《智能垃圾分类桶》教学设计

吴彩 湖北省武汉市洪山区第二小学

●创新整合点

项目式学习是以项目为中心，以学习者为主体，以一定时长的小组合作为基本组织形式，按照“提出问题与假设—验证假设—解决问题—展示与分享项目成果”这一流程进行的，使学生的团队协作、创新发现、探究实践等综合素质与能力得到提升的一种学习模式，本教学设计以PBL项目式学习模式展开，其创新整合点主要体现在以下五个方面：

①关注深度学习，让学生亲历收集数据训练模型的过程，展现了人工智能带来的便利，作品采用了开源软硬件，实施门槛低，具备很好的可复制性。

②突出以项目式学习为主线，以学生的自主探究学习为中心，充分调动了学生学习的积极性。

③教案设计合理，教学环节环环相扣，教学过程与项目式学习的流程相对应，师生共同完成了“智能垃圾分类桶设计”的项目。

④回应了信息科技课程提出的培养学生的四个核心素养：信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。

⑤学生勤于动手、敢于创新，小组合作氛围浓厚，课堂气氛活跃，从完成任务情况看，四个核心素养目标均达到，教学重难点也得到了很好的突破。

●教材分析

随着城市化进程的加快和人们生活水平的不断提高，多元化的商品及生活用品蜂拥而至，生活垃圾日益增多，从而导致环境的污染问题日益严重。研究表明，城市居民的垃圾分类意愿和行为存在较大的差异，愿意参与垃圾分类的比例明显高于实际参与垃圾分类行为的比例，如何实现垃圾的自动分类成为目前急需解决的问题。基于以上真实问题情境和人工智能技术支持，确定了本节课的项目为智能垃圾分类。

《设计智能垃圾分类桶》是智能垃圾分类创客教材中的内容，旨在通过智能垃圾分类项目式的学习，帮助学生进行垃圾分类的模型训练和编程学习，并能根据所学，创新制作出模拟的“智能垃圾分类桶”作品。

本课内容结合前期系列教学中讲过的模型训练、垃圾的识别与判断相关知识，通过“确定项目—项目的组织与实施—项目的检测调试—项目的改进验收—项目的延展提升”五个项目式学习的流程，在教师步步提问、情境引导、创设探究的任务驱动下，引出舵机控制垃圾桶的开合，让学生在程序编写中理解智能垃圾桶是如何一步步设计的，最后让学生通过连接micro：bit板烧入程序，完成垃圾卡片的识别、分类和投放。

本节课的教学重点为编写舵机控制垃圾桶开合的代码，本节课的教学难点为通过项目式学习让学生理解设计智能垃圾分类桶的过程。

●学情分析

五年级下学期的学生对代码编写、人工智能已经有了一定的了解，通过前几节课的铺垫，大部分学生能基本掌握Kittenblock模块化代码的编写，了解每个模块的功能和用途，能用代码对垃圾卡片进行模型训练，完成对垃圾卡片的识别与判断。

在综合考虑小学高段学生上课特点与动手能力的基础上，本课将继续激发学生学习智能垃圾分类桶的兴趣，重心会放在小组合作与自主探究上，通过创设师生互动研究氛围，运用即时评价，引导学生总结方法，激励学生学习，从而创新制作出模拟的“智能垃圾分类桶”作品。

本课教法：以项目式学习为主，结合任务驱动教学法，按照“感知—模仿—迁移—运用”的原则，引导学生理解设计智能分类桶的步骤，并能在环环相扣的教学环节中进行探索和实践。

本课学法：学生通过实践探究和讨论，利用已学知识，在教师设置的情境和讲解下解决和探究新的问题，从而培养自主学习和协作学习的能力。

●教学目标

信息意识：根据智能垃圾分类这一真实问题情境，能较快地分析出小智能实现的功能。

计算思维：掌握模型训练和编程学习的代码。

数字化学习与创新：能在师生共同创设的项目式学习环境中，利用小组讨论和协作学习的方式，共同设计一款智能垃圾分类桶。

信息社会责任：感受人工智能在生活中的应用，从而增强自身的环保意识和社会责任感。

●教学环境与准备

教学环境：多媒体教室、Wi-Fi网络、希沃触控一体机（安装Kittenblock、希沃授课助手、班级优化大师软件）。

教学准备：9台笔记本电脑、9个外置摄像头、9个USB扩展器、9套智能垃圾分类桶套装、9套垃圾卡片、1个外接小音箱。

●教学过程

1.导入生趣，进入课题

教师出示课件并引入：“在前面的学习中，我们已经了解了垃圾分类的相关知识，同学们还记得生活垃圾分为哪四类吗？”

生：可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾。

教师接着利用情境引导学生进行思考。

情境：有个五年级的同学叫洪洪，放学回家后他想做点力所能及的家务事，于是他双手拎着家里需要投放的垃圾来到小区的垃圾桶面前，可到了之后他却犯难了，由于正值下雨，垃圾桶盖闭合着，且上面有些脏乱的垃圾，自己双手又没有空闲，这可怎么办呢？如果你是洪洪，这时你会想些什么？

学生可能回答：如果垃圾桶可以自动打开该多好；如果垃圾桶可以自动识别垃圾袋里面的垃圾对应属于哪个垃圾桶，可以直接投放该多好……

教师评价：同学们的想法和创意真好，要是有一款智能垃圾分类桶，洪洪遇到的问题就不是什么难事了。

教师让学生体验智能垃圾分类桶并引导学生以小组为单位，头脑风暴它能实现的功能。

教师出示小智，请学生上台体验，并引导学生思考：“这款智能垃圾分类桶完成了哪些任务？”

学生代表上台体验，学生以小组为单位进行回答：识别垃圾卡片、判断垃圾的类别、自动打开垃圾桶完成卡片的投放。

教师评价并揭示课题：同学们以小组为单位进行了充分的探讨，将小智的功能归纳总结得非常完整，为同学们的大胆挑战、激烈探讨、热情回答点赞。今天，就让我们带着这些问题，一起来学习《设计智能垃圾分类桶》一课（板贴：设计智能垃圾分类桶）。

教师在本节课引入班级优化大师对各小组进行评价，全班分为8小组，每组3人。每组成员任务分工为：组长（组织组员进行讨论和交流，形成共识）、记录员（记录小组的讨论并形成文字资料）、编程员（主导小组的编程并能检测调试和修改代码）。课后通过小组的累计积分，确定积分最高的小组为本节课的设计智能垃圾分类桶小卫士组。

设计意图：通过回顾以前的教学内容，让学生的思维进行正向迁移。教师利用情境教学，激发学生的创意，并让学生通过实物模拟操作加深对智能垃圾分类桶的理解，从而明确本节课的任务和主题。

2.知识点巩固：巩固图片录入

教师出示图片录入的微课，让学生自主探究、小组合作，完成两张垃圾卡片的模型训练。（板贴：模型训练）

学生活动：观看微课，参考学习任务单（如图1、图2），完成两张垃圾卡片的模型训练。

图1

图2

设计意图：微课教学，对以前的知识点进行巩固练习。

3.知识点回顾：回顾分类判断

教师提问：在之前的课程教学中，同学们已经对所有的垃圾卡片进行了模型训练，学习并调用Excel函数将垃圾卡片放到了可回收垃圾和有害垃圾两个库中，也学习了这段代码的编写，同学们还记得这段代码的含义吗？

学生活动：分析代码的含义（如图3、图4）。（板贴：分类判断）

图3

图4

设计意图：让学生通过分析代码的含义，进一步了解可回收垃圾和有害垃圾程序的逻辑。

4.新课教学：自动开合我来控

教师引入并提问：通过前面两个关卡的回顾，请同学们思考—要想让垃圾桶自动开合，我们需要怎么做？

学生可能回答：通过外界装置给它动力。

教师引入舵机的概念，并进一步提问：通过舵机需要完成哪几个操作？

学生活动：小组合作进行探讨，小组代表回答（开可回收垃圾桶，开有害垃圾桶，关闭垃圾桶）。

教师讲解代码，并提出探究点：关闭垃圾桶代码中的舵机角度应该是多少（如下页图5）？

图5

设计意图：通过引导学生分析引出舵机，在层层递进的提问中激发学生的思维，让学生依靠自主探究、小组合作思考舵机的操作。根据以前学过的积木板块，学生能最终在教师的讲解下搭建舵机开合的模块代码。

5.新课教学：烧入程序

教师引入并提问：在前面的教学环节中，我们已经掌握了代码的编写，那这款智能垃圾分类桶是不是就可以完成垃圾卡片的识别、判断和自动开合了呢？

学生活动：实践后发现不能。

教师揭示课题：我们还得通过这个micro：bit板将编写好的程序烧入进来，通过micro：bit板控制垃圾桶套装，完成垃圾卡片的识别、判断和垃圾桶的自动开合。接下来，请同学们观看烧入程序的微课。（板贴：连接micro：bit板）

学生活动：观看微课，并实践操作。

设计意图：让学生理解烧入程序的重要性，并通过微课，培养学生获取信息和利用信息进行数字化学习与加工的能力。

6.学生成品展示

教师利用希沃授课助手中的摄影功能，捕捉并投屏各小组内学生的探究与操作实践剪影，并对有疑问的小组进行教学指导。

学生活动：根据烧入程序后智能垃圾桶的反应，调整关闭垃圾桶代码中的舵机角度，回应前面老师提出的探究点。在成功完成垃圾卡片识别、判断和投放后，举手示意老师进行成果展示。

设计意图：培养学生的自主探究和小组合作能力，学生能在不断的试错中对编写的代码进行调整，从而完成垃圾卡片识别、判断和投放。

7.思维拓展：对智能垃圾分类桶未来的展望

教师引入并提问：智能垃圾分类桶还有哪些可以改进的地方？

学生可能回答：增加厨余垃圾和其他垃圾两个垃圾桶、加入语音识别、加入称重传感器……

设计意图：激发学生的构思和创意。

8.视频拓展

教师出示国内外智能垃圾分类桶的应用视频。

学生观看视频。

设计意图：多媒体感官刺激，让学生通过视频引起触动。

9.学生反思

教师引入并提问：智能垃圾分类桶可以很好地进行垃圾分类，通过垃圾回收利用让天更蓝了，草更绿了，但垃圾源头治理也非常重要，你认为有哪些减少生活垃圾的好办法？

学生可能回答：物品多次利用、尽量不使用一次性物品……

设计意图：让学生对生活中的垃圾污染进行反思。

10.教师评价和总结

教师评价：请同学们看向大屏幕中的班级优化大师，我们来看看哪个小组在本节课获得的积分最高，让我们一起恭喜第四小组成为智能垃圾分类桶设计小卫士组。

教师总结：通过今天的学习，老师希望同学们能通过人工智能增强自己的环保意识和社会责任感，从小事做起，从自己做起，共同打造绿色、和谐家园。

设计意图：肯定学生的付出，对优胜小组给予表扬，并让学生在情感态度和价值观上引起共鸣。

●教学反思

①注重评价方式的多维化。评价的出发点应体现学生的素养表现，就是学生通过学习有没有在信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任这四个维度上达到学段目标。要将“为学生发展而进行评价”的理念贯穿课堂的始终，注重学生的生成性学习，在以后的教学实践中要尽可能采集学生的现场教学数据来进行实时评价，促进学生的全面发展。同时，要特别关注过程性评价，把握好评价的真实性和全面性。

②注重将项目式学习与传统学习模式进行有效的整合。在以后的人工智能教学实践中要进一步挖掘项目式学习的优点，并注意将项目式学习和传统学习模式进行有机结合，让二者相互补充，使教学成效达到最大值和最优化。

③对项目式教学模式进行深度思考。应对本节课所采用的项目式教学模式进行深度思考，力求在教法和学法上更关注学生，为以后的PBL项目式学习积累经验。