小學人工智能校本課程跨學科融合的設計與實踐

如何培養(yǎng)適應未來智能社會的人才，基礎教育階段進行的人工智能教育對此起到了關鍵性作用。提出有關小學人工智能校本課程跨學科融合設計與實踐的研究，以“盲人無礙有聲自動門”為例，旨在探索人工智能教學實施模式和評價方式，期待為中小學人工智能教育的實際應用提供有益借鑒。

開展小學人工智能校本課程的背景

由人工智能引領的商業(yè)變革正在緩緩拉開序幕。從語音助手到無人駕駛，緊接著再到面部識別和智能家居，人工智能已經(jīng)悄悄滲透到日常生活的方方面面。當前，中小學人工智能教育備受關注，由于人工智能課程的結構和內(nèi)容錯綜復雜，中小學人工智能教育仍處于不斷嘗試階段。

人工智能教育是一種教育范式，其目標是通過充分利用人工智能技術，改善和豐富傳統(tǒng)教育過程，提升學生的學習效果和教育質(zhì)量。這一領域涵蓋了多個方面，包括教學方法、教育工具和學習環(huán)境的智能化，這些助手能回答問題、提供實時反饋，并模擬真實場景，幫助學生應對學科挑戰(zhàn)。

在跨學科融合中，不同學科的專業(yè)知識被整合和交叉應用，以創(chuàng)造新的見解、理念或解決方案。這種融合通常超越傳統(tǒng)學科邊界，促使學生在合作中跨足多個學科領域，以培養(yǎng)學生的批判性思維、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

人工智能教育在小學階段向著有利的方向發(fā)展，在具體課程實施和教學資源建設方面取得了顯著進步。國內(nèi)中小學人工智能教育依然存在課程定位不明確、教學內(nèi)容分散、課程體系與資源雜亂等問題。通過全面規(guī)劃和有效管理人工智能課程，培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，這是一個有效且可行的實施路徑。

人工智能教育的目標是通過創(chuàng)新性教學手段和工具，提供互動性和實踐性更強的個性化學習體驗，從而推動教育質(zhì)量的不斷提升。

小學人工智能校本課程跨學科融合的設計

需求分析：通過深入解讀《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，以及《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，明確小學人工智能校本課程跨學科融合的路徑（見圖1）。我們注重考慮小學生的認知水平和學科特點，以確保課程內(nèi)容既能夠充分調(diào)動學生的興趣，又符合其發(fā)展階段的學習需求。

分析人工智能教育需求，我們理解到教育者需要綜合考慮不同學科的整合，促使學生在數(shù)學、科學、信息科技等學科全面發(fā)展。通過跨學科融合，學生能夠在實際問題中應用人工智能技術，促進他們的綜合思考和創(chuàng)新意識。這些項目可能涉及環(huán)境保護、社會倫理等實際問題，引導學生在團隊合作中運用人工智能概念解決現(xiàn)實挑戰(zhàn)。

教育標準對齊。數(shù)學課程標準：將人工智能概念融入數(shù)學課程，對齊數(shù)學教育標準，確保涉及的數(shù)學知識與小學數(shù)學教學大綱一致?？茖W課程標準：將人工智能融入科學課程，對齊科學教育標準，確保涉及的科學概念與小學科學教學大綱一致。語文課程標準：在語文課程中引入人工智能概念，對齊語文教育標準，確保涉及的語言技能與小學語文教學大綱一致。信息科技課程標準：跨學科融合中涉及計算機編程和技術應用，需要對齊信息科技課程標準，確保學生能夠使用計算機工具和軟件來實現(xiàn)人工智能概念。

在對齊這些課程標準時，需要綜合考慮小學生的認知水平、學科特點，以及教育體系的整體要求，以確保融合的人工智能課程既符合學科教學的標準，又能夠激發(fā)學生的興趣和創(chuàng)造力。

課程實施步驟。確定學科整體目標：確定每個學科在整合中的角色和任務，這有助于確保整合計劃的一致性和協(xié)調(diào)性。確定主題：確定一個核心主題，內(nèi)容涵蓋數(shù)學、科學、語文等多個學科，確保主題能夠引發(fā)學生的興趣，同時與人工智能概念相吻合。

教學策略設計：制定跨學科教學策略，采用靈活的教學方法。學科教師合作：在項目實施過程中，學科教師需要定期召開會議，共同討論教學進度、學生表現(xiàn)和可能的調(diào)整。

反饋機制：包括個體反饋、課程反饋、學科知識反饋、同伴反饋、即時反饋，這些反饋機制的結合可以促使學生更全面地理解和改進他們的學習過程。學科知識評價：評估學生在項目中對學科知識的應用，是否能夠有效將理論知識轉(zhuǎn)化為實際應用。技能發(fā)展評價：評估學生的編程技能發(fā)展可通過觀察其在編程任務中的表現(xiàn)來衡量，此評估還涵蓋對學生在使用信息技術工具和軟件方面的熟練程度，包括與人工智能相關工具的考察。創(chuàng)新能力評價：讓學生展示設計的項目，自評其中的創(chuàng)新點。如果有創(chuàng)意作品的要求，可以評估學生的藝術性和創(chuàng)意表達能力。合作能力評價：對整體團隊合作進行評估，考察學生在分工、溝通和協(xié)作等各方面的整體表現(xiàn)。

小學人工智能校本課程跨學科融合課程重構

課程目標與主題。在課程標準的指導下，我們明確了本課程的總體目標：課程旨在讓孩子在實踐項目的情境中，運用跨學科知識，設計并實現(xiàn)人工智能應用，從而提升學生在實踐探索中的關鍵素養(yǎng)。

在確定總體目標后，選擇“盲人無礙有聲自動門”為課程的主題。通過這一主題，我們將科學、美術、信息科技、語文等多學科知識融入課程，以設計助力盲人的智能產(chǎn)品情境為核心。這個主題不僅提供了一個有趣而實際的背景，更為學生提供了一個實際問題的解決場景，使他們在課程中能夠真實運用所學知識。

課程內(nèi)容。本課程以一個引人入勝的《盲人無礙有聲自動門》項目開篇，旨在通過這個項目讓學生深入了解智能時代的社會生活，并在初步設計中，引導學生初步認識相關技術，同時激發(fā)學生對人工智能技術的理解和興趣，同時培養(yǎng)對其社會責任的認知和社會倫理的影響。

人工智能跨學科融合課程實施與評價

課前，前置作業(yè)，親身到裝有感應門的場所體驗自動門，并將正常通過自動門及閉眼通過自動門的感受記錄下來。接著上網(wǎng)查閱相關資料，了解自動感應門的不同類型以及基本原理，并對有疑問之處進行標記。

課中，激趣導入，引入主題。通過提問的方式，讓學生分享自己正常以及閉眼通過自動門不同狀態(tài)時的感受。提出本課程的主要任務，為提高盲人在社會中的參與度和生活質(zhì)量，消除盲人面臨的各種障礙，以實現(xiàn)更廣泛的社會包容和平等。那么如果盲人要想到公共場所活動，是否可以順利通過自動門呢？通過自身體驗引起學生利用人工智能技術解決實際問題的興趣，增強其社會責任感。

關于新授，學生進行資料收集時，已了解自動感應門主要類型以及基本原理，接下來讓學生了解micro：bit開源硬件中各個模塊的作用以便在本項目中應用。學生通過小組合作討論，精選三大主要模塊，運動傳感器模塊模擬自動門的感應裝置，主控板是處理輸入輸出信號，接收來自傳感器或輸入設備的信號，并進行數(shù)據(jù)處理后輸出控制指令，舵機模塊是動力的傳輸進行自動門的開合。

通過運動傳感器的使用，從而得知自然界中所有物體都會根據(jù)溫度的高低在不斷輻射各種強度的紅外線。接著分析設計micro：bit自動門，當有人經(jīng)過時，運動傳感器感應到人體發(fā)射的紅外線，通過主控板給舵機發(fā)送信號，舵機擺臂擺到100度模擬自動門打開，主控板上顯示“愛心”圖形，那么為了解決盲人通過自動門問題，學生在作品中加入錄音以及喇叭模塊，利用聲音引導盲人順利通過自動門。當無人經(jīng)過時擺臂擺到5度模擬自動門關閉，主控板顯示“X”圖形。

小組合作。四個同學為一個小組，由于是混齡教學，根據(jù)學生各自擅長的領域進行分工，1號同學將所需要的硬件做好準備，2號同學把舵機組裝起來，并且連接所有的硬件設備，3號同學負責編輯程序，以及開源硬件的測試，4號同學負責觀察并在記錄表上記錄數(shù)據(jù)。同學們在實踐過程中會遇到各種各樣的問題，教師要及時輔助進行指導并且進行即時評價。

根據(jù)自己的分工各司其職，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，4號同學及時記錄并且報錯，組內(nèi)其他成員及時修改，再次測試。通過多次調(diào)試獲取成功，鍛煉同學們的專注力，迎難而上、不折不撓的精神，并且讓小組同學們之間的合作更加密切。這種學習方式注重學生積極參與知識形成的過程，激發(fā)他們口頭表達、實際動手、思維運用的能力，鼓勵團隊協(xié)作，取長補短，共同進步。小組合作學習有助于因材施教，彌補了教師在大班授課中難以關注每個學生的弊端，實現(xiàn)了每位學生都能體驗成功并且參與實踐的發(fā)展目標。也使學生不再把人工智能視為獨立的學科，而是將其融入各個學科，實現(xiàn)跨學科融合，拓寬了學生的學科視野。

課后，分享交流。最后小組之間進行展示分享，每個小組從創(chuàng)意、表達、合作等方面進行闡述，并且進行他評、自評以及師評，汲取他人的意見取長補短，繼續(xù)構思創(chuàng)作本組的作品，在同學們充分體驗項目之后，小組內(nèi)總結通過本項目學到的知識，提高團隊合作能力。

知識總結。本項目涉及多個學科的內(nèi)容，舵機擺臂過程中涉及角度方面的數(shù)學知識，在合作交流過程中涉及語言表達方面的語文知識，了解人體在不斷發(fā)射紅外線，以及測試記錄觀察上涉及科學知識，在編輯程序以及測試開源硬件過程中涉及信息科技方面的知識。通過本項目學生可以靈活運用各學科知識并進行整合，實現(xiàn)了運用跨學科知識設計并實現(xiàn)人工智能應用，解決了社會中實際出現(xiàn)的問題。

教師評價。在自動門測試中，學生需要在多個方面進行裝置的優(yōu)化和改造。首先，對于舵機擺臂無法同步擺動的問題，涉及科學方面知識，學生應檢查擺臂的正確安裝。編程方面需檢測程序錯誤，確保引腳連接與程序一致。構建感應門時，學生可運用審美、工程和藝術觀念，借助樂高積木創(chuàng)造不同樣式的大門，使作品更加形象生動。

學科知識評價：教學內(nèi)容涉及科學、信息科技、數(shù)學等多個學科領域，實現(xiàn)了跨學科知識的融合，促使學生更全面地了解和應用相關概念。

技能發(fā)展評價：本次教學過程注重實際操作，通過學生親身感受自動門和進行硬件的組裝、調(diào)試，提高了學生的實踐能力，讓他們更深入地理解和應用所學知識。

創(chuàng)新能力評價：引入錄音模塊，為學生提供了更多創(chuàng)新的機會，促使他們思考問題并找到解決方案。

合作能力評價：小組合作為學生提供了平等的參與機會，增進了學生之間的交流，并培養(yǎng)了團隊協(xié)作和問題解決的能力。在小組合作中，關注每個學生的個體差異，可以確保每位學生都能夠有所貢獻，并及時調(diào)整小組成員的分工，以提高整體協(xié)作效果。

從跨學科角度深入研究中小學生人工智能教育實踐。在課程體系和教學實踐內(nèi)容方面仍需繼續(xù)優(yōu)化。期待未來人工智能教育在建設完善課程體系的研究中能夠有更廣泛、更深入的思考，以便提升人工智能教育的有效性。

（作者單位：蘭州東方學校）