人工智能教学设计实践后的再思考——以智能家居系列“房间氛围灯”为例

孔 菊 马 敏 孔 军

(1.合肥一六八玫瑰园学校 2.合肥市习友小学 安徽合肥 230000)

一、人工智能教学宜采取项目设计方式进行

(一)什么是人工智能

美国麻省理工学院温斯顿教授认为,人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作。这反映了人工智能学科的基本思想和内容,即人工智能是研究人类智能活动的规律,构造具有一定智能的人工系统,研究如何让计算机去完成以往需要人的智力才能胜任的工作,也就是研究如何应用计算机的软硬件来模拟人类某些智能行为的基本理论、方法和技术。

简单来说,人工智能就是研究计算机如何才能代替人类思维,这就要求计算机能从已有“数据处理”功能进一步扩展到可进行“知识处理”,而这一能力范畴的转化促使人工智能学科得以快速发展。

(二)人工智能教学的特点

针对中小学生这一特定对象来说,进行人工智能教学必须先进行教学设计,需要考虑到学生的年龄特点。总体来说,小学低段要以理论故事和实践体验为主进行设计,小学高段及初中阶段则以理论阅读和实践操作为主进行设计。此外,人工智能教学设计要想高效付诸实践,需要在课程教学时满足学生的需求:一是课堂时间相对充裕,有机会操作实践和思考留白;二是推崇任务分解,由小组合作完成,体验探索成功的乐趣;三是人人有分工,每个学生都能亲身体验和思考人工智能带来的便利,真正让人工智能理念服务于学生。

(三)如何进行人工智能教学

根据内容划分,人工智能教学包括理论认识和教学实践两部分,二者同等重要,都需要教师认真进行教学设计,采用具体案例来具象呈现,带动学生去体验、去操作、去感受,从而让学生感悟理解人工智能。结合人工智能教学的特点来看,目前利用项目设计方式来组织教学,能让学生有更好的体验感,更好地达成目标,时间上有保障,从而保障教学效果的实现。

二、人工智能教学采取项目设计方式的利弊

人工智能教学采取项目设计的方式,是否就可高枕无忧、一劳永逸?笔者以某人工智能项目教学资源“智能家居”系列“房间氛围灯”教学项目设计为例,经过教学、实践、反思、再实践、再反思后,总结出人工智能教学项目设计方式的优势和弊端,具体如下。

(一)人工智能项目设计优势

“房间氛围灯”教学项目设计的典型特点是六步法教学:情境导入,明确任务(引入制灯任务);收集资料,制订方案(需求分析,方案设计);自主协作,具体实施(具体制作,任务分解);点拨引导,过程检查(不断调试纠错);展示成果,修正完善(不断完善和总结);评估检测,拓展升华(互相评价,拓展应用)。这既有其优势也有其弊端。优势是如此开展课堂组织教学,项目思路清晰、条理清楚,项目实施时间紧凑,项目效果相对明显,初学者易上手、学到知识,往往教学组织效果也相对比较理想,值得学习和借鉴。

(二)人工智能项目设计弊端

在肯定人工智能项目设计优势的同时,也要认识到其存在一些弊端,究其根源主要是忽略了对人的主观创造性的培养,一个项目几堂课下来,虽然教学顺利,学生作品多多,可是采访了我们的学习主体——学生后,回看记录:课程结束后他们对其体验满意吗?他们的需求得到满足了吗?他们的思维得到发散了吗?没有。而这正是教师需要关注的重点。

三、人工智能教学项目设计应遵循的原则

根据《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》和《人工智能白皮书》的双重指导,笔者提炼出人工智能教学设计可以遵循的项目设计六步法,同时要遵循教学设计四个原则。

(一)真实性原则

1.原案例导入

2.原则指导分析

根据真实性原则分析,此处提出两点疑惑:一是学生真实生活的需求,都有养护热带鱼的家庭情境吗?二是如果看不清鱼缸里的小鱼,直接打开普通灯即可,为什么一定要提出设计房间氛围灯?既然学生提出质疑和困惑,那就会影响学生学习的兴趣和动力。因此,提出项目任务——为什么要做这个项目,始终是教学设计的第一位,既要基于学生实际生活的迫切需要,又要能激发学生对此产生一连串的思考,以及迫切解决问题的内驱力。

3.现案例导入修改

一版:

课前点名时,发现一位同学上课没来,追问原因,是去医院看望爷爷了,因为爷爷前一天起夜不小心摔伤住院了。学生讨论:

学生1:因为夜里太黑,起来看不清路而摔倒。

学生2:可以摸着黑下来开灯。

学生3:我妹妹就是这样,开灯嫌刺眼,不开灯说太黑害怕,总是哭闹吵人。

师生共同愿望:能否利用所学的知识,制作小小夜灯解决爷爷和妹妹晚上视物不清的问题。(基于个人生活需求设计)

二版:

校园智慧图书馆正在建设落成中,同学们积极观看智慧图书馆开馆直播仪式,并体验在馆读书的感受,但同学们马上发现了几个问题:缺少自助管理、噪声过大、无法安静阅读。基于智慧图书馆环境,大家集思广益提出安装降噪提示灯。(基于校园生活需求设计)

(二)需求和分析相一致原则

1.原案例导入

任务师生互动活动及口语提示思考:有没有一种灯能够发出各种颜色的光?师:我们家里灯光的颜色通常都是白色或者淡黄色,但氛围灯需要发出各种颜色的灯光,你在生活中见过这样的小灯吗?它叫什么?(生答,互动)生:彩色灯,也叫作RGB灯,是一种能够显示出任何颜色的LED灯。师:它为什么叫作RGB灯呢?(生答,互动)生:RGB表示的是三种颜色,灯内部其实是由红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)三种单色LED灯组成的,通过三种单色灯发出的色光发生交集,发出最终的色光

2.原则指导分析

从理论上认识RGB灯及其原理,几乎没有任何分析和铺垫,直接过渡到RGB灯探究活动及学习硬件需求搭建。

3.现案例导入修改

根据小学生生活实际,教师提出关键问题,带着他们层层剖析,探究解决问题的本质,即需要什么才能解决当前问题,循序渐进地推进人工智能世界探索,引导学生理解人工智能便利生活。

一版:

二版:

于是实验猜想这种提示:对光颜色和光亮度的变化影响,继而利用RGB超声波传感器展开实验验证,了解与问题关联的因素,根据需求随机应变,设计作品来解决实际问题。

(三)科技并重原则

1.原案例导入

体验:软件控制RGB灯师:我们所用的RGB灯在RGB超声波传感器上,先观察一下它的位置和外观,软件控制积木如图所示。师:接下来同学们自己进行尝试,编写如下程序,看一下小灯亮的光是什么颜色。生:(打开软件,自主尝试)白色。师:根据图上的颜色组合,在程序中改变模块的RGB值,把所得结果写在方框里。红色+绿色= 绿色+蓝色= 红色+蓝色= 红色+绿色+蓝色= 活动结果了解RGB灯原理,通过实践掌握RGB模块的使用方法,改变灯光颜色认识:从功能认识触摸开关,了解基本原理师:小彩灯的问题解决了,可是什么时候灯光的颜色会变呢?回想一下家里的台灯是如何控制的。师生:大多数的台灯都有一个开关,按下开关灯能够亮灭,而现在有一种更方便的方式来控制灯光———触摸开关,用手轻碰开关就能被感应。房间氛围灯在手触碰触摸开关时,每隔0.5秒变换一个颜色,手离开触摸开关后,灯就会一直显示手离开时的颜色。师:观察触摸开关,并思考触摸开关是如何感应到触碰的。(生答,互动)师生:触摸开关起决定作用的是内部的触摸传感器,它通过检测电容变化来检测是否有物体触碰。由于人体组织中充满了传导电解质,它可以做电容发生变化,当手触碰到传感器电路板时,电容发生剧烈变化,传感器便能判断出它被触碰到了体验:编程探索触摸开关功能师:你能在软件中找到控制触摸传感器的积木吗?它有什么特点?

2.原则指导分析

原版很明显过多注重技术、教授技能,学生在活动中只是照葫芦画瓢,学案让我干什么我就干什么,没有自己的留白和创新思考,也许体验下来,会有一点对RGB灯、触摸开关的使用感悟,但是为什么学它、为什么用它,多数学生没有自己的深度思考。因此,教学设计的根本原则,是想清楚到底想让学生干什么、学会什么。

3.现案例导入修改

一版:

根据作品分析找出与功能对应的设备参数应用详情,为后续进行具体变量设置打下基础。

二版:

通过实验验证的设计思路感悟“光的三原色原理”,借助游戏来体验探究光颜色与RGB值的关系,利用数据对比分析来理解光颜色和亮度的变化原理,从而充分激发学生的学习兴趣,增强学生学习的内驱力和思考力,为进一步制作作品奠定浓厚的兴趣和理论基础。

(四)注重学生素养培养原则

1.原案例导入

分享:过程中的收获,讲解作品(小组分享:完成过程中的收获和体验)主题提示:1.每次触碰后灯光都会切换成随机的颜色,用到了“随机数”积木,你能用自己的话理解一下什么是随机数吗?2.RGB灯为什么能发出不同颜色的光?3.这个作品有哪几个功能?为了实现功能需要用到哪些逻辑结构和语句?活动结果搭建完成“氛围灯”的基本结构,并能理解编程的流程逻辑总结在本节课中,我们触碰控制RGB灯切换颜色制作氛围灯,遇到家中灯光颜色的变化改善居住环境,触摸传感器的加入也使我们对生活中电器的控制更加智能化拓展1.能不能让两个小灯亮不同的颜色?(分别控制左右小灯)2.除了操控方便外,你还知道触摸开关的哪些优点?安全性高。由于这种开关是通过触摸开启的,它采用的是全封闭的设计方式,因此我们在使用过程中不容易出现损坏的现象。触摸开关的安全性高,采用的是两层全密封面板,即使我们用湿手操作也可以放心使用,它有较好的防水和防潮性,在使用中也不容易出现触电、漏电等现象

2.原则指导分析

此部分的应用和拓展,虽然有拓展和升华之意,但仍停留在知识表面,引导大家谈论的是知识点,如随机数怎么用、触摸开关怎么用等,而小学生从知识技能层面来说,只要会简单使用即可,不需要做深入复杂的应用和训练。因此,教学案例设计的终极目标应该是指向学生素养,即培养的是怎样的人,培养人怎样的能力。

3.现案例导入修改

一版:

借助小夜灯的案例设计,学生体验到了智能设备所具有的优势,以及智能服务生活的便利。但是更多是倾向于STEM融合案例,需要再优化。

二版:

当同学们充分了解RGB值对光颜色亮度的具体影响时,小组合作很快就完成了设计作品的硬件搭建、算法设计和编程体验,甚至还提出更多的修改建议和创意想法,课堂可以为其提供更多的学习支架;也有少数同学课后通过查询网络资料了解三原色原理、加色法原理及其在生活中的相关应用,如全彩LED灯、彩色屏、景观秀等技术应用,还有LED全彩技术、彩色全息投影技术以及光的互补配色实验等,让理论学习更深更全,小学生虽年龄小但真是潜力无限。

此外,通过课程学习,同学们制作了自主原创可控作品——智慧图书馆降噪提示灯。虽然制作简单,但却真实解决了学生身边的问题,且每个作品都融入每组学生自己的创意,为个性化学习提供了可能。在经历作品制作和应用环节后,同学们自觉提升了信息素养和文明素养,一个个主动成为学校图书馆的“降噪宣传大使”;同时也验证了实验中的有变量和不变量,培养了同学们分析整理数据的能力,在变量中有序寻找规律,可以帮助学生突破难点,理解科学原理;学生在解决问题的过程中,既培养了正确的价值观,又培养了计算思维和学科核心素养,而且提高了实验探究能力和跨学科综合能力。