大数据背景下基于项目化学习的小学人工智能教学实践思考——以“智能植物养护机器人”项目为例

王瑶 湖北省武汉经济技术开发区三角湖小学

王仕红 湖北省襄阳市南漳县九集镇完全小学

●项目研究背景

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）提出“通过课程学习，围绕学习任务，利用数字设备与团队成员合作解决学习问题，协同完成学习任务，在数字化学习环境中发挥自主学习能力，主动探索新知识与新技能，采用新颖的视角思考和分析问题，设计和创作具有个性化的作品”。[1]新课标的颁布推动了我国中小学人工智能教育的开展与实施，但是当下小学阶段的人工智能教育面临以下问题：①教材内容与当地教学环境不符，教学内容的环境搭建、器材复盘难以落实；②教学知识侧重于人工智能理论与模型讲授，学生较难理解；③只注重简单的动手实践活动，未能将其真正应用到生活中解决实际问题，学生兴趣缺失。针对以上问题，笔者结合小学生的认知规律、学习兴趣和学习需求，依托大数据平台，采用项目化学习的方式开展人工智能教学，旨在培养学生自主探究、项目组合作、综合实践和运用多学科知识分析解决问题的能力，促进学生核心素养的发展。

●项目划分及课时安排（如下页表）

项目划分内容学科课时安排项目一深研学情，提出问题信息科技,科学课后服务1 课时，一次60 分钟项目二组建团队，制订方案信息科技课后服务1 课时，一次60 分钟项目三创建产品，编程实现信息科技课后服务1 课时，一次60 分钟项目四测试改进，美化装饰信息科技,美术课后服务1 课时，一次60 分钟项目五产品推介，评价总结信息科技课后服务1 课时，一次60 分钟

●项目实施过程

项目一：深研学情，提出问题

“智能植物养护机器人”项目是中央电化教育馆人工智能小学版教材下册第三章“小小创想家”第二节《小小种植园》的改编内容，属于人工智能综合实践类课程，教学对象为五年级学生，笔者学校是人工智能课程规模化应用试点校，学生人人配备平板，利用平板自主学习已成为日常习惯。学生接触过人工智能未来派设备，对传感器功能有一定的了解，能够操作平板进行简单的编程，但是对项目式学习比较陌生，综合利用所学知识解决问题的机会较少，他们思维活跃，勇于探索，正处在从形象思维到抽象思维的过渡时期。

笔者结合学校空中种植园的实际情况进行了项目设计，并组织学生对空中种植园管理中存在的问题进行了调查。具体安排如下：课前让学生到“水精灵种植园”实地调研，搜集空中花园管理中存在的问题，观察并收集各项数据，对问题进行分析，思考解决问题的办法，并在线填写问卷。

笔者在对问卷数据进行整理时发现：学生提到的管理问题高频词有植物干枯、烂根、踩踏等；约有70.91%的学生表示对智能化管理兴趣最大，并提出如自动浇水、机器人管理、安装摄像头等建议。因此，笔者将项目主题确定为“智能植物养护机器人”。

项目二：组建团队，制订方案

（1）确定意向，组建团队

教师带领学生回顾项目一中的学习活动及问卷调查反馈，展示问卷大数据分析结果，得出学生最想制作的智能植物养护机器人种类。学生根据制作意向进行小组划分，相同意向的归为一个项目组，组成学习共同体。最终确定的四个项目组分别取名为YYDS队、地表最强队、番茄保卫队、打败番茄保卫队。

（2）学习职责，岗位竞聘

①岗位竞聘，人人有岗。学生按照分好的项目组完成岗位竞聘，明确竞聘要求：仔细阅读岗位职责表；组内竞聘并说明岗位胜任的理由（若有分歧，组内投票解决）；小组上台分享竞聘过程中遇到的困难以及解决办法。其他学生听后分享感想或建议。

②岗前培训，自主研学。教师将项目经理、项目工程师、项目设计师、项目监理四个不同的岗位职责要求上传到教学平台的七彩作业中，学生利用平板扫描各个岗位对应学习资料的二维码进行学习。共同学习任务包括人工智能未来派资料、各个设备的功能，为后期项目中的产品设计和实现奠定基础。

（3）头脑风暴，设计方案

学生小组交流讨论机器人的设计理念、外形、功能等，确定并完成机器人的设计方案，填写学习任务单。学生以小组为单位将学习任务单拍照上传至教学平台的七彩任务中，全体学生在云端浏览他组作品，并从信息与意识、思维与决策、合作与表达、艺术与创新四个维度进行项目学习评价。

（4）展示汇报，品评互动

教师利用教学平台整理学生点赞排行榜，邀请点赞数最多的小组分享项目设计方案和合作学习过程中遇到的困难及解决办法，并强调按照不同的岗位职责进行汇报。项目经理：从作品灵感、担任岗位原因、遇到的问题等方面进行汇报；项目设计师：从任职理由、作品设计图等方面进行汇报；项目工程师：从作品使用硬件、功能、任职理由等方面进行汇报；项目监理：依据项目评价单根据组员个人表现情况进行汇报。其他学生听取汇报，指出优点，并提出有针对性的建议。教师整理问题和建议，列出共性问题，学生针对问题提出解决办法。

（5）方案迭代，收获小结

在解决共性问题后，学生通过小组合作、修改设计方案、完成课中不同岗位的学习任务单等方式完善方案，并通过再次拍照上传、点赞评论的方式分享作品。教师对本项目活动进行小结，并下发项目三的学习资料，如算法及算法结构的微课、机器人拼搭模型参考图，供学生课后学习。

项目三：创建产品，编程实现

（1）算法设计，梳理思路

教师带领学生回顾项目学习活动，展示项目小组修改后的设计方案，提出本课任务——搭建机器人并编程实现对应的功能。由于前期大部分学生已经在线学习过什么是算法及算法的结构，因此，这里主要是由教师开展不同形式的检测活动。

①教师公布连线互动题，随机请学生上台连线，抽查学生对“顺序结构、分支结构、循环结构”三种结构流程图的认识。

②教师利用在线判断检测功能掌握全班学生对工作流程所属算法结构的判断，根据检测结果有针对性地进行重点讲解。

③学生根据项目组的设计方案，结合用算法描述流程图的方法，绘制本组的植物看护机器人流程图。

④教师将每个项目小组的算法流程图拍照上传到讲评板块，学生积极点评、提出修改建议，并上台用不同颜色的笔画出修改后的流程图（教师及时纠正和引导）。项目组合作修改组内的算法流程图。

（2）产品搭建，编程实现

①项目组根据教师提供的拼搭手册与本项目小组的设计方案，合作拼搭机器人。

②项目组根据本组的算法设计流程图，使用软件进行编程。

（3）展示汇报，评价小结

①项目组代表上台展示机器人外观、程序运行界面，分享编程和拼搭过程中遇到的问题及解决办法，汇报本小组设计方案中没有实现的功能，寻求其他小组和教师的帮助。

②其他学生和教师听取汇报，指出优点，提出有针对性的建议。

③教师总结本课的学习内容和智能植物养护机器人项目的完成进度，布置课后学习任务——思考美化装饰机器人的方式、准备对应材料。

项目四：测试改进，美化装饰

（1）项目回顾，明确任务

教师带领学生回顾项目学习活动，提出本课任务——测试改进智能植物养护机器人，并进行美化装饰。

（2）测试产品，发现问题

教师为每个项目组准备一盆植物，运行智能植物养护机器人，测试能否实现本小组的设计功能，学生记录机器人运行中出现的问题，小组讨论、分析问题产生的原因，并将遇到的问题分为已解决和未解决两类。对于已解决的问题，将其发表在讨论区供其他项目组学习参考；对于未解决的问题，其他项目组在讨论区回复解决问题的经验或者形成共性问题。

（3）头脑风暴，解决问题

①学生进行头脑风暴，讨论解决办法，教师针对共性问题集中讲解，如机器人智能识别植物、植物喜阴喜阳的土壤湿度值设定等问题。

②项目小组改进机器人的结构和程序，并反复测试直至达到预期效果。

（4）美化装饰，评价小结

①项目组根据设计方案与本小组准备的材料（彩色卡纸、扭扭棒、超轻黏土等）装饰机器人。

②项目组讨论微项目五产品推荐会的汇报形式并分工。

③项目组依据项目评价标准提供的信息与意识、思维与决策、合作与表达、艺术与创新四个维度进行自评。

④教师总结本课的学习内容和智能植物养护机器人项目的完成进度，布置课后学习任务——准备产品推荐会的汇报材料。

项目五：产品推介，评价总结

（1）项目回顾，明确主题

教师带领学生回顾项目学习活动，明确本课任务——产品推荐会。产品推荐后，将依据项目评价标准对每个项目小组的作品进行评价，选出最优产品投产到空中种植园使用，每位学生都是本次产品推荐会的评审员。

（2）产品推荐，品评互动

①学生对自己的项目学习活动进行自评，出示项目活动自评雷达图结果。

②项目组依次上台推荐自己小组的产品，分享小组在某个维度做得好的经验及作品优点，并操作演示。

③其他学生在评价量化表上进行记载，在项目小组分享后其他学生针对产品的亮点或疑惑进行提问。

④经过产品推介，学生对各组产品有了初步的了解。学生选择自己最感兴趣的小组进行体验、操作，对项目小组一对一提问解惑。

（3）组间评价，经验分享

①依标推荐，组间评价。学生以项目组为单位推荐自己最喜欢的作品，并在教学平台上从信息与意识、思维与决策、合作与表达、艺术与创新四个维度进行线上组间评价（教师整理线上问卷结果）。

②揭晓成绩，数据分析。教师出示大数据评价结果，横向对比信息与意识、思维与决策、合作与表达、艺术与创新四个维度表现最优的项目组及各个项目组在四个维度的纵向的表现柱形图。

③项目颁奖，发表感言。教师公布项目学习综合实力最强的小组，并出示其他组成员的评价高频词。冠军团队分享获奖感言。

（4）项目评价，拓展提升

①教师播放《智慧农业管理》视频，学生分享感受。

②教师强调核心技术自主可控的重要性。

③教师引导学生思考在整个项目学习活动中自己的收获和困惑。学生在线上讨论区发表收获和困惑。

●项目实践亮点

1.坚持目标导向，激发学生责任担当

本项目活动以二十大精神为指导，全力落实有理想、有本领、有担当新时代人才培养要求，将校园“空中种植园”的管理与中国现代化的智慧农业有机关联。由于城市里的学校校园空间、土地资源有限，大部分学生都没有种植经验。本项目以学校“空中种植园”的植物管理为研究对象开展实地调研，使用问卷调查分析得出忘记浇水导致干枯、浇水过多导致欧根、学生乱入采摘蔬菜等管理中存在的问题，进而聚焦智能化管理任务，如使用机器人智能浇水、人脸识别身份等。结合学生的认知水平和特点，确立了项目主题——设计智能植物养护机器人，并从校园植物园管理拓展到中国农业（农场）的智能管理，培养学生对中国现代农业的责任担当。

2.坚持问题导向，聚焦学生核心素养

本项目活动注重对实际问题的有效回应，精选对学生终身发展有价值的课程内容，着力改变课堂模式，聚焦学生核心素养的发展。学校的“空中种植园”是学生身边的事物，项目活动立足于学生生活，引导学生主动观察、分析与解决问题，提升学生的信息意识；在学生上网搜索、询问教师、制作不同形式的汇报作品过程中，让学生学会解决问题，提升其数字化学习与创新能力；在算法设计、编程搭建中，提升学生的算法思维；在设置浇水时长和浇水量的过程中，渗透节能环保、可持续发展的重要性，培养学生的信息社会责任感。

3.坚持创新导向，实践跨学科项目学习

本项目活动渗透STEAM教育理念，尝试跨学科项目式学习。学生在五个微项目活动中完成了实地调研、方案设计、算法设计、巧手拼搭和编程实践、产品推介的完整过程，将科学、技术、工程、艺术、数学、人文表达等多学科知识内化为综合能力，让学生的思维广度得以拓宽，让STEAM学习理念得以落实。

●结语

数字化是引领未来的新浪潮，以学生为主体的大数据背景下的项目化学习，充分体现了新课标强调的“要强化学科内知识的整合，统筹设计综合课程和跨学科主题学习”理念，探索了数字化转型背景下信息科技课程的新样态，做到了教学资源数字化、教学模式创新化、教学评价数据化。但本项目依然存在一些问题，如设备数量不足、前期准备工作较多等，这些问题使得本项目并未得到大面积推广。笔者后期将让更多的组内教师参与进来，继续深入探究，以便提高教学效率，促进学生的全面发展。