如何利用人工智能课程培养小学生的创新思维

黄秀娟

随着科技的飞速发展，人工智能已经渗透到各个领域，尤其是在教育领域中发挥的作用越来越显著。在中小学引入人工智能课程，对培养学生的创新思维和问题解决能力具有重要意义。本文以长沙市芙蓉区实验小学开发的人工智能课程“智慧种植基地——自动灌溉系统工作原理”为例，探讨如何利用人工智能课程培养小学生的创新思维。

一、人工智能课程的特点

人工智能课程具有实践性强、跨学科等特点，能够为学生提供丰富的创新实践机会。学生在课程中通过解决实际问题，不仅能够掌握人工智能的基本知识，还有助于创新思维和问题解决能力的提升。

二、人工智能课程的具体实施

长沙市芙蓉区实验小学一直致力于人工智能课程的建设与开发，人工智能课程遵循“学生为主体，教师为主导”的原则，鼓励学生从实际生活中发现问题、提出问题、分析问题、解决问题，并学会拓展迁移，思考如何将所学的知识与技能运用到其他领域或解决其他问题。现以“智慧种植基地——自动灌溉系统工作原理”为例，阐述人工智能课程的具体实施过程。

1.發现问题

近年来，学校坚持立德树人，推动“五育并举”理念的实施，在校内开辟了种植基地。在种植基地，学生可以亲手触摸每一片叶子，感受它们的生命力；可以看到植物从发芽、生长、开花到结果的全过程，体验生命的力量。然而，学校种植基地在寒暑假期间因无人管理导致植物生长受限，每次开学都会呈现出一片荒芜的景象。为了改变这一现状，经过思考和研究，我们发现利用自动灌溉系统可以解决植物生长的问题，于是决定在Scratch中编写程序来模拟实现自动灌溉系统工作的过程。

2.分析问题

以小组合作的形式通过查阅资料、学习自动控制系统理论，确定解决这个问题的基本思路；以自动控制系统理论为基础，通过土壤湿度传感器实时监测土壤湿度，并将数据反馈给控制中心；控制中心根据预设的湿度范围与实时数据进行比较，做出相应的控制决策；最后通过水泵和灌溉管道的执行机构实现对土壤湿度的自动调节。

3.解决问题

（1）确定系统需求

学校种植基地在寒暑假期间需要利用自动灌溉系统来维持植物生长。通过Scratch程序编写实现自动灌溉系统的演示效果，以满足这一需求。

（2）了解工作原理

学生通过上网查找资料了解土壤湿度对植物生长的重要性，以及科学家建议的适宜植物生长的湿度范围（17%～44%）。

学生能够理解自动灌溉系统的工作原理：土壤湿度传感器实时监测土壤湿度，控制中心根据实时数据与预设的湿度范围进行比较，并控制水泵的开关状态。

（3）创建角色和背景

在Scratch中导入土壤湿度传感器、控制中心、水泵、水滴、水花等角色以及种植基地场景作为背景，通过图片帮助学生在头脑中建立感性形象，并利用角色和背景建立模拟自动灌溉系统的运行过程。

（4）编写脚本与设置逻辑条件

学生为每个角色编写脚本，实现它们的基本功能，如传感器检测湿度、控制中心做出决策、水泵执行开关动作等。

在编写脚本的过程中，学生需要设置适当的逻辑条件来控制角色的行为，确保系统能够按照预期工作。例如，当土壤湿度低于17%时，控制中心应发送开启水泵的指令；当土壤湿度高于44%时，控制中心应发送关闭水泵的指令；当土壤湿度在预设范围内时，保持当前水泵状态。

（5）测试和调试

完成脚本编写后，学生对系统进行测试和调试，检查各部分功能是否能正常使用、逻辑是否正确以及交互是否顺畅。

在测试和调试过程中，学生可能会发现一些问题或不足之处，并进行相应的调整和优化，以提高系统的稳定性、可靠性。

（6）总结与反思

经过上述步骤的实践和操作，学生对自动灌溉系统的工作原理和Scratch编程会有更深入的理解。此时，学生可以总结在开发过程中遇到的问题和解决方法，以及从中学到的知识和技能。此外，学生还可以思考如何将所学的知识和技能应用于其他场景或项目中，以及如何进一步改进和完善自动灌溉系统以满足更多需求，等等。

4.拓展延伸

问题解决后，教师进一步启发学生思考：自动灌溉系统在生活中还有哪些应用？生活中还有哪些自动控制系统，这些自动控制系统都采用了什么传感器进行自动控制？

三、人工智能课程的阶段成效

通过“智慧种植基地——自动灌溉系统工作原理”课程的实施，我们深入观察并分析了学生在思维方式方面的变化，发现他们的创新思维得到了发展。

1.学生创新思维在编程训练中得到提升

在人工智能课程教学中，学生通常需要学习编程基础知识，掌握各种算法和数据结构。在此课程实施的过程中，学生带着思考分析自动灌溉系统的整个工作过程，通过列表的方式发现这个过程是循环往复的，于是确定程序编写时需要用到循环结构。这种训练使学生更加擅长逻辑推理、问题分解和抽象思考，有助于他们培养严谨、有条理的创新思维。

2.学生创新思维在跨学科知识应用中得到促进

人工智能是一门跨学科的课程，涉及数学、计算机科学、生物学、心理学等多个领域。在此课程实施的过程中，学生在设计自动灌溉系统模拟演示程序时，不仅要分析问题、构建模型、编写程序，还要设计界面和角色，选择最优方案满足用户体验感。同时，学生要综合运用信息科技、数学、美术等学科的知识来解决问题，实现种植基地的自动灌溉。这种跨学科的思维方式使学生更加擅长整合不同领域的知识，有助于他们提出更具创新性的解决方案。

3.学生创新思维在团队协作中得到强化

在搭建自动灌溉系统的过程中，学生需要通过相互协作来完成任务，并考虑如何与他人有效沟通、如何分工合作、如何解决问题。这种团队合作的经验不仅有助于培养学生的团队协作与沟通能力，也有助于培养学生的创新思维。

综上所述，利用人工智能课程培养小学生的创新思维具有重要意义。通过人工智能课程的具体实施，我们发现其对培养学生的逻辑思维、跨学科思维、团队合作意识等有一定的帮助。未来，学校将不断优化人工智能课程体系，进一步提高学生的创新思维和问题解决能力，为培养创新人才打下坚实基础。

【本文系2022年度湖南省教育信息技术重点研究课题“人工智能条件下教育社会实验实施策略研究”的研究成果（课题编号：HNETR22001）】