面向数字化学习与创新能力的人工智能教学实践

倪荣

摘要：作者以智造“玻璃温室”为例，从体验感知、原理探究、实践创新、拓展迁移和评价交流五个方面，探讨如何在人工智能教学中培养学生的数字化学习与创新能力，以期能够促进学生创新思维的深入发展，从而使学生更好地适应信息化社会。

关键词：数字化学习与创新；人工智能教学；温湿度检测系统

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）16-0062-03

2022年4月，教育部印发《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”），明确信息科技学科的核心素养主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个方面。其中，数字化学习与创新是指个体在日常学习和生活中通过选用合适的数字设备、平台和资源，有效地管理学习过程与学习资源，开展探究性学习，创造性地解决问题。同时，课标指出信息科技课程知识体系围绕数据、算法、网络、信息处理、信息安全、人工智能六条逻辑主线进行螺旋式建构学习，其中的人工智能模块的学习以体验应用系统为基础，逐步进行深度学习。可见，在新时代教育背景下，通过人工智能课程活动培养学生数字化学习与创新能力很有必要。

因此，在基于数字化学习与创新能力培养的人工智能教学实践与研究中，笔者以智造“玻璃温室”为明线，以利用数字设备规划系统及程序设计实现过程与控制的方案为暗线，以智慧农业为情境，让学生在系统设计中感受科技给农业种植带来的便利，提高学生的数字化学习与创新能力，培养学生利用人工智能解决问题的意识。

体验感知，走进智慧农业

近年来，智慧农业发展迅速，借助数字化技术打造智慧农业，不仅大大减轻了农民的体力劳动，降低了农业生产成本，而且提升了农产品的质量和产量。因此，笔者综合当地農业基地发展状况，利用周末组织学生到现代农业示范园开展研学。在研学前，基于数字化学习与创新理念，以农业示范园如何通过智能化控制为植物提供生长所需的最佳环境条件为中心，设计学生研学手册。

研学手册主要包括以下几点：①注意事项。包括安全事项、时间、地点、交通方式等。②研学目的。目的是体验智慧农业。③研学方法。包括听取技术人员讲解、采访询问负责人、网络查询和亲身操作等方式。④研学感悟。除了以上几点，为帮助学生深入学习，笔者还提出以下三个具体问题，指导学生完成此次现代农业示范园研学活动：①农业示范园主要包含哪些智能系统？②这些智能系统分别具有什么作用和功能？③这些智能系统中分别使用了哪些数字化设备？

学生在研学手册的指导下，集思广益分享交流，借助思维导图梳理出农业示范园的主要系统及功能。同时，在体验智慧农业的过程中，学生能够利用平板电脑、手机等数字设备获取信息，并对信息加工、处理、整合，开展自主学习和合作探究。这些都有助于学生数字化学习与创新能力的提高。

原理探究，揭秘温湿度检测系统

人工智能应用广泛，研究领域丰富多样。在开展人工智能课程时，教师可以从较大的领域带领学生进入情境，但在课堂学习层面应从小处寻找突破口，从而减少学生的畏难情绪，增强学生的成就感。笔者根据学生研学手册的完成情况和现阶段的学习能力，选择温湿度检测系统为切入点，引导学生从应用层面描述温湿度检测系统在智慧农业中承担的功能，并得出结论：温湿度检测系统负责对环境中的温度、湿度进行24小时实时监测。

为使学生能够循序渐进地了解温湿度检测系统的工作原理，笔者采用了如下策略：①组织学生利用计算机画图工具，根据研学记录构画出温湿度检测系统的主要电子模块，明确该系统由温湿度传感器、主控板、显示屏三部分组成。②分组合作认识电子元器件。③拆卸该传感器，让学生观察探究，梳理出其内部装有湿敏和热敏元件，能够将环境中的温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号。另外，主控板负责接收读取温湿度传感器的数据并发送给显示屏进而打印出环境的温湿度数据值。

实践创新，智造“玻璃温室”

人工智能的学习注重以实践带动理论。在实践过程中学生需要根据实际需求自主规划系统、搭建模型、编写程序实现智能控制处理，逐步验证想法，不断优化设计方案。为培养学生数字化学习与创新能力，笔者从以下几个步骤，组织引导学生进行实践创新。

①鼓励式提出需求。向学生展示冷水花盆栽，介绍冷水花喜欢温暖湿润的环境，当环境中的空气湿度在60%～75%之间、温度在15～25℃之间时生长旺盛。同时提出需求，鼓励学生为冷水花打造“玻璃温室”，守护盆栽茁壮成长。

②头脑风暴梳理思路。组织学生开展头脑风暴，分析得出“玻璃温室”应以“搭建温室主体模型—组装温湿度检测系统—软件编程烧录程序—测试优化”四个步骤逐步完成。

③分组搭建模型。要求学生两人一组，使用结构类零件搭建出各式各样的温室主体模型，表达他们在建筑设计上的奇思妙想。

④编程调试。带领学生使用SmartArt工具画出温湿度检测系统的工作流程图（如图1），再借助图形化编程软件完成程序（如下页图2）并烧录到主控板中，不断调试温湿度检测系统。

⑤互换作品，分享建议。小组在全部完成后，相互交换“玻璃温室”成品。学生切换为用户角色，试用产品并向“生产者”反馈用户体验，提出建议。

在整个实践过程中，教师给予学生充足的创作时间，让学生在实践创新的过程中，锻炼独立探索能力、合作沟通能力、数字设备的使用能力、资源整合能力，提高数字化学习与创新能力及对人工智能的适应力和胜任力。

拓展迁移，研制火警报警器

学习迁移可以理解为在一种情境中获得的技能、知识或情感态度对另一种情境中知识、技能的掌握或情感态度的形成产生影响。在人工智能课程的设计中，教师应注意设置拓展环节，拓展的核心内容应与本节课的重难点保持一致，遵循最近发展区理论。这样既节省了资源和时间成本，又锻炼了学生举一反三、触类旁通的能力，以最高效的方式促进学生尽快达到下一发展阶段的水平。

在完成“玻璃温室”作品后，笔者顺势激励学生观察教室内的智能设备，并请学生说说这些智能设备内隐藏的传感器。学生注意到教室内的火警报警器，讨论得出其内部安装了温度传感器，当室内温度超过预定温度后立即发出警报声。教师借机鼓励学生利用温湿度传感器、蜂鸣器等零件研制火警报警器验证自己的想法。

通过上一阶段的学习积累，大部分学生可独立在计算机上规划方案、梳理创作步骤、制作流程图、设计算法、研制产品。在此阶段，教师要做的是表扬学生的前期表现，营造发明创造的氛围，并主动关注学生的差异，发现学生不同的思维角度，让每个学生都获得发展。

评价交流，感悟人工智能的魅力

在人工智能教学中，评价交流更是重要的环节。笔者设置了自我评价、小组互评、社区评价三种不同的评价主体，营造开放、宽松的评价氛围。

自我评价：采用电子评价单方式，围绕计算机科学原理理解、数字化技术掌握、学习态度、创新精神、行为活动五个要素设置详细的评价标准。

小组互评：借助问卷星平台，围绕系统规划、模型搭建、程序编写、产品功能四個方面设置评价标准，要求小组之间客观公正给予评价。

社区评价：教师在网络在线平台上创建学校造物圈，让完成作品的小组将作品上传到造物圈并发布到社区中。借助网络在线平台，学生可以登录自己的账号查看社区所有作品，互相点赞、交流评价作品。同时，教师可以鼓励学生将自己的作品设置开源，促进学生和社区中其他学校学生之间的相互学习。

多元的评价方式及评价主体，不仅可以强化学生数字化知识与技能的运用，还能促进学生在丰富多彩的作品中感悟人工智能的魅力，从而落实评价目标。

结语

人工智能的学习对当代青少年至关重要。教师应努力在信息科技课程中渗透人工智能相关内容，通过选取恰当的人工智能应用场景，创造条件让学生体验人工智能技术，分析案例让学生理解科学原理，规划微型智能系统，引导学生使用电子零部件搭建模型，设计算法编写程序，鼓励学生展示创作成果等教学策略，让学生熟练掌握数字化技术，提高学生数字化学习能力，促进学生创新思维的深入发展，从而使学生更好地适应信息化社会。

参考文献：

中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022：4.