小学阶段基于STEM下的人工智能教学探索与研究

摘要

STEM的概念是通过学生的自主学习和老师的协同作用来运用科学，技术，工程，数学等学科来解决现实遇到的实际问题，而人工智能的飞速发展也为现在教育带来了新的血液。小学是学海生涯的初级阶段，也是养成良好的学习习惯和学习思维的重要阶段。在小学教学过程中，教师们有必要将STEM教育与人工智能教学相结合。让学生不断的突破和成长，为今后的智能化社会发展奠定坚实的基础。

关键词STEM教育人工智能教学

第一章研究背景

　1.1小学人工智能课程的发展与实践

随着现代化，智能化的发展，人工智能已经成为我们生活中必不可少的角色。2017国家出行的《新一代人工智能发展规划》中已经表明：“在中小学阶段设置人工智能相关课程，推广编程教育”2018年教育局发行的《教育信息化2.0行动计划》已确切指出：“完善课程方案和课程标准，充分适应信息时代，智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容。”2020年教育部在《2020年教育信息化和网络安全工作要点》中明确要求出：“继续推进中小学人工智能教育课程建设应用推广工作”。至此，人工智能教学已是现代社会教学的重中之重。小学阶段是学生思维发展和良好的行动习惯初长成的黄金时间，更应该大力推行人工智能课程的实行，对未来人工智能的普及和实施奠定良好的基础。

虽然全国各地已经全方面开展人工智能的教学课程，但是随着地区的文化差异和教育水平差异，可发现该课程目前的推动进展参差不一。究其原因，可归结于以下几个方面：首先是教师对人工智能教学的认知水平存在差异化，据统计，大多数此类课程会由信息老师及兴趣班（如机器人，AI系统）来进行普及教学。在教学的过程中缺乏人工智能领域的基本知识。大多数学生都是知其然，但不知其所以然。在课程学习中，绝大多数老师只关心编程的方法传授，忽视了学生的自主思考和自主编程能力的培养，与传统填鸭式教学并无二致。其次，教师在教学的过程中，模式过于单调，不能做到逐情分析，导致教师的教学多样性下降，学生的主观能动性不高。

综上所述，对人工智能教学的探索与研究，是从事相关工作教师的基本职责，合理教学方法是推动人工智能教学的良好途径，是能够促进我国基础教育阶段人工智能教学研究，是具有极高发展前景的。

1.2STEM教育模式与人工智能教学的适切性

首先让我们了解一下STEM是什么？它是科学、技术、工程、数学四个领域的结合体。不同于单一的语文、数学、英语等学科，它是通过具体的问题，运用多角度的思维模式和学科知识来解决问题，因此是一种综合性的能力培养。需主要培养的是学生以下四大素养：一是科学素养。科学是世界发展的基本规律，是基础，是使技术发展掷地有声的重要保证。所以需要学生掌握科学知识、科学规律，并形成科学精神。二是技术素养，就是科学的运用，是科学的具象化。在培养这类素养的过程中，不仅仅是让学生掌握、运用、评价技术，更重要的是学生发明创新的能力，要使学生跳出思维的定式。三是工程素养。工程是技术的实际运用，工程素养指对技术的工程设计与开发过程的理解，需要学生追本溯源的能力，并且在工程完成后进行一定的总结和反思。四是数学素养。之前所谈的科学、技术、工程，都是以数学为基石的，数学是掌握科学、技术和工程设计的工具。学生必须要掌握良好的数学知识、数学定理、能够有效地进行数学运算，并具有数学推算的能力。

STEM教育作为一种全新的跨学科教育理念，他与人工智能教学具有一定的适切性。主要表现在学科特性和培养目标上。在学科特性上，人工智能涉及编程理论、计算机技术、智能AI系统、逻辑学、数学等多种学科知识相继融合的新派技术教学。并且，其中理论知识难度较大，枯燥乏味的部分较多，对于小学阶段的学生，更要求老师在备课过程中需要考虑学生的实际情况，从学习生活中的情境出发，抽丝剥茧的帮助学生了解人工智能的实质。而STEM教育正是将抽象的知识具象化，与生活相结合，能更好更快的使学生知晓问题逻辑和原理。至此，STEM的教育理念与人工智能学科特性异曲同工。此外，从培养目标上来看，人工智能教学目前已成为目前环境的必然趋势，在大数据时代，国家需要更多的软件与硬件人才，培养学生的相关素养便成了当下教育的重要发展方向。从而巩固国家的核心竞争力，打破国外市场的垄断。STEM教育通过各学科的融合，能有效的培养学生的综合素质。通过发展STEM教育使其与人工智能教学相结合，将使我国的人才培养计划更加的顺利，高效，具有很高的价值指导。

第二章研究方法

本文主要研究的是小学阶段基于STEM下的人工智能教学，所以中心思想是STEM教育理念。结合已有的人工智能教学理论。本人觉得研究方法可以分为以下三点：

（一）打造基础学习理论

学生是具有一定的学习基础与学习经验的。在接受新的知识的过程中，通常会借助以往的学习经验，从而吸收并消化新的知识。STEM教育就是要充分调动学生的主观能动性，要引导学生进行主动思考，发问。在此过程中学生是主导者，老师往往承担着引导者的职责。在与人工智能相结合的时候需注意，要不断的鼓励学生自主探索与发现问题，运用多种活动教学，在实践中完成对问题的研究与分析。最终实现教学目标的完成，让学生掌握知识，锻炼技能并养成相关的科学道德素养。

（二）实践理论。

毛xx曾说过“实践是检验真理的唯一标准” 。这句话放在现代的教育上也是相通的。我们要摒弃过往教育上”纸上谈兵“的教学方法，要让孩子们在做中学。X教育家杜威曾发表过系列文章。杜威认为不应该”先知后行“，应该从活动中学，从经验中学，强调学生通过知行结合的方式，在实际意义的活动中理解并掌握知识。这和我们的实践理论不谋而合，而STEM教育正是实践中学习的代表。在人工智能教学的过程中，老师需要把理论知识和逻辑思维包裹在生活情境和具体的项目中，引导学生通过具体的工程设计来对人工智能有更深一步的了解，并激发学生的兴趣，从而形成良性发展。

　（三）逻辑思想

Bug（程序漏洞）是人工智能设计过程·中希望减少产生的东西，这就需要学生养成良好的逻辑思维。工程和数学是STEM教育中重要的组成要素，工程设计理论和数学逻辑思想是STEM理论各个学科之间融合的粘合剂。学生需要像工程师一样运用各种工具进行逻辑的验证与创造。、，并结合实际状况做出相应的调整，解决项目设计与实施过程中遇到的各种问题。小学是学生想象力蓬勃发展的重要阶段之一，通过教师良好的引导，有效的将各种奇思妙想落为实地，提升人工智能教学的教学效果。

第三章 STEM的小学人工智能的教学探究

3.1利用STEM科学的结合，使枯燥的历史鲜活起来。例如在《人工智能发展历史》一课中，教师可以通过引入中国科学家对人工智能理论技术的贡献，使学生们了解人工智能发展的背景。在讲解的过程中，把中国科学家的科学探索和钻研精神融入教学中，介绍我国科学提出的人工智能理论和方法。在一个个案例中培养学生良好的科学精神习惯，将专业知识和科学教育自然的结合。

3.2 运用STEM工程和技术的理念，培养学生编程思维和独立思考的能力。首先教师需要家长明白现代社会让孩子学习编程并不是为了成为程序员或为从事计算机行业做准备，更多的是学习一种解决问题的思路。小学编程与家长理解的编程不同，小学编程从一开始并不是学敲写英文代码，开发程序这类的知识，而是从图形化编程开始。而通过现阶段工程和技术理念的运用，例如Scratch图形化编程语言，孩子不需要会英文、敲写代码，只需按照一定的逻辑顺序，通过拖拽积木模块等简单操作，就可以进行编程，这种方式大大降低了学生学习难度。当学生对编程有了一定的兴趣和基础后，再进行系统化学习，此时可以开始尝试学习代码编程语言，如Python和C++。

3.3运用STEM数学理念，练习和提高逻辑思维。首先孩子们应当掌握基本的加减乘除之间的运算顺序。数学和编程的学习有着最直接的关系。数学的基础知识，能够帮助我们编写代码，运行程序。其次，还要理解数学的基础知识和编程知识的区别。在学习少儿编程的过程中，应当掌握循环加减的运算方法。学习编程，还需要掌握逻辑函数，这点对小学阶段的学生来说是非常难的，因为有关于“是否”的问题涉及到抽象的概念，和一些交叉判断。学生理解起来就会有一些吃力，但这是小孩子学习的过程中必须掌握的知识，所以我们要通过STEM教学中的数学理念加强这方面的要求和训练，在学习编程的过程中，也会反复训练孩子的这一思维方式。

第四章研究展望

人工智能教学是我国未来化发展的必经之路。在国外多年技术垄断的今天，青少年是人工智能发展的坚实后盾，但这也必也将是“路漫漫其修远” ，需要经历一个漫长的实践与研究过程。本文从人工智能教学出发，与STEM教育相结合，希望能够在小学阶段培养学生的创新能力，实现理论到实践的突破。在此过程中，教师要有意识的引导学生运用逻辑思维解决相关问题，让学生去了解什么是可视化图示和可视化编程工具之类的知识。在STEM教育理念下，也需要给学生更多的协作与交流的机会，可以以小组为单位。进行头脑风暴，在上手操作中建构知识，掌握技能，从而更利于现代信息化社会的发展。

最后本人希望通过STEM教育和人工教学的相结合，能有效培养小学生的综合素养，提高学生对人工智能的兴趣度。成为人工智能领域的优秀人才，为我国人工智能的发展做出贡献。

致谢

在进行毕业设计的这段日子里，很开心也很烦恼，学到了很多知识的同时也看到了现在的自己有多渺小。在这里首先我要感谢我的指导老师，感谢您的辛勤付出，感谢您的谆谆教诲，是您的教导让我得以展翅高飞！其实我要感谢和我一起在教室熬夜设计的同学们，是你们的坚持让我学到了什么是持之以恒，什么是优秀！最后我要拥抱我自己，未来的路还很长，我需要时刻谨记：谦虚谨慎，戒骄戒躁。

参考文献

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