小学人工智能编程课程分层教学探索

孙启超

国务院印发的《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》明确要求“激发青少年好奇心和想象力，增强科学兴趣、创新意识和创新能力，培育一大批具备科学家潜质的青少年群体，为加快建设科技强国夯实人才基础”。河南、山东、安徽、广东、浙江等省份在基础教育阶段陆续开设信息技术课程与人工智能课程，并将分层教学模式应用其中。在本文中，我们结合实际案例对分层教学模式的实际应用展开探讨。

一、人工智能编程课程现状与分层教学

1. 人工智能编程课程教学现状

国务院颁布的《新一代人工智能发展规划》要求“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”。近年来，广东、福建、上海等省市重点借助智能设备进行课堂指导；在人工智能编程课程教学活动中，学校逐渐引导学生参加不同等级的编程比赛、机器人大赛、人工智能竞赛等。

2. 分层教学

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》提出“注重因材施教。关注学生不同特点和个性差异，发展每一个学生的优势潜能，推进分层教学……教学管理制度改革”。

随着我国社会经济的持续发展，很多学生尽管对计算机、人工智能、信息技术等名词并不陌生，但因为城乡教育主体之间在发展水平方面还存在明显的差距，所以，实施分层教学是解决当前我国城乡教育差异问题的一个最佳策略。

二、小学人工智能编程课程分层教学案例探索

笔者将全班学生划分成3个小组，然后以3个小组学生的整个学习过程、制作成品等为切入点，对教学内容、课程教学目标、分层教学计划、教学活动评价、教学策略反思等进行逐一探究，思考在“智能台灯设计”课堂教学活动中采用分层教学模式的实际成效。

1. 明确教学内容

这一章节的教学内容包括三个部分，即传感器特性、LED灯工作原理、“假若……执行……”的功能切换。教师的教学职责是指导学生对相关概念及定义进行理解，逐步了解LED的内部结构与运行原理，为下一步进行实践操作做准备。

2. 设置课程教学目标

本课教学目标具体包括：①指导学生掌握传感器特性，认识LED灯的运行原理；②了解主控模板的具體应用功能及特点，能够灵活应用“假若……执行……”功能模块；③熟练设计智能台灯的内部结构，然后对其进行组装、搭建、连线、程序设计、功能调试、结果验证等；④确保产品设计形态与结构科学、完整，能够确保用户获得理想的体验；⑤对整个程序参数进行验证，确保其设置正确、合理。

3. 设计分层教学计划

在这一章节的教学设计中，结合学生的实际情况制订分层教学计划，教师需要考虑三个重要主体：学生、教学目标与教学策略。

（1）需要对学生进行个性化分层

A组是小学4年级学生，他们在3年级的时候接触过编程类的知识，有一定的基础，并且还参加过社团实践活动（6个月左右），但是都没有参加过任何人工智能编程类、机器人类的竞赛活动；B组是小学5年级学生，学习编程课程的时间超过2年，基础相对稳固，参加社团实践活动约有1年，其中有2名学生参加过市级计算机编程大赛、省级机器人竞赛；C组是小学6年级学生，接触编程课程已有4年左右，并且参加社团实践活动超过3年，每一名学生都参加过不同等级的编程类、机器人类竞赛。

（2）需要对教学目标进行个性化分层

A组：①掌握传感器的基本特性，并进行组内讨论与研究；②逐步设计智能台灯，并尝试进行成品搭建；③逐步掌握“假若……执行……”功能模块。B组：前3条与A组相同，另外，要编写程序，并自主调试与反馈，确保操作成功。C组：前3条与A组相同，另外，要对制作好的成品进行介绍，确保其不少于两个典型特征。

（3）需要对教学策略实施分层设计

A组：教师需要对学生进行组织能力的培养，安排学生组内合作学习，大家一起收集相关的图片、视频、3D图纸等，然后加强学生的思维能力训练，确保学生在现有教学资料的基础上挖掘一些新线索，整理一些新信息，确定最新的设计思路与研究方向。

B组：教师需要对学生进行认知发展能力的培养。鼓励学生积极参加相应的实践设计活动，然后从中整理出相关问题，并力争能够自主解决，教师需要对一些关键性的问题进行针对性指导与辅助。

C组：教师需要对学生进行自我管理能力的培养。具体来说，需要向学生介绍设计原则、传授思维方法，引导学生对整个设计过程进行探索，然后观察学生的一举一动，鼓励学生自主发挥与操作，教师在旁给予指点，逐步彰显学生的主体地位。

4. 展示教学效果

（1）A组学生作品介绍

对于A组学生来说，其作品设计结构包括声音传感器、温度传感器、湿度传感器、光感传感器、开关按钮、LED灯、主控线路等。在作品设计过程中实现两个功能：①声控灯。如果光线变暗，且声音达到特定数值的话，LED灯会自动开启。②根据气温变化调整LED灯的色调。假若温度偏低，不足30℃，LED灯调整成暖色调；假若温度偏高，不低于30℃，LED灯则调整成冷色调。通过功能测试能够发现，A组学生在设计声控灯的过程中，各项任务基本完成，但是对于调整LED灯色调的功能，因没有测试条件，未进行评判。

（2）B组学生作品介绍

对于B组学生来说，其作品设计结构包括声音传感器、红外传感器、开关按钮、LED灯、舵机、主控线路等。在作品设计过程中实现两个功能：①提示噪声。如果周围环境出现噪声，且音量不低于80dB，LED灯会出现七彩跑马灯的变化。②用平板电脑灵活地控制LED灯的方向或停止等。如果平板电脑朝着左（右）倾斜，那么LED灯柱则会朝着左（右）旋转；如果平板电脑朝上倾斜，那么LED灯柱则会停止运行。通过功能测试我们发现，这一小组的所有功能设计目标都顺利实现。

（3）C组学生作品介绍

对于C组学生来说，其作品设计结构包括超声波传感器、压力传感器、开关按钮、LED灯、舵机、轮子、主控线路等。在作品设计过程中实现三个功能：①折叠便携。作品最初是黄灯，在触碰压力传感器的时候，LED灯会熄灭，灯柱会随之倒下折叠，确保能够灵活携带；在长按键的情况下，灯柱则会立刻恢复原位。②通过平板电脑能够灵活地控制智能台灯的前进或后退，使其抵达目的地。因为并未配置轮子等相关组件，这一组需要安装万向轮，确保LED灯能够自由转动。③障碍物提示。如果发现周围出现障碍物，且距离不超过8m，LED灯会变成红色，说明有障碍物出现。通过功能测试，该小组的所有功能设计目标都顺利实现。

5. 完成教学评价

在对学生的学习过程进行评价时，教师必须注意参考信息技术与人工智能编程课程在培养学生核心素养方面的综合性要求。A组学生存在很多奇思妙想，不过这些想法可行性不足，想要完全实现非常困难，学生需要不断学习更多的专业知识，积累丰富的经验。B组学生缺乏自我创新意识及能力，大部分时间都用在代码的简化设计方面。C组学生零件数量比较多，造成其发挥空间受限。整体来看，3组学生在整个操作过程中都存在一些短板，但是他们基本上都能够掌握这一章节的基本知识点，顺利完成教师安排的学习任务。

6. 進行课堂反思

第一，3组学生在进行作品设计的过程中，都选择了2种及以上传感器，同时还包括1个LED灯、主控线路等。除了A组学生有一个设计功能由于条件限制不能对其进行评测以外，其他两组学生的功能设计目标基本上都顺利实现，而且通过调试都能够成功运行，这说明教师采用分层教学模式的实际成效是不错的，整体能够满足预期教学要求。

第二，按照以上3组学生的整个设计活动的操作，我们能够发现：A组学生比较看重结构搭建，注重用户体验，但是在周围环境测试方面缺乏丰富的经验。这一组学生有一项功能测试并未完成，不过通过后续的代码验证，发现其代码编写正确。B组学生在结构搭建的过程中增加了一个零件—舵机，确保其与第三方工具的衔接更加紧密，整个操作过程是相对顺利的。这一小组学生代码设计与编程相对简洁，不过逻辑思维比较混乱，整体来看，存在操作秩序不清等问题。C组学生不但增加了其他零件，而且增加了一个功能，代码设计相对简洁，整个过程的完成顺畅度非常高，逻辑思维非常清晰。该组学生制作的思维导图也非常完整、清晰，在表达方面非常顺畅，作品功能良好。

第三，通过分层教学方法对学生进行引导，我们能够发现相应的教学方法与各小组学生的基本学情相吻合，能够最大化地激发学生热情，帮助学生顺利实现学习目标。教师的预期教学计划也能够顺利完成。

第四，经过一段时间的学习经验积累，再加上鼓励学生参加比赛锻炼等，我们发现，C组学生的思维相对开阔一些。这一组学生不管是在作品的外观设计，还是在编程测试、功能设计等方面，都表现出一定的优势；在团队合作方面，C组配合得当，学习效率高，整体表现比较突出。

现今，我国小学人工智能编程课程教学工作并未广泛推行，实施分层教学是一个亟待探索的重要课题。教师需要对学生的基本学情与实际情况进行精准分析与定位，然后分层次指导，并灵活调整相应的教学内容与方法，设计一系列与学生发展相吻合的编程活动，循序渐进地开展人工智能编程课程，这对于增强学生的学科综合素养能发挥积极作用。

（作者单位：安徽省淮北市第一实验小学）

责任编辑：赵继莹