聚焦学生科学素养 构建学校智能科创

郭君芳

近年来，针对如何使“人工智能应用”走进课堂的问题，笔者所在学校的专业教师不断地进行头脑风暴，制订方案，实验探究，最终结合STEAM教育理念创设了“喵星人的智能家”系列项目，把情趣教学模式与严谨的造物过程和生活艺术的审美观念进行了恰当的融合，使STEAM创智课堂情智相间、趣味盎然。

案例设计

该项目起源于学生的一项课外实践活动——如何安顿流浪猫？它是从日常生活中遇到的问题入手，联系家庭饲养宠物猫咪及星球萌宠喵星人（视频资料）的生活习性，基于STEAM教育理念，以智能物联开发板为载体，运用工程、信息技术、艺术、数学等综合技术开展的学生自主实验探究活动。

该项目采用90分钟的长课时实施，充分考虑项目式教学的特点，运用STEAM学科融合的教学方式，把人工智能与学生科技实验探究相结合，从而实现了课堂中的“智能造物”。

确定项目

学生在影片赏析课堂上对《喵星人》这部电影的精彩片段进行分享。此次影片分享为麦岛小学四年级二班学生发现“有研究价值”的问题埋下了一颗魔力种子，引发了该班级学生对饲养家庭宠物猫咪的密切关注。同时，结合课外实践活动——如何安顿流浪猫？课堂内外他们激烈探讨，畅所欲言，乐此不疲，探讨猫咪的各种趣事，连锁反应引起了相关教师的注意，于是在师生共同谋划下创造性地使人工智能应用与饲养猫咪活动进行了一次完美的“牵手”，创设研发了“喵星人的智能家”项目。

项目实施

1.平面设计

小学四年级的学生从未接触过类似设计图形的专业软件，对他们谈具体的平面设计，很多人都认为是天方夜谭。为了降低项目难度，便于实践操作，教师先从实物模型设计开始，让学生对房屋外壳有个整体的认知。

首先从家庭饲养宠物猫咪的生活经验入手，通过调查问卷、访谈、检索信息资料等方式，对猫咪的生活习性有了基本的了解；掌握了搭建喵星人的家的特质——结构坚固、自由出入、遮风挡雨、透光性较好、温暖舒适、衣食无忧等；以小组为单位绘制喵星人智能家的思维导图结構，使学生在积极参与实践的过程中，明确该项目能够实现的功能。然后各小组积极策划讨论小屋的外形结构，利用各种废旧环保材料（纸壳、卡纸、海绵纸、揉搓纸、冰糕棒、磁力片、磁力柱），借助热熔胶枪、胶带、螺丝钉、3M胶等固定成基本的房屋外壳。同时，邀请专业教师介绍房屋的基本建模知识，简单学习专业软件Photoshop或AutoCAD的基本使用方法，使学生绘制出房屋的基本平面，然后通过激光雕刻机切割房屋的各个部分。

在实践操作过程中，学生们的兴趣异常浓厚，遇到问题积极寻求解决办法，改进相关设计，再实践，在这个过程中，学生的计算分析能力、工程设计能力、逻辑判断能力、团队合作能力得以潜移默化地提升。

2.程序设计

如何让“喵星人的家”更加方便智能呢？通过对市面上各种硬件设备的调查与论证，最终笔者选择了智能物联开发板，互联各种传感器，实现喵星人家的“智能化”管理。通过Python编程软件，使学生初步感知软件编程的魅力，结合硬件，更为直观地了解代码的具体实现路径。

“喵星人的智能家”具有一个贴心的“房屋小管家”，它能实时感知喵星人的信息，及时照顾喵星人的饮食起居。当它吃饭、喝水、睡觉、玩耍或生病时，“小管家”随时获知信息，第一时间为它们提供服务。师生对这一情境进行仔细分析，明确所需解决的任务：监测是否有猫咪进入，定时定量投喂食物；监测猫咪体温并发出生病警报。完成这两项任务所需要的硬件主要有智能物联开发板、红外测物传感器、温湿度传感器、蜂鸣器、继电器、显示屏，利用Python软件进行编程控制，从而实现智能家的“智能互联”。通过作品程序设计，使学生体验编程研发的过程，形成批判性思维，养成团队合作与创新的习惯。

3.拼装搭建

通过前面两个环节的实践，学生已经制作出了房屋的外壳，实现了智能控制的装置，如何将二者合二为一，整合成喵星人的智能家呢？我们充分考虑了每一个硬件的大小尺寸、功能、美观等方面，不断地进行小组研讨，调整完善每一个小组设计的房屋。

例如，红外测物传感器，主要是检测是否有猫咪进入，它放置的位置必须在门口的位置，有的小组虽然也放到门口，却始终检测不到猫咪的进入，或者检测不灵敏，学生通过不断地实验发现灯的朝向问题也会影响到测物的力度。

而温度传感器，在这种场景中主要用于检测猫咪的体温，猫咪的体温通常是27度，当超出这个温度时，蜂鸣器就会发出警报声，用于提醒人类此刻猫咪身体异常，需要找宠物医生给予及时的帮助。

4.成果汇报

最后是项目的成果汇报环节，分享展示相关成果（如左图）。

小组创设情境，帮助喵星人解决了各种后顾之忧，畅谈遇到的问题是如何解决的以及仍然存在的问题。随着一个个问题的解决，学生解决问题的能力也在潜移默化地提升。笔者创设了各种展示平台，鼓励班级小组走出去展示团队风采，同时采用多元评价方式，不仅注重学生展示的作品的美观及功能的评价，更注重学生在项目实践的过程中遇到的困惑及解决问题的方法、团队分工协作的具体实施，以及在实践中形成的情感态度与价值观。我们采用自评与他评（同伴评、教师评、家长评）相结合的评价方式，形成多元化的课程评价体系，正确导向学生的成长性思维模式。

项目反思

刚开始接触STEAM、人工智能应用时，我们感觉一切都是新鲜的，茫然无措。信息技术教师、科技教师及综合实践教师来了个综合组的集体头脑风暴，积极策划了这个跨学科的整合项目。我们在实践过程中不断尝试、调整、探究，在学科融合式的情趣教学模式引领下，逐步推进学校的STEAM教育教学工作的开展。

在探索STEAM教育的道路上，我们一路前行，“智”造未来，“慧”创生活。我们不断聚焦学生科学素养，借助智能物联开发板，共享智慧滋生情趣，尝试使学生的想象、经验完美着陆，为其搭建人工智能实践的平台。