【人工智能+项目式】小学信息科技 | 融合·建构·实践:STEAM视域下高段信息科技计算思维培养——以“智能学习助手”项目开发为例

融合·建构·实践：STEAM视域下小学高段信息科技计算

思维培养——以“智能学习助手”项目开发为例

【摘要】：在科技飞速迭代的当下，STEAM教育能帮青少年锻炼创新能力、问题解决能力和计算思维。但目前在培养小学生计算思维时，存在具象感知力匮乏、逻辑推理力欠缺、模型建构力不足、反思迭代力较弱等问题。基于以上分析，本文围绕以问题解决为导向的教学策略，融合STEAM教学模式，从生活情境提升具象感知力、通过逻辑建构增进逻辑推理力、借助计算模型助推模型建构力、利用迭代优化促成反思迭代力四个维度设计学习任务。以“智能学习助手”人工智能项目教学为例，将模型应用实践。实践结果表明，该模式能清晰呈现问题解决的路径，促进学生知识的有效迁移，显著提升信息科技学科计算思维。

【关键词】：STEAM教育；计算思维；人工智能

本文针对当前小学生计算思维培养中存在的具象感知、逻辑推理、模型建构与反思迭代能力不足等问题，提出了融合STEAM教育的“智能学习助手”项目化教学方案。该方案通过生活情境、逻辑建构、计算模型与迭代优化四个维度，设计有效学习任务，以提升学生的计算思维与创新能力，并经过实践验证取得显著成效。

《义务教育信息科技课程标准（2022年版)》明确提出，计算思维是信息科技课程的核心素养之一，是个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及抽象、分解、建模、算法设计等思维活动。教学若以教师演示、学生模仿为主，缺少生活中的数据整理、活动策划等真实问题情境，学生便难以体会计算思维的实际用处。结合现状，目前培养小学生计算思维时，发现普遍存在以下问题：一是具象感知力匮乏。学生往往只能描述问题中的表面现象，而无法抽象出可计算的关键要素，提取关键信息能力较弱；二是逻辑推理能力欠缺。编程学习中，用Scratch、Python等软件设计程序时，学生能仿照绘制思维导图或流程图，约40%的学生缺乏独立分析能力，步骤逻辑链不缜密；三是模型建构能力不足。学生模型识别能力较弱，处理数据类任务时，如统计班级同学身高，仅约30%的学生会用“输入数据一分类整理一计算分析一可视化呈现”通用流程，多数仍用逐个记录的原始方式；四是反思迭代能力较弱。学生采用的调试方法比较单一。在做机器人或编程任务时，70%的学生碰到错误，会选择“随便改改”或者“全部重写”。编程调试中，存在调试方法效率低、迭代优化意识弱的问题。基于以上分析，发现当前信息科技计算思维教学缺乏行之有效的教学模式，忽视了以学生为主体的学习方式创新，不利于促进学生的全面发展。

2013年3月，树莓派基金会正式发布第一款树莓派，虽然其外形只有信用卡大小，却有计算机的所有基本功能设置，一经上市立刻被抢购一空。在2026年的今天，我们在的智能房间灯、感应窗帘、语音唤醒中都能发现树莓派的身影。我们的信息科技课堂中，学生用树莓派搭建属于自己的智能小器件，对学生计算思维的开发有极大的裨益。

STEAM教育属全面发展的教育模式，如今愈发受到重视。它把科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）和数学（Mathematics）五科有机融合，遵循跨学科融合、问题导向、实践创造、艺术赋能、协作反思原则，培养全面发展的孩子。“智能学习助手”人工智能项目开发结合该模式，制定了以下实施方案图（见图1）。

图1实施方案图

下面结合“智能学习助手”人工智能项目作品开发过程，谈一谈STEAM视域下小学高段信息科技计算思维的培养模式探究。

1.发现问题，建立敏感度

创作的主题源于生活中的真实情境。有时灵感是一闪而过的火花，有时灵感是不经意间撞入心怀的惊喜。我们在日复一日的生活中，总会发现拥有一个好的生活习惯，能让我们在学习与工作中效率更高。教学中先让学生填写优化作息导学单，导学单调查内容是学习越来越忙，带来的压力也越来越大，你是否坚持早睡早起，是否认真完成每一次老师布置的学习任务呢？完成任务时又能否及时得到正向的反馈？

2.提出问题，培养洞察力

根据学生填写的导学单，发现部分学生在家完成作业拖拉，任务完成后又缺乏及时的反馈。那我们能否设计一款智能学习助手，专门针对小学生课后学习，专注每日任务规划、学习帮扶，还能对学生表现给予正向反馈?

3.确定主题，形成方向感

这个就可以界定为我们实践研究的项目化学习主题方向——设计一款“智能学习助手”人工智能作品。

1.创新设想，拓展可能性

有了探究方向，接下来提出设计的最初功能设想，我会抛出这样的问题：针对以上问题，你觉得这个“智能学习助手”人工智能作品要拥有哪些基本功能？让两人小组合作，先进行大胆设想。学生们你一言我一语，反馈的想法更是天马行空：生1：它要具备显示时间的功能。生2：它要有提醒和查询功能。生3：它能根据房间亮度来自动调节台灯亮度，保护我们的眼睛。生4：它能够罗列我每天的作业或者任务，完成一样后显示完成。生5：如果我完成背诵或者朗读作业，可以以语音的形式发送给爸爸、妈妈，并且他们听后发现错误的地方，能及时告诉我。

学生们激烈讨论的过程，也是学生们创新思维和计算思维迸发、碰撞的过程，在各抒己见中，不断改进完善，最后大家形成了统一的结论，梳理出了“智能学习助手”人工智能项目作品应具备如下分解功能：①时钟显示：实时更新。②温控风扇：检测人员状态，超过29℃自动开启风扇。③任务管理：可切换、查看任务，完成可标记消除。④智能台灯：落座自动开启并随环境光调节亮度，离座关闭。⑤语音助手：内置“小度”，提供实时问答支持。⑥背诵检查：支持向家长发送背诵内容并接收语音反馈。⑦睡眠管理：睡前提醒，到点关灯并播放随机睡前故事。

2.绘制草图，具象化思维

在学生们形成一致的创新设想后，我们就可以绘制功能草图了。功能草图可以清晰地展示每一个功能模块所负责的具体任务，起到统筹全局的作用。学生们以两人小组为单位绘制功能草图或者思维导图。处理控制中心并列处理每一个功能模块，实时检测每一个外接传感器的状态，当对应功能的传感器触发之后，执行相应的动作，实现此功能。