，完成创意在完成“智能护眼神器”的算法设计之后，我们就要组织学生以小组为单位进行硬件的搭建。首先是超声波传感器的连接，然后是人体红外传感器的连接，最后将arduino主板连接电脑并与图形化编程软件进行连接（笔者选取的是codemao编程工具）。在这个环节，我们要让学生利用之前学过的硬件搭建知识，通过小组合作共同完成搭建任务。教师可以巡视指导，及时指出学生连接时出现的问题。然后，让学生在编程平台上按照上一环节设计的算法进行程序积木的搭建，实现“监测距离”和“监测时长”功能。5、检验成果，总结评价学生完成硬件搭建和编程之后，就要进行成果的检验，看能否实现预设的“监测距离”和“监测时长”功能。如若达不到预期效果，需要小组成员共同进一步查找原因，检查到底是程序故障还是硬件连接故障，调整之后再次进行检验，直至成功。作品完成之后，我们要留给学生展示和讲解的时间和机会，让他们同样以小组合作的形式分工演示它们的创意作品。这样既培养了学生的团队合作意识，也调动了他们的学习积极性。教学反思1、建立了真实的项目情境教师建立了真实的项目情境使学生快速融入课堂，进而使得后续的明确问题、设计算法、完成创意等环节顺理成章地得以进行。学生在真实的情境下进行思考、讨论、探究和创作，充分发挥了积极性和创造力。并且，从学生内心来讲，他们觉得自己所做的事情是非常有意义的，并不是纯粹的娱乐或天马行空的想象。2、培养了学生的计算思维教师在让学生进行硬件搭建和编程之前，并非直截了当地给学生演示或告诉学生应该怎么办，而是先有意识的引导学生思考问题解决的思路，然后放手让学生进行方案的制定与算法的设计，最后由师生共同分析得出最佳解决方案和算法设计。这一过程能够激发学生利用程序思想解决问题的意识，有利于学生计算思维的培养。3、提高了学生的创新能力学生围绕“解决中学生近视问题”这一项目主题开展探究与实践，经历了发现主要问题、制定解决方案、创新解决问题的过程，这本身就是一个科学研究的过程范式，也是激发学生创新思维，提高学生用数字化方式解决问题的能力的过程。整个教学过程营造的探究、学习、合作