融合人工智能教育的小学科学实践研究——以《设计智能花房》为例

黄晓曦

（福州市群众路小学，福建 福州 350005）

随着国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，人工智能教育受到广泛关注。人工智能是一项复杂的综合性技术课程，涉及各个方面。在小学阶段设置人工智能相应的课程，并不是把人工智能相关专业课程与知识简单下放到小学，而是需要充分考虑到小学生的身心发展特点以及认知起点，以人工智能为载体，让学生亲历探究式学习的过程，充分调动学生对新技术的兴趣，并赋能自身学习发展。开展人工教育，是人工智能时代所赋予的使命和任务，也是科学课融合变革的发展和挑战。本文以小学中年级科学课《设计智能花房》为例，探讨人工智能融合教育领域的实践研究。

一、感受智能差异，聚焦育人目标

习近平总书记在2019 年国际人工智能与教育大会指出，人工智能是引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力。把握全球人工智能发展态势，找准突破口和主攻方向，培养大批具有创新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命。［1］教育工作者要进行人工智能教育，首先要明确育人目标。即通过教育，要培养什么样的人？培养出来的人要具有什么样的技能？只有解决好这个问题，才能摆正教育的正确方向。

（一）区分人的智能与人工智能

在育人目标设置方面，笔者把期待培养出来的学生品质归纳为十二个字：懂智能，有眼光，敢创新，会合作。知识技能方面，要了解人工智能的简单原理和应用，能够区分人的智能和人工智能的不同，并具备与人工智能协作的能力。随着5G 时代的来临，人工智能技术在日常的生产生活中得到广泛的应用。学生越来越多地接触到人工智能技术，有的学生甚至把人工智能的应用作为一种习以为常的技术。如何能让学生区分人的智能和人工智能的不同呢？戴尔的经验之塔告诉我们，让学生拥有更多自主获取知识的体验，拥有更多活用技术的机会，才能让学习真正发生。

《设计智能花房》的导入部分，营造一个需要大规模种植不同种类花朵的情境。学生第一反应是用自己的智能来解决问题，但是当花朵的种类不断增多时，他们会感觉困难，此时要鼓励学生尝试着用各种方法解决问题，并记录尝试的过程。接着，呈现人工智能解决问题的方案，使学生充分体会到人工智能技术与人类智能的不同。再引导学生反思他们解决问题的流程和人工智能技术解决问题的异同，展开类比。比如，把自己看的过程类比为图像识别的过程，把自己的知识储备类比为人工智能技术背后的大型数据库，把自己查询植物图谱的过程类比为人工智能的比对搜索的算法等。在这个过程中，教师创造一定的真实生活情景，让学生在真实地尝试解决生活中问题的过程中，结合自有知识经验，了解人工智能技术，应用人工智能技术。

（二）体验人工智能带来的变革与便利

在情境化的学习中，学生在体验人的智能与人工智能不同的同时，还能够体会到人工智能技术可以大大缩减解决问题所需的时间成本以及识别准确性的进步。《设计智能花房》中，学生尝试自己查询植物图谱的过程是十分费时费力的，而借助人工智能可以快速生成识别结果。在设计识花的案例中，教学素材特地选择了玫瑰和中国月季两种容易混淆的花朵，一般学生基于现有的知识经验，不易将两种花分别开来。因此，学生更加关注植物特征的提取，比如叶、花、刺等的细微不同，而人工智能正是做到特征的提取比对，才能准确地区分玫瑰和月季的不同。在这个过程中，学生既能感受到人工智能技术给生活带来的极大的便利，激发学习动机，更重要的是了解人工智能的基本原理，明白人的智能和人工智能的异同，知道人工智能很大程度上是在模仿人的智能，其背后又有着大量的数据和不断优化的计算机程序的支撑。

想让学生逐步了解人工智能，需要教育者基于学生的现有的认知水平、知识经验以及人工智能技术在生活中的应用，选取合适的素材，给学生创造一个真实的解决问题的情景，为他们学习的搭建脚手架。让学生明白人工智能的“源”在哪里，从而满怀信心和热忱地投入学习中。

二、巧用开放平台，提升智能协同

算法是人工智能的重要组成部分，但是基于小学生思维发展规律，五年级学生的思维基本上才开始由具象转换为抽象。在这个过程中，如果强行给学生灌输算法理解与编写的知识，学生并不容易理解，反而会对人工智能产生疏离感，认为这项技术离他们太遥远，他们力所不能及。如何培养学生与人工智能协作的能力呢？网络上人工智能的开放平台给教师提供了很好的解决方式。

（一）同一问题，在多平台寻求解决方案

百度、阿里、讯飞等多家大型公司布局AI 开放平台，并免费开放部分接口提供相应的人工智能服务，开放平台覆盖了多种人工智能技术的体验。例如，在《设计智能花房》这个案例中，学生的识花活动，可以直接利用微信小程序上百度开放平台中植物识别的功能，或利用“形色”“花伴侣”等识花手机app，或用计算机登陆AI 开放平台识别图片。解决同一个问题的方式可以有很多种。学生在多平台寻求解决方案的过程中，既拓展视野，又能避免单一平台识别带来的错误，同时形成自己的智能应用偏好，为未来更加得心应手地使用人工智能打下坚实的基础。

（二）同一平台，拓展解决多种不同问题

尝试识别花的过程，也是学生熟悉开放平台的过程。AI 开放平台，不仅仅有植物的识别，还有人脸识别、语音识别等功能，平台对相应的技术进行了详细的分类。以百度开放平台为例，它将人工智能的基本应用分成语音技术、图像技术、文字识别、人脸与人体识别、视频技术、AR 和VR、自然语言处理、数据智能知识图谱等。单看其中的一类，如图像技术，又分成图像识别、车辆分析、图像审核、图像搜索等，学生可以根据自己的兴趣进行体验。开放平台的使用，让学生知道图像识别技术不仅能识别花朵等植物，还可以识别动物、菜品、地标、果蔬甚至是红酒、货币等，拓展学生对人工智能技术在生活中应用的认知。同一种技术可以解决很多不同的问题。学生建立起这样的认知之后，在生活中如果遇到问题，就可以考虑上百度AI 的开放平台或者寻求其他人工智能技术的支持，尝试解决问题。

（三）跨平台协作，致力培养创新思维

在小学阶段的人工智能教育中，最重要的是培养学生利用人工智能来解决问题的思维方式。对于小学生来说，能够编辑算法并执行算法来解决问题是十分困难的。例如，深度学习算法的背后是需要大量的数学知识的，对于大学本科的学生都非易事。小学阶段首要做到能听会看，敢想巧用。在《设计智能花房》的学习过程中，教师鼓励学生综合利用多种平台，比如用微信小程序识别后，再用“花伴侣”查询匹配植物习性，用“形色”制作植物卡片等，培养学生与人工智能协作的能力，建构应用人工智能解决问题的创新性思维。鼓励学生多想，根据现有技术路线，哪些功能可能留给未来去实现？在学生的想象中种下人工智能的种子，形成人工智能的生态。等他们长大后有能力设计算法进行计算时，就可以沿着之前的思路来设计。有时候好的想法往往比技术更加有价值，培养学生的创新思维，提升学生的创新能力，比学习一些简单的技术知识更加重要。

三、融合逻辑图示，培养算法思维

在义务阶段设置人工智能课程，其宗旨是为培养“符合智能化社会需求，具备良好计算思维和编程能力的创新人才”奠定基础。［2］这要求教师实施融合教育，将小学科学、信息技术、综合实践活动等课程进行融合，为学生的思维发展打开一片新的天地。课程要能紧紧围绕学生的核心素养发展，体现出人工智能技术与各个学科的交叉创新，即“人工智能+STEAM”课程体系。在这样的课程背景下，如何培养学生的算法思维，成为教师应该思考和探索的重要问题。

（一）图示绘制明晰流程

在小学中高年级学生中，图形化编程的语言，如scratch 等语言的使用较为广泛。但是在图形化编程执行之前，或者上课的地点并不在计算机房时，学生可以用什么方式来训练算法思维呢？画流程图的方法给教师提供了解决方式。将流程图的训练贯穿整个上课的过程，包括学生要用流程图来表示解决问题的步骤。如绘制《设计智能花房》中植物智能养护的流程图（如图1）。

图1 植物养护流程图

图示绘制以能清楚说明流程为目的，具体形式不做限定。教师在引导学生绘制流程图的过程中，渗透算法教育当中顺序控制的理念，实际上就是要让学生理解解决问题的流程。如绘制智能花房建构的流程图（如图2）。

图2 智能种植流程图

（二）理清条件分析逻辑

学生绘制完建构花房的流程后，还要思考实现智能控制的判断条件以及触发条件，还有哪里需要循环结构等问题。在设计智能花房的体验中，主要创设去除毒花杂草的情景，让学生认识判断结构中的或与非的条件。如NOT 表示“非”关系，即假如没有毒花，就不进行药物清除。OR 表示“或”关系，即假如有杂草或毒花，就进行药物清除。AND 表示“与”关系，即假如有杂草和毒花，就进行药物清除和机械作业等。

学生在了解或与非的逻辑结构之后，根据花朵的生长环境，确定2-3 个核心的要素，比如温度和湿度。这时，学生要思考：如何进行温度和湿度的控制？温度和湿度的关系是“或与非”这三种逻辑结构中的哪一种？根据自己的思考绘制流程图，表示解决问题的流程。从逻辑图示到图形化编程，对于学生来说，知识落差并不大，大部分学生可以平稳地过渡和迁移。利用流程图示来训练学生的算法思维，打破了时间与空间的限制，让学生的注意力更多的关注解决问题的流程，从根本上提升学生的推理、决策能力。

四、结语

人工智能教育在小学阶段的开展。是挑战也是使命，对小学科学教师提出了更多学科专业知识外的要求。教师需要面向全体学生，保护他们对于人工智能这一新领域的好奇心的求知欲，选择合适他们认知水平的学习内容，融合他们喜闻乐见的科学主题。在轻松愉快的学习氛围，让学生学习人工智能知识，学会用人工智能学习，成为一个具有终身学习能力的学习者。