倪榮

摘要：作者以智造“玻璃溫室”為例，從體驗(yàn)感知、原理探究、實(shí)踐創(chuàng)新、拓展遷移和評價(jià)交流五個(gè)方面，探討如何在人工智能教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，以期能夠促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的深入發(fā)展，從而使學(xué)生更好地適應(yīng)信息化社會(huì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新；人工智能教學(xué)；溫濕度檢測系統(tǒng)

中圖分類號：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?論文編號：1674-2117（2023）16-0062-03

2022年4月，教育部印發(fā)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”），明確信息科技學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括信息意識、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面。其中，數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新是指個(gè)體在日常學(xué)習(xí)和生活中通過選用合適的數(shù)字設(shè)備、平臺和資源，有效地管理學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)資源，開展探究性學(xué)習(xí)，創(chuàng)造性地解決問題。同時(shí)，課標(biāo)指出信息科技課程知識體系圍繞數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全、人工智能六條邏輯主線進(jìn)行螺旋式建構(gòu)學(xué)習(xí)，其中的人工智能模塊的學(xué)習(xí)以體驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)為基礎(chǔ)，逐步進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。可見，在新時(shí)代教育背景下，通過人工智能課程活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力很有必要。

因此，在基于數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的人工智能教學(xué)實(shí)踐與研究中，筆者以智造“玻璃溫室”為明線，以利用數(shù)字設(shè)備規(guī)劃系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程與控制的方案為暗線，以智慧農(nóng)業(yè)為情境，讓學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中感受科技給農(nóng)業(yè)種植帶來的便利，提高學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能解決問題的意識。

體驗(yàn)感知，走進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)

近年來，智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，借助數(shù)字化技術(shù)打造智慧農(nóng)業(yè)，不僅大大減輕了農(nóng)民的體力勞動(dòng)，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，而且提升了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，筆者綜合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)基地發(fā)展?fàn)顩r，利用周末組織學(xué)生到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園開展研學(xué)。在研學(xué)前，基于數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新理念，以農(nóng)業(yè)示范園如何通過智能化控制為植物提供生長所需的最佳環(huán)境條件為中心，設(shè)計(jì)學(xué)生研學(xué)手冊。

研學(xué)手冊主要包括以下幾點(diǎn)：①注意事項(xiàng)。包括安全事項(xiàng)、時(shí)間、地點(diǎn)、交通方式等。②研學(xué)目的。目的是體驗(yàn)智慧農(nóng)業(yè)。③研學(xué)方法。包括聽取技術(shù)人員講解、采訪詢問負(fù)責(zé)人、網(wǎng)絡(luò)查詢和親身操作等方式。④研學(xué)感悟。除了以上幾點(diǎn)，為幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)，筆者還提出以下三個(gè)具體問題，指導(dǎo)學(xué)生完成此次現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園研學(xué)活動(dòng)：①農(nóng)業(yè)示范園主要包含哪些智能系統(tǒng)？②這些智能系統(tǒng)分別具有什么作用和功能？③這些智能系統(tǒng)中分別使用了哪些數(shù)字化設(shè)備？

學(xué)生在研學(xué)手冊的指導(dǎo)下，集思廣益分享交流，借助思維導(dǎo)圖梳理出農(nóng)業(yè)示范園的主要系統(tǒng)及功能。同時(shí)，在體驗(yàn)智慧農(nóng)業(yè)的過程中，學(xué)生能夠利用平板電腦、手機(jī)等數(shù)字設(shè)備獲取信息，并對信息加工、處理、整合，開展自主學(xué)習(xí)和合作探究。這些都有助于學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力的提高。

原理探究，揭秘溫濕度檢測系統(tǒng)

人工智能應(yīng)用廣泛，研究領(lǐng)域豐富多樣。在開展人工智能課程時(shí)，教師可以從較大的領(lǐng)域帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入情境，但在課堂學(xué)習(xí)層面應(yīng)從小處尋找突破口，從而減少學(xué)生的畏難情緒，增強(qiáng)學(xué)生的成就感。筆者根據(jù)學(xué)生研學(xué)手冊的完成情況和現(xiàn)階段的學(xué)習(xí)能力，選擇溫濕度檢測系統(tǒng)為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從應(yīng)用層面描述溫濕度檢測系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)中承擔(dān)的功能，并得出結(jié)論：溫濕度檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)對環(huán)境中的溫度、濕度進(jìn)行24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

為使學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地了解溫濕度檢測系統(tǒng)的工作原理，筆者采用了如下策略：①組織學(xué)生利用計(jì)算機(jī)畫圖工具，根據(jù)研學(xué)記錄構(gòu)畫出溫濕度檢測系統(tǒng)的主要電子模塊，明確該系統(tǒng)由溫濕度傳感器、主控板、顯示屏三部分組成。②分組合作認(rèn)識電子元器件。③拆卸該傳感器，讓學(xué)生觀察探究，梳理出其內(nèi)部裝有濕敏和熱敏元件，能夠?qū)h(huán)境中的溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號。另外，主控板負(fù)責(zé)接收讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)并發(fā)送給顯示屏進(jìn)而打印出環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)值。

實(shí)踐創(chuàng)新，智造“玻璃溫室”

人工智能的學(xué)習(xí)注重以實(shí)踐帶動(dòng)理論。在實(shí)踐過程中學(xué)生需要根據(jù)實(shí)際需求自主規(guī)劃系統(tǒng)、搭建模型、編寫程序?qū)崿F(xiàn)智能控制處理，逐步驗(yàn)證想法，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。為培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，筆者從以下幾個(gè)步驟，組織引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新。

①鼓勵(lì)式提出需求。向?qū)W生展示冷水花盆栽，介紹冷水花喜歡溫暖濕潤的環(huán)境，當(dāng)環(huán)境中的空氣濕度在60%～75%之間、溫度在15～25℃之間時(shí)生長旺盛。同時(shí)提出需求，鼓勵(lì)學(xué)生為冷水花打造“玻璃溫室”，守護(hù)盆栽茁壯成長。

②頭腦風(fēng)暴梳理思路。組織學(xué)生開展頭腦風(fēng)暴，分析得出“玻璃溫室”應(yīng)以“搭建溫室主體模型—組裝溫濕度檢測系統(tǒng)—軟件編程燒錄程序—測試優(yōu)化”四個(gè)步驟逐步完成。

③分組搭建模型。要求學(xué)生兩人一組，使用結(jié)構(gòu)類零件搭建出各式各樣的溫室主體模型，表達(dá)他們在建筑設(shè)計(jì)上的奇思妙想。

④編程調(diào)試。帶領(lǐng)學(xué)生使用SmartArt工具畫出溫濕度檢測系統(tǒng)的工作流程圖（如圖1），再借助圖形化編程軟件完成程序（如下頁圖2）并燒錄到主控板中，不斷調(diào)試溫濕度檢測系統(tǒng)。

⑤互換作品，分享建議。小組在全部完成后，相互交換“玻璃溫室”成品。學(xué)生切換為用戶角色，試用產(chǎn)品并向“生產(chǎn)者”反饋用戶體驗(yàn)，提出建議。

在整個(gè)實(shí)踐過程中，教師給予學(xué)生充足的創(chuàng)作時(shí)間，讓學(xué)生在實(shí)踐創(chuàng)新的過程中，鍛煉獨(dú)立探索能力、合作溝通能力、數(shù)字設(shè)備的使用能力、資源整合能力，提高數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力及對人工智能的適應(yīng)力和勝任力。

拓展遷移，研制火警報(bào)警器

學(xué)習(xí)遷移可以理解為在一種情境中獲得的技能、知識或情感態(tài)度對另一種情境中知識、技能的掌握或情感態(tài)度的形成產(chǎn)生影響。在人工智能課程的設(shè)計(jì)中，教師應(yīng)注意設(shè)置拓展環(huán)節(jié)，拓展的核心內(nèi)容應(yīng)與本節(jié)課的重難點(diǎn)保持一致，遵循最近發(fā)展區(qū)理論。這樣既節(jié)省了資源和時(shí)間成本，又鍛煉了學(xué)生舉一反三、觸類旁通的能力，以最高效的方式促進(jìn)學(xué)生盡快達(dá)到下一發(fā)展階段的水平。

在完成“玻璃溫室”作品后，筆者順勢激勵(lì)學(xué)生觀察教室內(nèi)的智能設(shè)備，并請學(xué)生說說這些智能設(shè)備內(nèi)隱藏的傳感器。學(xué)生注意到教室內(nèi)的火警報(bào)警器，討論得出其內(nèi)部安裝了溫度傳感器，當(dāng)室內(nèi)溫度超過預(yù)定溫度后立即發(fā)出警報(bào)聲。教師借機(jī)鼓勵(lì)學(xué)生利用溫濕度傳感器、蜂鳴器等零件研制火警報(bào)警器驗(yàn)證自己的想法。

通過上一階段的學(xué)習(xí)積累，大部分學(xué)生可獨(dú)立在計(jì)算機(jī)上規(guī)劃方案、梳理創(chuàng)作步驟、制作流程圖、設(shè)計(jì)算法、研制產(chǎn)品。在此階段，教師要做的是表揚(yáng)學(xué)生的前期表現(xiàn)，營造發(fā)明創(chuàng)造的氛圍，并主動(dòng)關(guān)注學(xué)生的差異，發(fā)現(xiàn)學(xué)生不同的思維角度，讓每個(gè)學(xué)生都獲得發(fā)展。

評價(jià)交流，感悟人工智能的魅力

在人工智能教學(xué)中，評價(jià)交流更是重要的環(huán)節(jié)。筆者設(shè)置了自我評價(jià)、小組互評、社區(qū)評價(jià)三種不同的評價(jià)主體，營造開放、寬松的評價(jià)氛圍。

自我評價(jià)：采用電子評價(jià)單方式，圍繞計(jì)算機(jī)科學(xué)原理理解、數(shù)字化技術(shù)掌握、學(xué)習(xí)態(tài)度、創(chuàng)新精神、行為活動(dòng)五個(gè)要素設(shè)置詳細(xì)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

小組互評：借助問卷星平臺，圍繞系統(tǒng)規(guī)劃、模型搭建、程序編寫、產(chǎn)品功能四個(gè)方面設(shè)置評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，要求小組之間客觀公正給予評價(jià)。

社區(qū)評價(jià)：教師在網(wǎng)絡(luò)在線平臺上創(chuàng)建學(xué)校造物圈，讓完成作品的小組將作品上傳到造物圈并發(fā)布到社區(qū)中。借助網(wǎng)絡(luò)在線平臺，學(xué)生可以登錄自己的賬號查看社區(qū)所有作品，互相點(diǎn)贊、交流評價(jià)作品。同時(shí)，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生將自己的作品設(shè)置開源，促進(jìn)學(xué)生和社區(qū)中其他學(xué)校學(xué)生之間的相互學(xué)習(xí)。

多元的評價(jià)方式及評價(jià)主體，不僅可以強(qiáng)化學(xué)生數(shù)字化知識與技能的運(yùn)用，還能促進(jìn)學(xué)生在豐富多彩的作品中感悟人工智能的魅力，從而落實(shí)評價(jià)目標(biāo)。

結(jié)語

人工智能的學(xué)習(xí)對當(dāng)代青少年至關(guān)重要。教師應(yīng)努力在信息科技課程中滲透人工智能相關(guān)內(nèi)容，通過選取恰當(dāng)?shù)娜斯ぶ悄軕?yīng)用場景，創(chuàng)造條件讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能技術(shù)，分析案例讓學(xué)生理解科學(xué)原理，規(guī)劃微型智能系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生使用電子零部件搭建模型，設(shè)計(jì)算法編寫程序，鼓勵(lì)學(xué)生展示創(chuàng)作成果等教學(xué)策略，讓學(xué)生熟練掌握數(shù)字化技術(shù)，提高學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的深入發(fā)展，從而使學(xué)生更好地適應(yīng)信息化社會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：4.