AI助力五育融合落地项目式学习实践研究

顿卜双

习近平总书记在全国教育大会上提出：“全面贯彻党的教育方针，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。”^[1]教育是功在当下、利在千秋的德政工程，建设“五育并举、融合育人”教育体系，在“终身育人”“智能育人”“融合育人”^[2]中引领基础教育走向高质量发展，是发展核心素养、落实立德树人根本任务的重要途径。在中小学教学中实现五育并举和深度融合的关键是寻找一个有效的教学载体。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》将人工智能列为信息科技课程内容模块，并强调人工智能课程要以真实项目为依托^[3]。人工智能学习项目因自带的育人效能及跨学科特性，为五育融合落地提供了一条可行路径^[4]。笔者设计“南果北种乡村梦，AI果园海源情”项目，利用人工智能技术助力五育在该项目中的融合落地，并进行了实践。

一、AI赋能五育融合的优势

（一）AI项目，拓展五育融合时空路径

五育融合强调德、智、体、美、劳五育之间的协调发展，注重五育间的深度融合^[5]。AI项目式学习是指学生在较长一段时间里，围绕真实、复杂问题，利用人工智能技术不断展开探究，最终促进项目问题的解决。五育融合与人工智能项目式学习的系统性、整体性高度契合^[6]，拓展了五育融合时空路径。

（二）AI活動，创新五育融合落地载体

人工智能项目式学习可以开展丰富多彩的项目活动，在创新五育融合落地载体方面有其独特的教学优势。在项目中可以通过大语言模型关注时政热点渗透德育；通过程序编写活动提升智育；利用人工智能技术解决农作物在种植、养护、采摘、分拣各环节劳作问题加强劳育；在人工智能作品硬件拼搭和颜色设计活动中增强美育；项目任务的完成多采用小组协作探究形式，引导学生学会与人合作，强化体育团结精神。

（三）AI内容，丰富五育融合时代内涵

当今社会已步入智能时代，机器学习、专家系统、无人驾驶等内容为五育融合注入了前沿科技，丰富了五育融合的时代内涵。在人工智能项目式学习中，学生一方面要设计拼搭作品模型，一方面要分析作品功能完成程序编写，运用自己编写的程序运行硬件模型。在项目过程中，学生像产品研发人员一样利用人工智能技术解决真实问题，创造能力、设计能力、动手能力得到激活。

二、项目设计

（一）项目目标

笔者依据《关于深入推进“五育”融合实践的提案》《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》《项目化学习的实施：学习素养视角下的中国建构》，提出“南果北种乡村梦，AI果园海源情”项目目标：

1.德育为先：学生了解乡村振兴、海源对口帮扶等时政热点，增强人工智能社会责任感。

2.劳育为本：学生走近“火龙果的一生”，了解火龙果的生长习性、挂果时长、采摘困难、大小分拣，体会果农劳作问题。

3.智育为重：学生了解智能农业背后的科学原理，能够利用人工智能技术实现“南果北种”，助力乡村振兴，同时将果农从繁重农业劳作中解脱出来。

4.美育为要：学生关注作品程序优化、硬件结构拼搭及颜色设计等，感知结构美、颜色美、逻辑美。

5.体育为基：在长时间的小组协作过程中，学生掌握合作技巧，培养团队合作的体育精神。

（二）项目架构

该项目依托项目式学习的形式，立足于火龙果（南果）在宁夏泾源县（北种）劳作问题，引入人工智能技术，智能化“火龙果的一生”。项目实施过程不断促进五育的深度融合、协调发展。项目整体体现在“乡村振兴、海源帮扶”大情境中，让学生了解国家乡村振兴，促进德育。光温控养护果架、果“脸”识别采摘臂、无人出园运输车、大小自动分拣机系列内容循环落地。学生在项目的循环反复中深入分析程序逻辑，促进计算思维发展，提升智育水平。基于“火龙果的一生”中的劳作问题，学生直观感受人工智能技术带来的农业发展，了解现代劳动形式，接受劳动教育。整个项目学生均需要与同伴合作完成任务，学生不断学习合作技巧，内化团结精神，培养合作、团结的体育品德。在作品拼搭与欣赏过程中，学生感知结构美、颜色美、形态美的创美能力不断提升。项目的出项环节升华至家乡人的担当：为宁夏建造火龙果园，促进乡村振兴。这将德育提升至更高水平，完成项目出项。该项目时长为11课时，参与对象是有人工智能课程学习经历的七年级18个班学生，项目整体架构如图1所示。

（三）项目内容

依据项目架构，笔者对项目内容从AI核心技术、智能硬件、数字资源支持等方面进行细化（见表1）。

1.光温控养护果架利用专家系统、物联网技术、亮度传感器、温湿度传感器、眼灯等技术，智能保障适合火龙果生长的光照和温度。

2.智能识别采摘臂利用图像识别、超声波测距技术，机械臂伸缩、旋转实现智能采摘。

3.大小自动分拣机利用机器学习大小火龙果模型，实现果实智能分拣。

4.无人出园运输车利用按压传感器统计火龙果数量，利用无人驾驶技术实现智能出园，并结合语音识别和颜色识别实现下一辆小车自动驶入，实现运输的无缝衔接。

（四）项目评价

项目评价依托于“课堂有点酷——量规”数字工具开展，分为随堂评价和阶段评价。随堂评价主要由教师根据学生课堂任务完成、小组合作、课堂发言等情况及时评价。每个微项目完成后即开展一次阶段评价，主要从德、智、体、美、劳五育维度展开，采用自评、互评、师评多元主体评价方式。教师在入项环节，向学生阐明项目评价方式及评价内容，为学生的项目学习指明方向。项目阶段评价表如表2所示。

三、项目实践

（一）项目整体实施

人工智能项目式学习实施路径涵盖“入项探索—知识与能力建构—合作探究—形成与修订成果—出项—反思”^[7]环节。项目的系统性和整体性拓展了五育融合的时空路径。

1.“海源情深”入项，突出德育实效

注重价值观的培养、突出德育实效是优质入项的关键特征。入项要让学生积极主动建构，产生解决项目问题的强烈意愿。多样的入项事件可以增强学生体验感，如：真实体验类（实地参观、实践体验），模拟体验类（演讲，特殊人群真实需求），阅读体验类（文本、视听资料，新闻事件）等^[8]。

“南果北种乡村梦，AI果园海源情”融入道法知识，借助新闻事件“厦门海沧区与宁夏泾源县对口牵手、南果北种实现乡村振兴”入项，让学生了解乡村振兴是国家目前三农工作的新重心，了解海沧与泾源对口帮扶历史，感知海沧人的责任与担当。学生的学习热情、个人使命感被前所未有地激发了起来。随后，教师创设情境由学生接收宁夏泾源致富代表陈大伯在泾源建设“AI火龙果园”的委托函，正式进入人工智能项目学习。

【入项问题】2020年底，脱贫攻坚战取得全面胜利，党中央将全面推进乡村振兴作为“三农”工作新重心。厦门市海沧区与宁夏泾源县携手20载，南果北种是两地对口共建的新项目。来自泾源县乡村致富代表陈大伯发来委托函，急需“AI火龙果园建设方案”，如果你是策划者，你会如何策划该方案呢？

2.知识能力建构，提升智劳水平

智能时代，学生获取知识的途径更加精准化，教师可以引导学生利用大语言模型获取项目知识。“南果北种乡村梦，AI果园海源情”项目知识包括以下内容。

（1）背景知识：乡村振兴、海源帮扶等。

（2）核心知识 ：机器学习、物联网、无人驾驶、图像识别、语音识别等技术包含的科学原理，循环结构和分支结构算法结构，硬件模型拼搭设计、专业术语（横梁、主板、插销）、智能传感器功能等。上述人工智能技术和原理是项目核心知识，有助于提升智育水平。

（3）特定知识：火龙果种植条件、采摘事项、分拣依据、挂果时长等生物学知识，火龙果南北方价格差异等经济学知识。上述知识是经济、农业领域特定知识，有助于加强劳动教育。

3.小组合作探究，强化美体熏陶

项目的完成离不开知识与能力建构和合作探究环节。小组合作以3人为一组，完成硬件拼搭、程序编写及调试。在合作探究中，学生感知团结合作的体育精神。在硬件拼搭中，学生从硬件颜色、结构、外形方面不断优化创新，增强美育熏陶。好的合作探究既要为每个组员提供平等共享的机会，又要讓所有人在自身基础上获得知识积累和能力提升。

4.招标会议出项，落地五育融合

出项是小组要将合作成品以令人印象深刻的形式展示出来。本项目采用在线“AI火龙果园建设方案招标会”形式出项，出项对象是海沧和泾源两地果农。教师将课堂上学生小组利用数字视频、PPT演示文稿、PS手绘等形式介绍建设方案的过程录下来，发给两地果农提出意见。全班小组在课堂上进行招标投票，票高组中标。

（二）项目实施案例

“南果北种乡村梦，AI果园海源情”项目包括光温控养护果架、果“脸”识别采摘臂、无人出园运输车、大小自动分拣机4个微项目，在项目整体实施中位于知识与能力建构和合作探究环节。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》建议人工智能教学贯穿场景分析、原理认知、拼搭编程、迁移运用等步骤。笔者将课标要求细化为详细教学流程，如图2所示。教师引导学生在多个人工智能微项目的循环学习过程中，不断提升五育水平。五育从浅层融合螺旋上升到深度融合，在人工智能项目中得到协调发展。

下面以“果‘脸识别采摘臂”为例阐述微项目的实施过程。该案例包括3课时。第1课时主要内容为了解火龙果采摘劳作问题，分析智慧采摘核心原理、技术及程序逻辑，设计拼搭采摘臂模型。第2课时主要内容为理解图像识别技术科学原理，训练、加载、检验图像识别模型。第3课时主要内容为硬件连接，应用图像识别模型编程运行采摘臂，分享作品并不断优化功能。

1.智慧采摘场景感知

教师播放关于火龙果生长、开花、结果的短视频，问：火龙果在采摘中会遇到哪些劳作问题？学生分析：挂果时间有限，采摘工作量大，急缺人手……教师接着播放智慧采摘视频，让学生直观感受人工智能技术实现无人采摘后为劳作方式带来的变革，初步感知人工智能技术与社会的关系。该环节主要以真实果园场景及采摘劳作问题导入，达到激发学生兴趣、加强劳动教育的目的。

2.人工智能原理认知

学生边看视频边分析智慧采摘的核心技术及功能：图像识别和机械臂采摘。教师随即播出识别技术视频合集“一分钟带你了解人脸识别”“车流量瞬时统计”“安全头盔佩戴监测”等，引导学生分析图像识别技术背后的原理路线：图像采集—数据预处理—关键特征提取—模型训练—图像识别。在本环节，学生的抽象概括能力、逻辑思维能力得到大大提升，智育效果凸显。接着，教师组织学生小组合作参照uCode软件模型库完成机械臂模型拼搭。模型结构的调整、色彩的搭配强化了美育熏陶，小组合作的顺利开展无形中推进了协作化体育教育。最后，教师引导学生对果“脸”识别采摘机功能进行描述和拆解，顺势带出初级、中级、高级小果农三个进阶任务。三个进阶任务依次为：果“脸”识别模型训练、机械臂识别采摘、超声波测距和机械臂伸缩采摘。

3.合作编程创意作品

该环节教师需要不断引导学生小组合作并梳理思路：识别模型训练及应用的步骤是什么？采摘臂运行的程序逻辑是什么？运行哪些硬件，传感器ID是多少？对高阶思维智育及协作化体育提出了更高要求。

（1）初级小果农。教师为学生提供成熟火龙果、不成熟火龙果图像数据库，组织学生参照操作微课利用uCode软件合作训练果“脸”识别模型。训练完成后，学生加载应用模型发现识别置信度偏低，教师顺势组织讨论：提升图像识别准确性的方法有哪些？学生不断尝试实验，最后全班讨论得出结论：增加分类图像数量，减少识别火龙果背景干扰等方法可以提升识别置信度。火龙果识别模型训练及应用如图3所示。

（2）中级小果农。学生将拼搭好的机械臂和软件连接，分析作品功能：如果识别到成熟火龙果，那么机械臂开合采摘。学生完成程序流程图思路梳理后，编程实现采摘臂开合效果。在这个过程中，教師需要提醒学生易错点。

（3）高级小果农。依据采摘真实情境，为实现采摘不同高度的火龙果的功能，项目引入超声波传感器。如果传感器检测到距离较远，那么机械臂将会伸直。有了前面任务逻辑铺垫，学生很容易完成测距采摘编程。这部分作为拓展任务，不对全体学生提出要求。作品完整程序如图4所示。

4.拓展迁移作品优化

教师引导学生思考果“脸”识别采摘机械臂的局限性，发散思维，将所学内容进行迁移，优化作品功能。如：学生提出可以使用无人机解决机械臂在果园中移动缓慢的问题。有学生想利用图像识别技术在水果病虫害防治、除杂草等维度完善采摘臂功能。还有小组提出，可实现对更多水果（芭乐、莲雾、荔枝、杨桃等）的智慧采摘应用。本部分主要引导学生了解人工智能技术的特点、优势和边界，畅想技术赋能现代农业，开展劳育和智育。

五、实施效果

为评估人工智能助力五育融合在项目式学习中的落地效果，笔者采用问卷调查的方式对七年级18个班共864位学生从德、智、体、美、劳五个维度进行追踪测评：“德”指学生对乡村振兴、海源帮扶等时政及利用人工智能技术实现南果北种等意义的认识。“智”指学生对程序的编写、调试、运行。“体”指学生小组合作技能的掌握，团结协作精神的提升。“美”指学生从作品结构美观、颜色搭配等方面美化作品意识的提升。“劳”指学生了解火龙果种植、采摘、运输、分拣阶段果农遇到的主要劳作问题，使用人工智能技术化赋能农业能力的提升。问卷采用李克特量表方式，追踪“非常同意、同意”学生比例数据。依据项目整体实施及微项目进行时间节点开展，这种测评方法可以呈现学生五育水平的动态发展过程。

从图5可以看出，在人工智能项目实施过程中，学生的五育水平得到不断提升，其中劳育水平得到提升的学生占比最大，德育紧随其后。这可能与学生平时对水果种植、乡村振兴等知识了解较少，在项目学习中这两部分空白得到迅速填补有关。实践表明，人工智能助力五育融合在项目式学习中的落地效果较好。

六、总结与展望

在“南果北种乡村梦，AI果园海源情”项目式学习中，学生亲身实践了图像识别、无人驾驶、语音识别、多样智能传感器等人工智能技术。在整个项目学习过程中，学生对乡村振兴、火龙果劳作等德育与劳育内容的了解达到前所未有的深度。学生抽离出项目背后的“如果……那么……”算法逻辑，智育水平达到新的高度。硬件模型颜色美、结构美、程序简练美等也在无形中实现了美育。学生思考如何开展小组合作，如何发挥团队作用，体育精神效果明显。整个项目过程中，学生增强利用人工智能技术造福社会的责任感。实践证明，人工智能项目式学习是促进五育协调发展、深度融合的可行途径。

注 ：本文系厦门市教育科学“十四五”规划2022年度课题“五育融合视域下人工智能课程资源开发与实践研究”（课题编号：22166）、厦门市海沧区第一期“市管区培”市级学科带头人课题“基于UbD的初中人工智能项目化学习实践研究”（课题编号：XMXDHC20230101+050）的阶段性研究成果。

[1] 李有毅.在实践中深入推进“五育”融合[N].人民政协报，2021-04-28（9）.

[2][5][6]朱秋庭.运用人工智能为“五育并举”赋能[J].中小学信息技术教育，2021（S1）：13-15.

[3] 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] 陆康其，杨玲.以项目化学习推动五育融合的探索[J].上海教育科研，2021（7）：83-87.

[7][8]夏雪梅.项目化学习的实施：学习素养视角下的中国建构[M].北京：教育科学出版社，2020.

（作者系福建省厦门市海沧区北附学校教育集团京口中学一级教师）

责任编辑：李媛