STEAM理念下小学人工智能综合课程的设计与实践

【摘 要】自《义务教育信息科技标准（2022年版）》发布以来，人工智能教育、跨学科综合课程逐渐走进中小学生课堂。本文在STEAM理念指导下，采用项目式教学策略，设计小学人工智能综合性课程，通过课堂教学和动手实践，提升学生AI素养与跨学科思维，发展学生科学探究、创新实践、解决问题的关键能力。

【关键词】人工智能;综合课程;STEAM理念;项目式教学

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2022）010-077-02

目前，人工智能教育在中小学进入快速发展的新阶段。为了深入探索我国小学人工智能教育应该教什么、怎么教等问题，笔者在学校开展人工智能教学实践，并构建了对应四五年级的人工智能体验、人工智能编程应用和人工智能综合实践的梯度课程。在STEAM教育理念支持下，通过项目式学习的教学策略，基于真实的生活情境，笔者设计并实施了“防疫安全门”人工智能综合课程，让学生在学习和动手实践的过程中完成人工智能项目目标，提升学生的人工智能素养与跨学科思维，发展解决问题的关键能力。

小学人工智能综合课程的设计思路

人工智能是一门跨领域的交叉学科，涵盖了技术、工程、数学、编程等多个领域的知识，人工智能技术与工程素养的培养也需要多个学科的有机联系。而STEAM教学理念是一种重实践的超学科教育概念[1]。它强调学科与学科之间跨学科的深度融合，比如科学与技术、工程、数学的融合。采用STEAM理念指导人工智能课程的开展，有利于学生在学习和实践的过程中融合多学科知识，提升学生的AI素养。

在STEAM理念指导下，笔者以发展学生AI素养与跨学科思维为核心目标，融合多学科的知识、技能与方法，采用项目学习的教学策略，展开分科学习，并梳理了小学人工智能综合课程的教学模式，主要包含了以下五个环节、六个步骤，对应六节学科课程（图1）。

小学人工智能综合课程的实施

“防疫安全门”人工智能项目案例是在新冠肺炎疫情背景下，以检测进入校园人员是否戴口罩、是否本校人员等安全信息为目标的智能校园门禁系统教学案例。根据人工智能综合实践课程的教学模式，笔者设计实施了教学主题为防疫安全门的六节课，包括防疫安全门的设计、制作、编程、优化、美化、展示，涵盖了科学、工程、信息技术、数学、美术、语文等多个学科的6节分科课程，综合应用了学生的知识与经验，开展人工智能综合实践活动。

1.创设情境、确定主题

从校门口的智能闸门入手，引导学生观察发现校门的智能检测系统具备哪些功能？学生发现有人脸识别、体温检测、口罩识别、语音提醒等功能。那其背后的原理是什么？如何制作呢？从而创设真实的问题情境，明确关键问题，确定项目研究主题——制作智能防疫安全门。

2.头脑风暴、分析问题

在确定项目之后，科学老师先引导学生进行头脑风暴，分析智能防疫安全门的功能、原理与结构。接着引导小组进行项目规划、设计草图、项目任务分解、小组分工等活动，让学生经历完整的项目分析、规划、设计的过程，培养学生的工程设计思维和小组合作能力。

3.分科学习、自主实践

本环节学生在做中学、学中做，边学习学科知识，边动手实践，综合应用各学科知识完成项目作品制作。

（1）动手实践，结构搭建——第二课“防疫安全门的制作”

如何搭建结构呢？科学老师先引导学生回顾相关电子知识，并介绍激光切割的门结构零件;学生参考小组项目设计图，动手实践，搭建作品的门框结构;最后，学生完成树莓派、摄像头、红外测距灯电子元件的接线和安装，完成核心功能部分的组装。从而培养学生的工程思维和动手实践能力。

（2）任务探究，项目编程——第三课“防疫安全门的编程”

如何让智能硬件动起来呢？借助树莓派、摄像头等硬件，教师引导学生尝试使用古德微图形化编程在线平台，给防疫安全门添加口罩识别的功能。在程序调试过程中，信息科技老师引导学生发现问题：有的程序会不断地重复检测口罩，即使没有人经过门闸，程序也会一直播报“请戴上口罩”。通过引导学生拆解问题、逐个分析，逐步解决，培养学生的逻辑思维能力和计算思维。

（3）改进创新，项目优化——第四课“防疫安全门的优化”

如何进行人脸识别呢？信息科技老师要引导学生共同探索校园门禁系统中的人脸识别功能，头脑风暴，探究人脸识别的基本原理与程序执行的流程。引导学生通过建立人脸库、人脸入库、人脸比对等过程，编程实现人脸识别的功能。从而培养学生的计算思维和AI素养，提升学生解决问题的关键能力。

（4）完善外观，项目美化——第五课“防疫安全门的美化”

最后，如何让我们的作品更美观实用呢？学生项目小组对作品进行外观的美化。美术老师引导学生通过回顾点、线、面等美术功底，将美术创作元素以及功能标识图标融入作品的美化中，进一步加强作品的美观性，完成防疫安全门项目实物制作的美化任务，培养学生感受美、创造美和动手实践等能力。

4.交流作品、分享收获

本环节，学生展示小组作品，分享制作过程中遇到的问题及收获，并自我评价作品，针对小组的作品及遇到的问题，师生进行探讨并提出自己的建议。通过作品展示交流，培养学生乐于分享的精神。

5.总结评价、拓展主题

根据各小组的分享展示，教师引导学生对各组作品进行投票评价，按照自我评价、同学评价和教师评价对小组项目制作过程进行综合性评价。同时师生互动，总结整个项目课程，并提出新问题：人脸识别一定安全吗？我们还可以增加哪些实用的功能呢？如何实现这些功能呢？从而在评价中培养学生的团队精神和思辨思维，在主题延伸中引导学生继续思考、探索作品，拓展学生的AI意识与科学探究的精神。

结 论

本文基于STEAM理念，采用项目教学的教学策略，梳理了小学人工智能综合课程的教学模式，并在实际教学中付诸实践，致力于发展学生的AI素养、跨学科思维、解决问题的关键能力。希望文章的课程设计思路和实施过程对于各中小学开展人工智能综合课程带来一些新的思考。

注：本文系2020年度广东省教育信息化应用融合创新课题“STEM视域下的小学人工智能教育课程的开发与实践研究”（项目编号：20JX07167）的研究成果

参考文献

乐勇. STEAM：一种崭新的国际教育理念[J]. 大学科普，2017（11）： 32.

作者单位：广东中山火炬高技术产业开发区博凯小学 广东中山市东区雍景园小学