小学人工智能跨学科教学实践与探索——以“智能循线小车”为例

唐燕南

(合肥市师范附属第四小学 安徽合肥 230000)

随着智能家居、智能校园、智能城市等应用在人们生活中的深入应用,人工智能相关产业越来越被重视。在2017年新一代人工智能发展规划中,国务院提出要在中小学设置人工智能相关课程。2022年颁布的《义务教育信息科技课程标准》,将人工智能作为课程内容中很重要的一块,并且规定实际教学中跨学科实践活动不少于本学科总课时的百分之十。当然,人工智能跨学科、多领域的特征决定了人工智能教育必须依靠跨学科的交叉融合。学科融合不但能够促进中小学人工智能教育快速发展,而且作为一种新型教学方式,在培养智能时代所需高素质人才方面也发挥着重要作用。

一、人工智能跨学科教学理论基础

当前,小学阶段开展人工智能教学的主要途径是,将人工智能教学与现有教材中可视化编程等相关内容结合起来,教学中注重学生对人工智能的体验。人工智能跨学科教学整合需要选择合适的教育理论作为理论基础,且需要经过一个逐步学习与认知加深的过程。

(一)建构主义学习理论

建构主义学习理论最早由著名儿童心理学家皮亚杰提出,又称结构主义学习理论,该理论主张知识是由个体主动建构的结果,学生的学习是一种基于行动的、不确定的情境探索过程。从而获取新的体验。学生在构建知识经验的过程中,需要利用已有知识经验对不确定的问题进行实践探究。因彼此间认知的多元化和心理的差异性会产生很多不同想法,通过探究过程中对新想法的交流,学生会获得创新性启发。

活动作为知识建构的中介,是知识经验与意义建构间的桥梁。“智能循线小车”以建构主义学习理论为指导,教师以“校园文化艺术节科技周”为活动背景,引导学生在具体情境中开展探究活动,运用原有知识结构中信息科技、数学、科学等学科知识背景,开展跨学科学习探究,建立学习与生活间的有机联系。

(二)“做中学”理论

“做中学”理论,即知识与经验联系起来,帮助学生实现新课标所倡导的“建立学习和生活的有机联系”。通过参加有趣且富有教育意义的活动,学生能够获得更好的成长。该理论认为学生在活动中的亲身经历,有利于学生加深对知识的理解。同时“做中学”理论要求教师为学生创造良好环境,充分调动学生的学习兴趣和积极性。让学生在学习过程中主动探究,不断获取和积累新的经验,提升解决问题的能力,增强学习自信心。为了让学生获得更多的主动权,教师需要放手教学,将课堂尽可能交给学生,通过科学合理的引导,培养学生的创新思维能力。

教师结合具体问题情境,对“智能循线小车”进行教学设计。教学过程中注重引导学生通过“做中学”探究问题,并借助在线学习平台开展模拟仿真实验,验证猜想,最终得出相关结论。通过小组合作探究,学生积累知识经验,思考及动手实践的能力都得到很好提升。

(三)学习迁移理论

有学者认为,学习迁移主要是指学生的一种学习对另一种学习的影响,或者说学生在一种活动中习得的经验对其他学习活动产生的作用,且产生迁移的重要条件是两种学习或经验间要具有共同要素成分。

“智能循线小车”一课的学习迁移,普遍存在于学生运用跨学科知识解决实际问题的学习实践中。例如,“学生借助原有信息科技、数学、科学等学科知识,帮助自己思考智能小车循线算法”“知识结构中Scratch可视化编程技能,对掌握本课的图形化编程具有促进作用”“科学课上学习的光的三原色原理,对学生在拓展环节设置车灯颜色也有启发”。这些都属于典型的学习迁移现象。教师鼓励学生在不同知识之间进行迁移,有助于学生知识的深度掌握,帮助学生扩充知识宝库的同时,也提升了他们运用跨学科知识解决实际问题的能力。

二、人工智能跨学科教学实施策略

学生习得的知识和技能是相互关联、密不可分的,任何一种能力的形成都需要多门学科知识的支撑,单靠一门学科是不够的,跨学科教学可以帮助学生形成综合能力。以往信息科技与其他学科融合,通常只发挥教学演示、信息交流加工的作用,教学侧重于知识和技能的掌握。本研究以“智能循线小车”为例,探索小学人工智能跨学科教学实施策略。

(一)基于真实情境,确定合适主题

新课程标准倡导,课程要面向学生生活,建立学生学习与生活之间的有机联系。“智能循线小车”注重教学内容与学生现实生活的有机结合,以“校园文化艺术节科技周”为活动背景,以“智能交通”为项目主题。将信息科技作为主体学科,将其他学科作为资源供给及智力支持。创设真实的学习情境吸引学生的兴趣,激发学生学习人工智能的热情。

(二)采取小组合作,组织项目学习

小组合作学习形式有利于学生进行合作与交流,培养学生的团队协作能力。“智能循线小车”教学分享与交流环节,教师请学生以小组为单位上台展示作品,分享学习成果,并在组内开展自评、互评。学生通过在小组内开展交流活动,分享不同的想法,获得创新性启发,思维得到拓展,动手实操能力及团队协作能力也得到很好提升。

(三)结合多种要素,设计项目任务

教师结合多种要素进行跨学科项目任务设计,促进学生不同知识、技能间的学习迁移。“智能循线小车”以“智能交通”为活动主题,充分利用学生经验结构中的一种活动经验对另一种学习活动产生促进作用,使学生具备全方位的信息科技素养,帮助学生建立知识间的有机联系。

(四)营造开放氛围,激发学习兴趣

教师为学生营造更加开放的项目学习氛围,构建良好宽松的沟通环境,促进学生作为学习主人的主体意识发展,注重引导学生在做中学、学中做、做中创。学生在教师搭建的交流展示平台上,根据实际需要选用合适的软硬件作为学习支撑,进行创造性自主学习。通过在真实情境中交流分享、动手实践和协作探究,深刻体验智能车的智能感知和智能交互。

(五)完善评价环节,巩固学习效果

好的跨学科教学离不开有效的评价反馈机制,在开展教学评价时,教师应关注学生的学习过程,以学生课堂表现为基础,重视评价对学生行为和动机的引导作用。为促进跨学科主题教学目标的达成,教师需要从促进学生跨学科主题学习的角度出发,构建一套科学、合理、有效的跨学科教学评价机制。在评价工具设计环节,首先界定评价内容,明确评什么;其次注意评价方式的多样化,确定怎么评。在评价活动的实际开展中,教师可采用网络问卷、座谈等多种途径采集数据并进行分析,以调整接下来的教学侧重点。

三、人工智能跨学科教学实践

在小学开展人工智能教学是时代发展需要。本学期,我校依托商汤人工智能数字化学习平台,针对不同年龄段学生设计了三种不同难易程度的人工智能课程,分别是人工智能启蒙课、普及课和培优课。笔者通过研读新课标中有关人工智能及跨学科教学相关要求,梳理我校人工智能社团课中跨学科教学内容,最终决定以与学生生活密切相关的“智能交通”为主题,选中“智能循线小车”作为本研究教学实践案例。

(一)情境导入

教师通过创设真实学习情境“校园文化艺术节”,激发学生的学习兴趣。为向全校师生展示“智能交通”魅力,教师鼓励学生运用已掌握的Scratch编程技能,借助商汤人工智能数字化学习平台,通过编程控制智能小车沿着椭圆赛道自动行驶。

(二)活动探究

1.登录平台,编写程序

学生根据循线原理及智能小车沿着椭圆赛道自动循线的算法分析,在商汤人工智能数字化学习平台上编写程序,连接小车观察循线程序运行效果。当观察到智能小车循线失败后,教师引导学生分析和思考循线失败的原因,进而提出实验猜想:影响智能车循线的因素可能是移动时间、移动速度及转弯角度。在实验探究环节,教师根据实验猜想设计三个实验任务,并引导学生利用循线原理,采用物理上常用的变量控制法开展实验探究。

2.修改参数,实验探究

学生通过修改参数,验证实验猜想,得出以下结论:移动时间、移动速度及转弯角度均会对智能车循线效果造成影响。在实验总结环节,教师通过引导学生思考:除以上三个影响因素外,实际生活中是否还存在其他影响因素,引发学生想到地面平整度、小车轮胎磨损度等,也会影响智能车的循线。

学生在验证有关影响智能车循线因素的实验中,基于真实问题情境,全身心投入,不仅在实验过程中了解了无人驾驶车的运行原理、过程与控制系统的特征及实现方式,也进一步理解了计算机解决问题的过程,锻炼了高阶思维,持续提升了数字素养及严谨负责的信息科技价值观。

(三)拓展分享

为拓展智能小车循线功能,增加智能小车在艺术节上展示的观赏性,教师设计了绚丽灯光秀环节,引导学生利用科学课上学习的光的三原色原理,以及“设置车灯颜色”指令,让小车实现循线过程中车灯颜色与颜色传感器检测到的颜色保持一致。培养学生创新能力的同时,也提升了学生运用跨学科知识解决实际问题的能力。

(四)总结评价

学生根据本课表现,在组内开展自评、互评。教师根据学生的回答,做出合理点评,真正实现教学评一体化。

(五)实践应用

课程要面向学生的生活,教师通过播放与学生生活密切相关的三个视频:《无人驾驶车》《智能送餐车》《无人清扫车》,向学生展示循线原理在生活中的应用场景,让学生深刻感受循线技术在生活中的广泛应用,以及人工智能技术给人们生活带来便捷,引发学生对未来智慧社会的期待。激发学生对人工智能的兴趣,帮助学生建立学习与生活的有机联系,为以后人工智能其他相关课程的学习打下良好基础。

四、人工智能跨学科教学反思

跨学科教学最终目的不仅仅是教学形式上的改变,知识维度的浅层课程整合会导致学科间的僵硬结合。只有从各学科底层逻辑出发深入分析,找寻可以融合交互的交叉点,进行深层次整合,才能达到圆融而完满的整合效果。

“智能循线小车”基于“校园文化艺术节科技周活动”的真实情境,以“智能交通”为项目活动主题,将知识建构、技能培养与思维发展融入教学。引导学生借助在线学习平台资源,尝试模拟仿真实验,利用跨学科知识解决智能车循线问题。

(一)基于真实情境设计

新课标倡导教师要帮助学生建立学习与生活间的有机联系。以往通过对系列化人工智能课堂教学实践进行分析,笔者发现虽然日常生活中充满众多人工智能工具,但很少有小学生能够理解并主动去探索人工智能方面的知识。兴趣和内在动机是培养创造力和持久力的关键,所以,在人工智能跨学科课程的导入方面,教师应立足于学生的好奇心和兴趣点,创设真实的项目情境,帮助他们建立学习与生活的有机联系,发挥他们自主学习的积极性。再引导他们借助在线学习平台等学习资源,开展模拟仿真实验,大致了解人工智能的基本原理,实现人工智能相关学习内容的意义构建。

(二)关注教师角色转变

5G、物联网、人工智能、区块链、元宇宙等新技术的快速更新发展,不但对人工智能授课教师提出了新要求,而且也为课堂改革与创新及教师角色转变提供了新思路。在开展人工智能跨学科教学中,为促进学生全面发展,教师应以学生为主体,以项目为主线,承认学生作为探究者和发现者的主体地位,充当学生开展创新活动的顾问和催化剂,充分发挥学生学习活动的连接者和协作者作用。为紧跟教育部“教育数字化战略行动”计划,适应数字化时代对中小学人工智能师资的需求,中小学教师应主动作为,积极参与各类人工智能师资培训活动,综合提升自身人工智能教学水平。

(三)注重培养学生人工智能伦理规范

在2021年9月发布的《新一代人工智能伦理规范》中,国家新一代人工智能专业治理委员会规定,为促进公平、公正、和谐、安全,增强全社会的人工智能伦理意识与行为自觉,负责地研发与应用人工智能,避免偏见、歧视、隐私及信息泄露等问题,需将伦理道德融入人工智能全生命周期。因此,中小学教师在开展人工智能教学时,应注重对学生进行人工智能伦理规范方面的培养。教师可以在实际教学中抓住契机,设计人工智能伦理方面的主题讨论。在学生进行真实讨论和观点碰撞的过程,教师进行合理引导,帮助学生形成良好的人工智能伦理素养及信息科技价值观。