基于“项目式学习”的中小学“人工智能”课程教学实践

江苏省太仓市沙溪镇岳王学校 唐晓挺

“人工智能”成为国际竞争的新焦点，“人工智能”是引领未来的战略性技术，世界主要发达国家把发展人工智能作为提升国家竞争力、维护国家安全的重大战略，2017年国务院关于印发《新一代人工智能发展规划》，指出人工智能课程教学要向低龄化发展，那么我们的首要任务是在中小学的教学计划中加入“人工智能”课程，并运用适合中小学生心理特点的教学策略进行教学。

一、要义解读

（一）项目式学习

项目式学习是以问题引导、任务驱动的学习方法，是学生自主探究的一个体现，学生主动探索现实世界，教师作用是理论指导和器材提供，学生通过小组合作解决一个现实生活问题，学习过程不是用一个固定的、现成的方法解决实际问题，而是学生需要知道什么地方以及如何获得有助于解决问题的方法和信息，最后解决问题。它可以展现学生的创造力，具体过程包括如何检索知识、如何制定方案、如何改进方案、如何实施方案，以及在方案实施过程中如何进行小组沟通和合作。

在项目式学习中，学生的学习过程是动态的，需要通过思考和推理来完成项目的实施，老师的作用是通过支持、建议和指导来帮助学生更好地学习。项目式教学和传统的传授式教学不同，它需要教师更多关注项目的过程、学生能力的发展，而不是注重知识的传授。

（二）人工智能教学

人工智能是通过了解人脑思考问题的特点，制造出具有一定智能和能模拟人脑思维的人工系统，运用该系统替代需要人的智力才能完成的工作，人工智能教学也就是了解人工智能的发展现状，学习人工系统的基本理论、方法和技术。

2017年7月国务院印发《新一代人工智能发展规划》，要求在中小学阶段安排“人工智能”相关课程，初步接触“人工智能”。2018年1月，教育部公布《普通高中课程方案》，人工智能、物联网、大数据处理正式被纳入《普通高中信息技术课程标准》新课标，同年江苏省教研室《信息技术》教材编写组也发布了苏科版《信息技术》教材，编程、机器人课程、走进人工智能等章节出现在教学内容中。2019年7月《人工智能（初中版）》教材面世，教学目的在于提升学生的人工智能素养，帮助学生建立起对人工智能的鉴赏力、理解力和应用力。

二、教学模式

中小学人工智能教学还没有形成一门独立的课程，一般在《信息技术》教材中体现，缺乏系统性和完整性，“人工智能”与“中学物理”联系紧密，在物理课程活动中开设“人工智能”课程，可以弥补不足，项目式学习教学方法的融入也可以使人工智能教学有可靠的抓手。人工智能教学不是一个单学科教学，在教学过程中需要渗透其他学科知识，学生运用各种知识实现既定目的。教学模式如图1所示。

图1

三、教学应用

人工智能教学是通过课程让学生学会用模拟人类智能的途径解决生活中的实际问题，让人们的生活质量更高，它以项目式学习的教学方法作为载体，教师在课程教学中运用“构建框架”“形成作品”“成果反馈”的模式组织教学。

1.生活情境：在医院当对病人进行静脉注射时，将药液装于输液瓶中，再采用静脉注射管将液体药物注射到人体血管中，以达到治疗的目的，输液时，需要人来定时查看液体的多少，让病人或家属不敢休息，带来很大的负担。

2.生成问题：如何使液体在快要输完时自动发出报警提醒病人或看护者通知医务人员进行换药或做其他处理？

3.检索资料：目前市面上的输液存余检测技术主要是红外线检测技术，利用液体和空气的接触面的折射原理改变红外线的强度或方向，从而使得接收端信号改变，一般有透射式和折射式。这种方式就是检测滴液管中液滴滴落的次数，这种技术的缺点是固定在输液管上检测，当报警时已经太晚了。

4.制定方案：中学物理中初步涉及了电路设计知识、传感器知识。方案制定的思路为：“Arduino”主控，利用非接触式液位传感器保证药液卫生安全，当液位低于安全阀值时，发出报警，提醒患者及医护人员，同时可以通过无线网络把液位数据传到医护人员的手机app上，提醒医护人员或患者。

器材准备：主控板、非接触式液位传感器、蜂鸣器、LED、拨码开关、3.7V锂电池聚合物、Micro usb 充电接口、其他结构件（3D打印）。（如图2）

图2

5.学科渗透：物理知识、焊接知识、无线网络知识、手机app、3D打印等。

6.修改完善：此设计只是液位低于安全阈值时，发出报警，拓展其功能，可以利用手机app实时查看液面的位置，输液者、陪护家属甚至护士都能查看，利用大数据网络，合理安排工作。

7.作品展示：元器件焊接后，合理安放到结构件中。

8.评价点评：该作品是通过物联网和传感技术实现“人工智能”为人们服务，解决的是人们输液时需要人去看护的输液报警问题，利用网络和app可以实现和手机连接，有一定的实际应用价值。

9.推广应用：在全校范围展示，征求建议，申请专利，向社会寻求合作意向。

四、教学意义

（一）项目式学习让学生回归本源

项目式学习是基于生活、基于思考、基于创新等具有实践性的学习方式，打破以往单学科的教学方式，以“项目”来引领的课程模式，它是一种符合学生心理特点以及能发展学生高阶能力的学习方式，在学习过程中让学习亲近生活，解决生活中的实际问题，教师提供有目的、真实的任务，与真实世界相连接，促使学生积极参与学习过程，深入探究生活实际问题，可以有效促进学生的深度学习，有效提升他们的学科核心素养和能力。

项目式学习让“人工智能”课程有了合适的教学方法，中小学生的天性是“好动”，项目式学习是在“玩中学”，“人工智能”的特点是新奇，学生对某一学科有兴趣，就会持续地专心致志地钻研，从而提高学习效果。

项目式学习教学使更多的教师开始关注传统教育理念、教育模式的变革，注重对中小学生创新能力的培养，探索出适合时代要求的育人方法，从而使学生的成长更符合生长规律，得到全面的发展。

（二）“人工智能”课程让中小学和科技走得更近

人工智能就其本质而言，是对人思维过程的模拟，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等，属于现代社会的高端科技领域。《中国学生发展核心素养》中指出，实践创新主要是学生在日常活动、问题解决、适应挑战等方面所形成的实践能力、创新意识和行为表现，具体包括劳动意识、问题解决、技术应用等基本要点；理解技术与人类文明的有机联系，具有学习掌握技术的兴趣和意愿；具有工程思维，能将创意和方案转化为有形物品或对已有物品进行改进与优化等。在中学开始“人工智能”课程符合国家对于学生的总体要求，而项目式学习让学生有了“思维”的成长和“劳动”的体验，让学生在开阔眼界的同时在探究中获得高端科技的知识。

（三）基于“项目式学习”的 “人工智能”课程更有利于中小学的教学衔接

通过对现有同一领域研究资料的分析发现，在中小学课程教学中开展的人工智能课程并不多。在“小学科学”和“中学物理”的教学中，适当融入“人工智能”课程，通过项目式学习方式提高教学有效性，挖掘中小学的人工智能资源，并对中小学教学内容进行合理衔接，成为学生学习人工智能的基石，可以提高学生的科学素养，从教学形式上，探索中小学人工智能教学的延续性、衔接性，为基础教育阶段课程统一开展打好基础。学生在小学阶段接触到项目式学习的教学模式，他们到初中以后，潜移默化地接受这种教学模式，不会感到陌生、抗拒。小学阶段和中学阶段区别仅仅是教学内容的不同，教学形式的统一更利于人工智能教学的开展、人工智能教育理念的落实，可以真正提高学生的科学素养！