浅析小学人工智能课程的STEAM分层教学
-083-2022年
第6期（总第310期）
教学国务院印发的《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》强调：“激发青少年好奇心和想象力，增强科学兴趣、创新意识和创新能力，培育一大批具备科学家潜质的青少年体，为加快建设科技强国夯实人才基础”，“推进信息技术与科学教育深度融合，推行场景式、体验式、沉浸式学习”。［1］根据武汉市教育局《关于做好我市中小学人工智能教学试点工作的通知》，武汉市作为国家“智慧教育示范区”，部分中小学已于2020年秋季学期起开展人工智能教学［2］。华中科技大学附属小学作为武汉市人工智能课程实验学校，进行了为期一年的信息技术课程和社团人工智能课程教学的STEAM 分层教学探索。
一、研究背景
笔者在“CNKI 中国知网学术文献总库”检索关键词“STEAM+小学”，查到近五年有643篇相关文献；检索关键词“分层教学+小学”，查到近五年有3440篇相关文献；检索关键词“人工智能课程+小学”，查到近五年有85篇相关文献；检索关键词“人工智能课程+STEAM+分层教学”，查到近五年有0篇相关文献。由此可见，在近五年的学术研究中，我国对STEAM 教育和分层教学已有一定探索，但是对小学人工智能课程中的STEAM 分层教学的研究仍存在空白。
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（一）STEAM 教育
2016—2019年，教育部印发《教育信息化 “十三五”规划》等多份文件推动STEAM 教育在我国的落地和深化。经赵呈领等多位学者的研究，STEAM 教育的核心可以概括为三个方面：一是融合视角，整合科学、技术、工程、艺术和数学等领域，以“元科学”定义学科概念，打破单一学科边界；二是项目视点着眼于运用现实背景创设问题情境，强调真实、有趣、有梯度；三是人文视域尊重学生的多元智能差异［3］。
（二）分层教学
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》提出：“注重因材施教。关注学生不同特点和个性差异，发展每一个学生的优势潜能。推
进分层教学……”［4］随着社会科技的发展，身为“数
字土著”，这一代学生虽然对计算机、信息、人工智能等字眼并不陌生，但是城乡同类教学对象之间仍存在发展、接收的差异。经实践，分层教学是目前针对城乡差异最为理想的教学方式。
（三）小学人工智能课程教学
国务院印发的《新一代人工智能发展规划》要求：“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育……”［5］因此，华中科技大学附属小学3至6年级进行了为期一年的信息技术课程和社团的人工智能课程的教
浅析小学人工智能课程的
STEAM 分层教学
张　莉
摘　要：我国对STEAM 教育和分层教学已有一定探索，但是小学人工智能课程的STEAM 分层教
学研究有限。文章以“智能台灯”一课为例，从教学内容、STEAM 课程目标、分层教学设计、教学效果、学习评价和教学反思六个方面出发，对比三组学生作品，浅析如何在人工智能课程中进行STEAM 分层教学，以期改善不同学情采用相同教学方法的现状，为小学人工智能课程的STEAM 分层教学课程设计提供实现路径。
关键词：STEAM 教育；分层教学；人工智能课程
作者简介：张莉（1980—），女，华中科技大学附属小学，副教授，本科学历。
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教学学摸索，尝试了AI 上智慧生活、全能助手、DJI 教育平台、畅言智AI 教学平台、iTechEdu 等设备（平台），使人工智能课程教学由最初的指导少部分学生参与各级编程类、机器人类、人工智能比赛发展为日常信息技术课程和社团课程的实践教学。
二、研究课例
本文以三组学生学习过程及其作品为例，从教学内容、STEAM 课程目标、分层教学设计、教学效果、学习评价和教学反思六个方面出发，浅析人工智能课程“智能台灯”一课的STEAM 分层教学。
（一）教学内容1.传感器特性2.LED 灯的工作原理
3.“如果……执行……”功能块（二）STEAM 课程目标
表1 STEAM 课程目标
STEAM 内容
科学（Science）了解传感器的特性，了解LED 灯的工
作原理
技术（Technology）掌握主控，并使用“如果……执行……”功能块
工程（Engineering）
完成“智能台灯”的结构设计、搭建、连线、程序开发、调试验证
艺术（Art）
产品设计形态合理，有良好的用户体验
数学（Mathematics）程序参数设置合理
（三）分层教学设计
本课分层教学设计由学习者、教学目标及教学策略构成。
1.学习者分层
三组学生前期学习时间均为4个课时。学生要基本了解零件的组成和作用、编程软件、蓝牙连接方式等。
A 组学生为四年级学生，有1年左右的编程学习基础，参与社团学习半年，均未参加过编程类、机器人类比赛。
B 组学生为五年级学生，有2年左右的编程学习基础，参与社团学习1年。其中，1名学生参加过编程类、机器人类比赛各1次。
C 组学生为六年级学生，有4年左右的编程学习基础，参与社团学习4年，均多次参加各级编程
类、机器人类比赛。
2.教学目标分层
根据三组学生学情和本节课STEAM 课程目标，教师设计了三层教学目标。
A 组学生教学目标：
（1）了解传感器特性，进行有效小组讨论；（2）完成“智能台灯”的设计及搭建；（3）初步掌握“如果……执行……”功能块。
B 组学生教学目标：
（1）了解传感器特性，进行有效小组讨论；（2）完成“智能台灯”的设计及搭建；（3）掌握“如果……执行……”功能块，编写程序且调试成功。
C 组学生教学目标：
（1）了解传感器特性，进行有效小组讨论；（2）完成“智能台灯”的设计及搭建；（3）灵活运用“如果……执行……”功能块，编写程序且调试成功；
（4）作品至少有两个特点。3.教学策略分层
A 组采用先行组织策略。教师组织学生合作学习，提供部分图片、视频、3D 图纸等资源包，促进学生思维拓展，让其在现有资源中组织新信息，组合新思路。
B 组采用认知发展策略。教师让学生在实践活动中发现问题、解决问题，并做关键性个别指导。
C 组采用自我管理策略。教师教授原则和技巧，关注其学习过程，让其自由发挥，教师从旁指导。
地摊货卖什么最好赚钱（四）教学效果1.A
组学生作品
　图1  A 组学生活动记录      　图2  A 组学生作品
A 组学生作品采用的主要部件有声音传感器、温湿度传感器、光感传感器、LED 灯、开关、主控和连接线，拟实现的功能有两个。（1）声控灯。当光线比较暗、声音到达一定值时，LED 灯变亮。（2）根据气温调节灯的调。如果温度较低（＜30℃），灯为暖调，温度较高（≥30℃），灯为冷调。
经测试，A 组作品功能（1）已实现，功能（2）无测试条件。
2.B
组学生作品
电脑怎样重装系统
图3 B 组学生活动记录      图4 B 组学生作品
B 组学生作品采用的主要部件有声音传感器、
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教学
金匮肾气丸的作用
红外传感器、LED 灯、舵机、开关、主控和连接线，拟实现的功能有两个。（1）提示噪声。当有噪声时（音量≥80dB），LED 灯呈七彩跑马灯。（2）利用PAD 控制灯的旋转方向/停止。当PAD 向左（右）倾斜时，灯柱也会向左（右）旋转；当PAD 向上倾斜时，灯柱停止转动。经测试，B 组作品功能全部实现。
3.C
描写豪情壮志的诗句组学生作品
图5 C 组学生活动记录            图6 C 组学生作品
C 组学生作品采用的主要部件有超声波传感器、压力传感器、舵机、轮子、LE
2022年6月黄道吉日查询D 灯、开关、主控和连接线，拟实现的功能有三个。（1）折叠便携。作品初始为黄灯，当按下压力传感器时，灯熄灭，灯柱会倒下折叠，便于携带；当长按键时，灯柱会恢复原位。（2）用PAD 可以控制“智能台灯”前进和后退，达到目标点。由于缺少轮子零件，该组安装了万向轮实现“智能台灯”的转圈功能。（3）障碍物提示。当遇到障碍物（距离≤8m）时，LED 灯会呈红，提示遇到障碍。经测试，C 组作品功能全部实现。
（五）学习评价
评价参考信息技术四大核心素养（信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任）和合作学习的要求。一方面，课后学生根据学习情况进行组内简单自评及口头反馈；另一方面，教师根据学生学习过程表现和作品完成度给予评价。学生自评由以下五点评价内容组成。第一，达成本节课的学习目标；第二，设计清晰的问题解决方案；第三，创造性地完成学习任务；第四，分工合作、互帮互助；第五，有效管理学习资源。
在课后学生口头反馈环节，A 组学生想法很多，但是实现起来有困难，还需要更多的知识积累。B 组学生自我创新不足，认为时间主要花在了代码的简化上。C 组学生认为零件数量局限了自己的发挥空间。虽然三组学生的操作过程都有遗憾，但是他们都掌握了本课的基本知识点和达成了课程目标。
（六）教学反思
一是三组学生都使用了两个以上的传感器、1个LED 灯和主控的主要部件。除A 组有1个设计功能因条件有限无法测试，B、C 组构思的功能都调试成功，且超出了分层教学的预期目标。
二是根据三组学生的活动记录可以发现，A 组学生侧重于搭建结构，提升用户体验，对环境测试则缺乏经验，该组作品有1项功能无法测试，但经验证，其代码正确，在有条件的情况下，该功能应该能实现。B 组学生在搭建部分增加了舵机，使其与第三方工具的连接更为紧密，操作更加方便，代码更为简洁，但逻辑不够清晰。C 组学生不仅添加了更多器件，实现了更多功能，而且代码简洁、完整、逻辑清晰。其记录单上的思维导图也表达得很清楚，作品绘制逼真。
三是不同的分层教学策略符合各组学生的学
情，学习效果达到预期。
四是长期的学习和比赛经验的积累，会使学生思维更加开阔。C 组学生无论是在作品外观设计、编程测试环节，还是在合作学习方面，都表现得更为突出。
三、研究与展望
当前，我国小学人工智能课程教学尚处于起步阶段，其STEAM 分层教学更是我们亟待探索的模式。教师只有对学生的学情进行精准定位，推行STEAM 分层教学，调整教学内容，采用适宜的教学策略，
才能稳步推进人工智能课程教学工作，不断提升学生的多学科综合素养。［参考文献］
［1］国务院.国务院关于印发全民科学素质行动规
划纲要（2021—2035年）的通知［EB/OL］.（2021-06-03）［2021-11-15］.http：//v/zhengce/content/2021-06/25/con-tent_5620813.htm.
［2］武汉市教育局.关于做好我市中小学人工智能
教学试点工作的通知［EB/OL］.（2020-10-16）［2021-11-15］.http：//v/zfxxgk/fdzdgknr/wjtz20201009/202010/t20201023_1471803.shtml.
［3］李天宇.基于STEAM 教育的中小学人工智能教
育研究：以“机器会思考吗”一课为例［J］.现代教育技术，2021（01）：90-97.［4］国家中长期教育改革和发展规则纲要工作小组
办公室.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）［EB/OL］.（2010-07-29）［2021-11-15］.http：//v/src-site/A01/s7048/201007/t20100729_171904.html.［5］国务院.国务院关于印发新一代人工智能发展
规划的通知［EB/OL］.（2017-07-20）［2021-11-15］.http：//v/zhengce/con-tent/2017-07/20/content_5211996.htm.

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