浅谈在STEAM理念下开发小学人工智能课程——以人工智能课程“智能感应雨量器”为例

董玉坤

(合肥市南国花园小学 安徽合肥 230000)

引言

人工智能时代,“学会学习”比“学了多少”更重要。STEAM理念兼具探索性、研究性和应用性特征,强调科技创新的同时注重实际应用。在STEAM理念的指导下,开发适合小学生的人工智能课程,不仅可以培养学生的动手操作能力、融合创新能力,还可以锻炼学生的跨学科学习能力,提高学生人工智能素养。

一、小学人工智能课程的开发背景与现状

(一)小学人工智能课程的开发背景

党的二十大报告指出:推动战略新兴产业融合发展,构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、绿色环保等一批新的增长引擎。其中提及的人工智能已然成为当前国际竞争的新焦点和经济发展的新引擎。未来的竞争是人才及人才培养的竞争,近些年来,我国正在加大人工智能教育的政策供给,例如国务院印发《新一代人工智能发展规划》,提出在中小学阶段设置人工智能相关课程,逐步推广编程教育。这些措施推动了人工智能和教育教学的深度融合,全面提高了学生对人工智能的整体认知和应用水平,让学生对人工智能产生浓厚的学习兴趣,开发学生学习潜力,为建设科技强国提供了人才储备。

(二)小学人工智能课程的开发现状

让学生群体具备人工智能素养是国家未来发展的需求。我们应当培养可以协作交流、善于批判性思考、具有跨学科思维能力和人工智能素养的能够解决真实问题的应用型创新人才。

然而,在小学阶段,人工智能课程并未普及。部分已经开设的人工智能课程也相对缺乏系统的理论指导和课程标准,而且不同地区所具备的软硬件也存在明显差异。此外,具备条件的地区也很少将人工智能课程作为一项常规课程,这些地区往往将人工智能作为一种竞赛,例如编程比赛、机器人比赛,等等。这些比赛主要的参赛教师一般都是科学老师或者信息技术老师,参与的教师和学生人数比较有限而且专业化程度较高,这导致语文、数学等学科教师大多无法加入其中,很多学生甚至没有接触人工智能的机会。

二、STEAM理念下开发小学人工智能课程的要求

(一)创建实验室

STEAM理念是一种注重学生实践的跨学科教育理念,它强调培养学生利用多学科的知识与技能解决实际问题的能力。为了使更多的教师和学生参与人工智能课程的开发与应用,应积极创建实验室,创造教学情境,同时定期检查实验室建设和使用情况,确保实验室建有所用。

(二)课程安排

STEAM理念指导下的小学人工智能课程分为三个阶段,分别对应小学低段、中段以及高段。

第一阶段:小学一、二年级培养学生对人工智能的学习兴趣,拓宽学生的视野,丰富学生的知识储备。

第二阶段:小学三、四年级传授学生基础的信息技术知识,培养学生对人工智能的探索精神。

第三阶段:小学五、六年级通过完整的人工智能课程培养学生的学科整合能力、实践能力、创新能力以及对人工智能技术的综合应用能力。

(三)师资培训

目前,基础教育领域和人工智能领域相结合仍处在初步阶段,这需要教育主管部门提供更多的学习机会和交流平台帮助教师成长,教育工作者应以更加开放的学习态度接纳新知识,探索新途径,求得新发展。

三、STEAM理念下小学人工智能课程的开发原则

首先,STEAM理念下的小学人工智能课程需要具备可操作性和挑战性。小学生对外界环境具有很强的好奇心以及探索精神,但他们动手能力还比较弱,所以课程的内容难度不宜过大,需要针对学生的年龄特点开发有趣的学生贴合日常生活的可操作的课程。但课程也需要具备一定的挑战性,防止学生缺乏学习兴趣和探索动力。

其次,STEAM理念下的小学人工智能课程需要具有可持续探究性。小学生具有极强的求知欲。对于小学生来说,可以持续探究的项目更能激发学生的兴趣,能够引导学生不断思考,为学生的终身学习奠定基础。

最后,STEAM理念下的小学人工智能课程应当充分考虑到学校的实际情况以及学生的认知发展水平,从学生的生活实际出发,引导学生发现问题、提出问题,进而解决问题。

四、STEAM理念下小学人工智能课程的开发思路

在STEAM理念的指导下,应以发展学生的创新思维能力和人工智能素养为核心目标,融合科学、数学、语文、信息技术等多学科知识,采用项目式学习策略展开分科教学,做好各学科间的衔接,引导学生通过完整的项目探究过程在不同学科的学习中得到良好的发展。所以教师在设计课程整体架构时应找到不同学科的交叉点,让学生在学习的过程中能够对所学知识进行合理化迁移。

五、STEAM理念下小学人工智能课程实践案例

“智能感应雨量器”是在2021年郑州暴雨灾害的背景下,以监测降雨量并提醒行人及时避险以及播报实时天气等为目标设计的人工智能课程。本课程的实施对象为五、六年级学生,为了更好地培养学生统筹规划、融合创新以及合作交流的能力,根据学科课程安排,笔者设计了6课时内容,包含雨量器的流程设计与简易制作、根据实际需求编程和优化、对雨量器进行美化和展示等活动。其涉及了工程、数学、科学、信息技术、美术、语文等多门学科知识,让学生在学习学科知识的同时,通过综合应用各学科知识动手实践完成项目作品制作。

(一)创设情境,确定主题——第一课“智能感应雨量器的设计流程”

首先语文老师带领学生观看2021年7月郑州发生的暴雨灾害资料,并引导学生提出问题:郑州发生的暴雨灾害给我们带来了很大的损失,天气预报已经播报了暴雨提醒,为什么有些人没有及时撤离呢?据了解,当时郑州已经发布了两次暴雨红色预警,可是民众大多对降雨量没有概念,不知道那些降雨量数字意味着什么,没能对“信号”给予足够重视,忽视预警所提到的风险,导致了一些不必要的损失。在此基础上,科学老师引导学生提出可以制作一个智能感应雨量器装置,当感应雨速和雨量达到一定程度后,会有语音报警提醒,并且智能感应雨量器还具备人脸识别、体温检测、视频宣传等功能,从而确定本次人工智能课程的主题——制作智能感应雨量器。

在确定项目之后,信息技术老师引导学生进行思考,分析智能感应雨量器的各个功能以及实现原理,确定设计方向。学生通过上网查询、看书等方法查找资料,扩展视野,丰富知识储备。在老师的指导下,学生进行课程要素分解、分组设计交流、方案具体实施等活动,经历完整的项目分析、规划、分解、设计、整合、优化的过程,培养了交流合作能力和工程思维。最后学生通过交流讨论确定智能感应雨量器的制作流程。

1.了解测量降雨量的科学用具——雨量器,尝试设计智能感应雨量器;

2.交流讨论,利用VJC软件编写程序;

3.搭建智能感应雨量器装置并测试;

4.对智能感应雨量器进行优化和美化;

5.对智能感应雨量器进行展示;对小组项目制作过程进行综合性评价。

(二)动手实践,结构搭建——第二课“智能感应雨量器的制作”

什么是雨量器?在制作智能感应雨量器之前,科学老师带领学生通过“自制雨量器”一课认识测量降雨量的科学用具——雨量器,知道雨量器是用来测量降雨量多少的工具。学生在了解雨量器的结构之后,综合运用工程、数学等学科知识通过组内合作制作一个简易雨量器。

智能感应雨量器应该如何制作呢?如何搭建智能感应雨量器的智能结构呢?带着这些问题,信息技术老师带领学生回顾相关电子知识,并介绍红外测距传感器、主控板、指示灯、显示屏等结构零件,引导学生思考在雨量器的什么位置安装传感器、安装什么样的传感器比较合适,以及对应的语音内容和视频内容是什么。学生参考小组项目设计图,分组将显示屏、摄像头、麦克风、红外测距灯等电子元件安装在已有雨量器中。

(三)完善设计,个性编程——第三课“智能感应雨量器的编程”

如何让组装的智能感应雨量器元件发挥效果呢?在信息技术老师的指导下,学生了解到可以通过编程让计算机理解人的意图,让计算机通过程序指挥电子元件按要求去工作。在老师的引导下,学生尝试独立使用VJC软件编写程序给智能感应雨量器添加水量识别功能。完成后,学生分小组对程序进行调试,使用图表对实验过程和结果进行测量和记录,经过交流讨论发现问题:有的程序数值设置不准确,水位未到指定位置报警装置就开始发出警示。有的程序循环设置不清楚,当水位降低时,报警装置还会发出警示。随后,学生分小组拆解问题,逐个分析,逐步解决,最终完成对程序的调整和完善,设计出了可以完美运行程序的智能感应雨量器。经过调试,当水位达到一定高度,雨量器就会发出警示并闪烁灯光提醒周围的人注意安全。

通过编程的学习,学生培养了逻辑思维能力和抽象思维能力,提升了创造性和计算能力,提高了耐心、细心和专注力。

(四)改进创新,项目优化——第四课“智能感应雨量器的优化”

对于制作好的简易智能感应雨量器还可以怎样优化呢?学生分小组进行讨论,最后提出几点优化方案。例如:

当智能感应雨量器监测到周边有行人经过时,利用播放器播放实时天气或者提前录制好的暴雨等自然灾害科普视频。还可以在雨量器旁安装储备柜存放灾害应急物资,当暴雨等自然灾害发生时,行人可以通过人脸识别打开柜门使用应急物资,等等。

针对学生提出的优化方案,科学老师在整理汇总后进行任务分配。语文老师带领学生拍摄科普视频。信息技术老师带领学生探究人脸识别的基本原理,引导学生经历建立人脸数据库、比对人脸、分析特征、连接互联网、利用大数据精准分析等过程,利用Python编程实现人脸识别功能,提升了学生创新能力和解决问题的能力,并发展了学生精细的运动技能和手眼协调能力。

最后,学生对优化完成的各个组件进行组装,完成了具备雨量检测、物资存储、视频宣传等功能的智能感应雨量器。

(五)设计外观,美化作品——第五课“智能感应雨量器的美化”

最后由美术老师带领学生对雨量器的外观进行设计。有的学生画出了精美的图案,有的学生编写了有趣的宣传标语,还有的学生制作了彩色装饰。学生在合作中完成智能感应雨量器的美化设计。

接下来,科学老师带领学生使用3D打印技术并利用防水材料对智能感应雨量器的外壳进行一体化打印,这样制作的智能感应雨量器不仅美观而且可以避免沙砾、灰尘、振动等干扰。通过对外观的设计,学生认识美、欣赏美、感受美、创造美的意识和能力提高了。

(六)交流展示,总结评价——第六课“智能感应雨量器的展示”

STEAM理念下小学人工智能课程的考核应当具备高度的灵活性,除了传统的评估方式,学生还需要向同学、老师展示项目成果。老师再根据展示效果进行评估和反馈,帮助学生改进执行方案,完善学生的作品。

通过智能感应雨量器的制作,每位同学都受益匪浅。课堂上,学生进行小组展示,分享制作成果和心得。教师引导学生探讨并投票选出最佳作品,给予获奖小组鼓励。针对小组遇到的问题,师生给出建议,及时地解决问题。

(七)持续探究,促进终身学习

在课程的最后,老师进行总结并引导学生思考:智能感应雨量器还可以怎样优化?我们还可以为其增加哪些实用的功能?这些功能如何去实现呢?虽然“智能感应雨量器”这个项目已经结束,但对雨量器的探究却没有停止。当学生掌握丰富的学科知识、拥有一定的人工智能素养后,我们可以引导其对雨量器进行再次升级,并且在生活中发现更多值得探究的项目。