基于STEAM理念的人工智能教学实践

【摘要】人工智能这一新兴的科技浪潮正在深刻地影响着我们的生活。在小学开展人工智能教学有助于学生从小了解先进的科学技术，激发学习新科技的主动性。文章基于STEAM教育理念，以“防近视智能管家”为例，开展项目化学习教学实践，取得了较好的成效，为小学人工智能教学实践开展提供参考。

【关键词】STEAM理念;人工智能教学;项目活动

一、引言

人工智能这一新兴的科技浪潮正在深刻地影响着我们的生活。“刷脸识别”、“语音助手”、“智能安防”、“智能停车场”等智能产品也逐渐进入我们的生活，人工智能时代已经到来。2017年国务院印发《新一代人工智能发展规划》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。”2018年教育部进一步明确提出“构建人工智能多层次教育体系，在中小学阶段引入人工智能普及教育。”人工智能教育教学进课堂时代已经到来。

中山市教育局教研室非常重视人工智能教育的开展，杨仙逸小学作为中山市创客实验学校之一，在2018年新增置了一批“Arduino UNO”智能主控板及Arduino开源硬件，在社团活动课上增加人工智能教学内容，开展人工智能教学实践。

二、STEAM教育理念与人工智能教育

STEAM教育结合了科学、技术、工程、艺术和数学，关注实际问题，注重情境学习，以学生为中心，以工程设计为主导，注重培养学生面向未来的科学与工程素养和跨学科解决实际问题的能力。人工智能教育以项目式学习为主要方式，融合多学科知识，综合应用人工智能技术，模拟解决现实生活中的问题。它遵循STEAM理念，通过智能硬件搭建、软件编程设计、原型制作、测试优化等过程，创作出智能化个性化物品，将创意变成现实。在基于真实问题情境的教学中，教师以问题为驱动，学生以小组合作的形式，运用各学科所学知识进行探究、合作学习，学生通过调查、收集资料、分析问题、研讨交流，规划设计出解决问题的方案。在动手实践的过程中体验人工智能在生活中的应用，感受利用人工智能技术为人们服务。学生在运用开源软硬件进行“造物”的过程中，将学习到的科学、数学、美术、人工智能等学科知识与工程技术有机融合，从而获得批判思维能力、设计能力、合作能力、解决问题能力和创新能力。

三、基于STEAM理念的人工智能教学实施

下面以“防近视智能管家”项目活动为例，进行阐述。

（一）创设活动情境

在进入智能化时代的今天，我们可以借助智能设备来监控我们的身体状况，提醒我们健康地生活。围绕“坐姿提醒预防近视”这个主题，学生实地调查发现在我们身边有些同学因课业增加，眼睛与书本距离过近、坐姿不正确，导致视力下降或驼背、塌腰、脊椎弯曲等问题，让学生以保障人体健康为出发点，设计一种智能提醒装置，激发学习动机，引出项目活动中需关注和掌握的知识技能。通过这个项目的学习，发现生活中影响人们身体健康的因素，探讨保持身体健康的方法，同时感受、体验人工智能技术在生活中的应用。

（二）问题引领，确定选题

问题是活动的开始，以问题为切入点，引导学生发现问题、思考问题，然后解决问题。

1.聚焦问题：在我们身边有些同学因课业增加，眼睛与書本距离过近、坐姿不正确，导致视力下降或脊椎弯曲。

2.任务驱动：请以保障人体健康为出发点，设计一种智能提醒装置。

3.确定选题：针对这个富含问题性的情境，鼓励学生联系实际深入思考，这个智能装置最重要的是如何进行坐姿的检测和防近视的提醒。学生展开头脑风暴，提出了许多的构想，有“光线坐姿检测仪”、“坐姿纠正器”、“视力保护灯”、“ 坐姿与视力监测”、“防近视智能管家”等。

教师有意识地指导学生综合运用所学知识，将课堂与现实生活联系起来，引导学生自主地发现问题，并根据自身已有的知识水平，选择可行的项目选题。

（三）分析问题，设计方案

根据选好的项目选题，引导学生规划设计出解决问题的项目方案。以“防近视智能管家”选题为例，分析问题，规划设计方案。

1.抛出疑问：要解决的核心问题是什么、要实现的功能有哪些、要用到的核心设备有哪些，所需要的知识和技能有哪些等。

2.分析问题：需要解决的核心问题所涉及的具体问题有哪些，引导学生学会把大问题拆解成小问题逐个解决。接着引导同学思考讨论：造成近视的环境因素有哪些，个人不良习惯有哪些？学生结合日常观察、分析和讨论列出如下因素：用眼时间过长，书本距离过近，光线不足，坐姿不正等。针对这些情况，提醒装置要如何设计来解决这些问题，是全部解决还是部分解决？步步深入，引领学生讨论分析出项目需要解决的具体问题有

（1）如何识别用户正在用眼学习？

（2）如何计时？

（3）如何识别坐姿端正与否？

（4）如何提示？

（5）如何报警？

3.规划设计方案：继续引导学生采用头脑风暴的方法列出可能的解决方案，有的提出可利用超声波传感器检测装置前使用者看书或写字的距离是多少;有的提出利用LED闪烁动作发送开始信号并开始累计用眼时间，如果使用者中途离开，计时重置;有的提出用图像识别检测使用者坐姿是否正确，也有的提出用倾斜传感器检测坐姿端正否;有的提出通过语音识别检测使用者并开始计时;有的提出用人体红外传感器检测使用者;有的提出用蜂鸣器发出不同频率声音分别对用眼时间过长和坐姿不端正进行报警等。学生在思考、交流的过程中形成团队设计方案，不同团队的个性化方案又能提出不同的解决方法。

规划设计可以从多方面去思考，遇到问题不满足于一个答案，不局限于一个角度的考虑。小组同学可以设计两个或者多个方案，再把所有的方案进行交流研讨并考虑现实条件进行可行性分析从中选择最优的那个。

（四）项目创作，测试优化

当提醒装置的设计方案规划好了，教师指导学生画出设计原理图，按照设计思路及原理图选择Arduino智能硬件材料并进行组件连接，接着绘出工作流程图。用流程图从整体上把功能编程思路理清，然后进行程序编写及测试和外壳结构设计制作。项目活动过程中，同学们进行了有效的分工合作，有的进行组件连接及程序设计，有的进行资料的查阅，有的进行外壳结构的设计搭建。外壳制作材料主要为各种纸盒、雪糕棒、彩色卡纸等，工具主要为热融胶枪、打孔器、超轻粘土、美工刀等。外壳结构设计制作由有艺术特长的同学负责;结构组件的连接与搭建由动手能力强的同学负责;功能的测试和完善由编程能力强的同学负责;撰写报告进行分享则由表达能力较好的同学负责，小组成员各尽其能。

在测试中有同学提出 “环境光线如何是否要识别？”、“超时报警与坐姿不端的报警如何更好区分？”、“如何进行语音的识别？”、“如何使用人脸识别？”这时留给小组同学自主探究的时间和空间，自由讨论，发散思维，提出不同的解决方法。对智能硬件组件的连接及功能编程一边测试一边修改，引导学生找出不足并分析原因，进一步思考实践，找到解决方法。将设计方案落实到动手实践再到作品，需要经过不断的尝试、修改、完善，最终完成作品的创作。一次次的调整设计方案，一次次的测试改进程序，一次次的重选拆搭组件……大大激发了学生的创新创造能力，提升了耐挫能力，培养了坚持不懈的毅力。

学生在原型创作及调试的过程中，出现的一些问题，经过小组同学研讨及老师指导都能较好地解决，这也是创造的新过程。在这个小组学习共同体中，各个成员互相配合，他们的合作能力，应对问题的能力显著提升，创新思维得到很好的发展。

（五）成果展示，评价分享

作品完成后，安排各小组同学将本组活动情况与成果向班级开放，进行展示交流。让各小组通过PPT演示将创意分享出来，将团队的智慧展示出来。在展示中，阐述遇到的困难、解决的方法、小组合作的情况等，围绕作品是否解决了核心问题、设计是否得当、功能是否完善、智能硬件连接线路是否合理、外壳结构设计是否美观、是否值得推广应用;PPT报告展示资料是否充足，语言是否简洁、准确、流畅等方面进行自评、互评和师评。在展示和评价中学习别人的优点，提出参考意见或创新点，同时也发现自己的优点和不足，并改进完善自己的不足之处。学生在评价中反思总结，并不断优化作品的设计与制作，加深了对人工智能知识、硬件搭建方法和编程技能的理解掌握同时也提高了对健康生活的认识。学生在展示评价中品尝成功的喜悦，体验创造的快乐，其成就感、自豪感、自信心倍增。

（六）拓展提高，课后延伸

本项目中我们设计的作品由于传感器位置是固定的，故只适合固定身高的人使用，如何设计一个各种身高的同学都能使用的智能作品呢？我们可以在课后继续研究。

项目的学习不能仅局限在课堂上，而是要把理念延伸至课堂外。因此，课后让学生讨论、思考如何进一步完善作品，并根据实际问题情境来创作以引领下一个项目活动的开始。

四、实施成效

项目学习活动充分体现了STEAM教育理念，培养了创新创造能力，实现了深度学习。

（一）点燃探究热情

整个项目学习活动，学生热情高涨，主动参与，积极探究。学生经历了“问题引领——构思规划——尝试创造——优化改进”的过程，在活动中体验，在实践中思考，既学到相关智能元器件的知识、编程技能，又掌握一定的工程技术，自主设计的智能提醒装置既美观实用又创意十足。

（二）发展核心素养

探究与学习相结合，创设了真实的情境，从理解“保障人体健康”问题开始，对视力保护、端正坐姿的原理进行探究并完成作品设计与功能实现，用成果展示、評价交流，分享成功，改进不足来开展活动。在这个过程中学生经历观察、讨论、分析，进而自由创意造物，就是多种思维综合的过程。学生综合使用科学（S：认识超声波传感器、人体红外传感器、语音模块、蜂鸣器、LED灯、液晶屏等电子元器件的使用方法）、技术（T：掌握电子元器件的线路连接，结构的搭建）、工程（E：经历“情境问题——任务驱动——方案设计——硬件选择——编程指导——结构搭建——展示交流——拓展提高”的过程）、艺术（A：电子元器件的安装、线路布置合理，结构外形美观、多样）、数学（M：会运用计时统计、数据收集等知识）手段合作解决问题，创新实践，发展核心素养。

（三）提升合作能力

在项目活动中，需要每一个成员都能清楚地表达自己的观点，倾听了解组员的看法。作品的创作能够顺利完成有赖于小组成员间的相互信任和相互尊重，学会听取他人意见，进行有效沟通是非常重要的。在项目学习活动中能给学生创造合作的机会，训练合作的技能，培养合作的意识，体验团结互助共享成果的快乐，提升合作能力。

五、思考与展望

通过项目活动的实施，发现本课程的教学还有许多需要继续优化和改进的地方，以更好地实现人工智能教育的培养目标。教师在教学中应针对学生认知水平、创造能力，结合生活实际来设计项目化学习活动内容;应选择合适的智能硬件材料如Mixly套件、掌控板等和图形化编程软件如Scratch或Mixly或Kittenblock;在活动中以学生为主体教师为主导，让学生更自由地实践更深入地探索;并设计好相关学习过程的评价标准及作品的评价标准，充分运用好过程性评价和总结性评价手段，使学生相互学习共同进步。

在中小学开展人工智能教学，让每个学生在玩中学、学中做、做中思、思中创，在项目活动中发展核心素养。基于STEAM教育理念的人工智能教学项目化活动设计需要教师的不断探索，让我们一起用心钻研、努力实践，让STEAM教育理念、人工智能教育教学走得更深更远。

【参考文献】

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[4] 章雪梅.基于项目的学习及其教学设计[J].教育信息技术，2009，（2）：52-53

[5] 柴火创客教育项目组.一起造物吧[M]. 北京：人民邮电出版社，2017：4-5

作者简介：何一兰（1974.10），女，本科，学士，小学科学高级教师，小学科学教育

（责任编辑：邓羽婷）