威客电竞华师专家研究成果 汤铭：基于大概念的跨学科项目式学习——以高中通用技术智能家居教学为例

　　原标题：华师专家研究成果 汤铭：基于大概念的跨学科项目式学习——以高中通用技术智能家居教学为例

　　随着新一轮课程方案的实施，我国的基础教育改革全面进入“核心素养”时代，新课程方案中明确提出每门学科应该安排一定的时间进行跨学科主题学习。

　　在普通高中通用技术学科选择性必修模块“智能家居应用设计”校本课程教学中，我们以（跨）学科大概念统摄单元内容；以智能时代智慧家居生活为主题开展跨学科教学；通过解决真实情境中的复杂问题，提高学生解决问题的能力，发展学生对（跨）学科核心概念的理解，培养学生的核心素养。

　　《普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称通用技术新课标）指出“技术发展日新月异，大数据、人工智能、虚拟现实、新材料、新能源技术等开始走进日常生活，通用技术课程内容应与时俱进。”表1是高中通用技术课程结构，其中“智能家居应用设计”模块与学生生活联系密切，绝大部分学生在生活中使用过智能家居产品。通用技术新课标指出“智能家居融合了物联网、人工智能、……、自动控制等先进技术，……为学生感受先进技术在家庭生活中的运用提供一个集通信、计算、控制于一体的应用性学习窗口。”

　　《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称信息技术新课标）指出“信息技术……深刻影响着社会的经济结构和生产方式，加快了全球范围内的知识更新和技术创新，推动了社会信息化、智能化的建设与发展，催生出现实空间与虚拟空间并存的信息社会，并逐步构建出智慧社会。”表2是高中信息技术课程结构，其中选择性必修模块“人工智能初步”与当今智能时代人工智能技术密切相关。信息技术新课标指出“学生应该了解人工智能的发展历程及概念，……，通过搭建简单的人工智能应用模块，亲历设计与实现简单智能系统的基本过程与方法，增强利用智能技术服务人类发展的责任感。”

　　通用技术学科和信息技术学科虽是两个独立的学科，但是两个学科都属于技术领域，两个学科存在紧密的联系。比较表1和表2我们发现通用技术智能家居应用设计模块涉及人工智能技术的具体应用，但通用技术教材并不包含人工智能技术的具体内容；信息技术课标及教材中虽然有人工智能技术的教学内容，但并不包含人工智能技术在智能家居中的应用。结合跨学科主题教学理念，备课组思考能否在通用技术智能家居应用设计模块的教学中融入信息技术人工智能初步模块的内容。

　　《普通高中课程方案（2017年版2020年修订）》中指出新课程的一个重要变化是“1.凝练了学科核心素养。……2.更新了教学内容。进一步精选了学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实。”大概念是学科中的核心概念、重要的原理方法，重要的观点思想等。大概念居于学科的核心地位，可以聚合学科中的许多其他概念，能够起到纲举目张的作用。如果学生理解了大概念，那么即使学生离开学校走上社会多年后，在特定的情境刺激下，仍可激活头脑中大概念，用来解决现实世界中的复杂问题。也就是说，大概念是我们希望学生完成学校教育走上社会后留下的东西，它可以贯穿学生的终生，对学生来说具有生活价值。学生理解了各学科领域中的诸多大概念，有利于形成高通路迁移，以便在未来解决现实世界中真实复杂的问题，应对未来各种未知的不确定的挑战。有学科大概念和跨学科大概念之分，同一学科内的大概念之间存在相互联系，跨学科的大概念又将不同学科知识联系在一起。因此，不管是学科内的大概念之间，还是学科间的大概念之间，彼此相互联系呈现网络状的结构。如果学生大脑中建构了恰当的大概念网络，未来就可以像专家一样解决现实世界真实情境中的复杂问题。

　　在仔细研读两个学科新课标及教材的基础上，我们梳理了两个学科的大概念。如下图所示，通用技术学科大概念包括：结构、流程、控制、系统；信息技术学科大概念包括数据、算法、信息系统、信息社会。我们发现“系统”是两个学科共同的大概念，其实“系统”也是地理、生物、物理、化学等学科的大概念，也就是说“系统”是一个跨学科的大概念。

　　如果学生深刻理解了“系统”这一跨学科大概念，就能迁移到不同真实情境，运用“系统”的思想和方法从全局的视角分析解决复杂问题。因此，备课组以“系统”这一跨学科大概念来整合通用技术智能家居应用设计模块与信息技术人工智能初步模块的学习内容，智能家居校本课程概念地图如下图所示。

　　本案例内容设计主要依据通用技术新课标选择性必修模块“智能家居应用设计”相关要求，结合信息技术新课标选择性必修模块“人工智能初步”的教学要求，以智能时代智能家居生活为主题开展跨学科学习，在通用技术《智能家居》校本课程教学实践中取得了不错的教学效果。

　　根据新课标的要求以及高中学生的实际情况，备课组对“智能家居应用设计”教学内容进行了整合，增加了跨学科主题学习的课时，制定了以下单元教学目标：

　　2.了解人脸检测、人脸识别在生活中的典型应用；通过体验人脸检测了解人脸检测的基本原理；通过体验人脸识别，初步学会利用基于浏览器的人脸识别和物联网技术搭建人脸识别产品模型。

　　3.了解语音识别技术在生活中的典型应用；通过采集语音数据、训练模型、测试模型识别效果，体验人工智能技术解决问题的一般流程；初步学会利用基于浏览器的语音识别技术和物联网技术搭建语音识别产品模型。

　　4.了解图像识别技术在生活中的典型应用；通过采集图像数据、训练模型、测试模型识别效果，体验人工智能技术解决问题的一般流程；初步学会利用基于浏览器的图像识别技术和物联网技术搭建图像识别产品模型。

　　5.初步了解和体验人工智能技术的特点，感受人工智能技术对生活与学习带来的影响，尝试用机器学习方法解决技术问题，进一步激发学生学习和探究新技术、新知识的积极性，提高综合应用技术的能力。

　　利用tensorflow.js开源人工智能深度学习平台体验人脸检测、人脸识别、语音识别，了解人工智能的基础知识及典型应用；利用tensorflow.js网页程序、MQTT物联网协议及Arduino开源电子平台设计简单的人脸识别智能锁、语音识别智能灯、人脸口罩智能检测等基于人工智能的智能家居产品模型。

　　本单元的教学内容来源于学生生活中的真实问题情境，每课时导入环节采用情境教学法。例如，通过播放学校门岗体温检测装置引出人脸检测，激发学生学习兴趣。

　　单元教学中设计了三个实践项目，通过任务驱动教学法，让学生“做中学、用中学、创中学”，通过完成项目提升学生利用技术解决实际问题的能力。

　　本单元的教学内容主要涉及通用技术和信息技术，学生经历了一次以“智能时代智能家居生活”为主题的跨学科学习。

　　学生学习技术是在一系列活动中达成的，《智能家居》人工智能教学单元主要安排以下学习活动。

　　《人脸口罩检测》教学内容来源于学生生活中的真实问题情境，导入环节采用情境教学法。通过播放公共场所戴口罩提示场景，让学生知道公共场所佩戴口罩的重要性；通过播放学校门岗体温检测装置不能检测是否戴口罩引出课题——人脸口罩检测，激发学生学习的兴趣。

　　本课主要采用任务驱动教学方法，教学重点是利用图像识别程序及MQTT物联网通信协议搭建图像识别物联网应用，难点是图像识别的原理。课堂中先让学生完成基本任务——人脸口罩检测。通过教师示范，让学生知道使用图像识别程序训练人脸口罩识别模型的方法；通过教师讲解及人脸戴口罩检测演示，让学生知道利用图像识别程序、MQTT物联网协议及Wi-Fi单片机搭建人脸口罩检测的方法。通过拓展任务——手语识别LED灯，让学生自主探究使用图像识别程序训练手语识别模型，并综合利用MQTT物联网协议及Wi-Fi单片机搭建手语识别LED灯控制。通过基本任务和拓展任务的教学突出本节课的重点——初步学会利用图像分类识别程序、MQTT及Wi-Fi单片机搭建物联网应用。

　　图像识别的原理是本节课的难点。教学中通过提问“刚出生的婴儿能识别人是否戴口罩吗？”让学生知道人类并非天生就会进行图像识别，是大脑神经网络通过后天的学习学会的。通过将计算机识别图像的过程与人识别图像的过程进行类比，让学生了解人工神经网络进行图像识别的基本原理。通过讨论、交流、类比的方法突破难点。

　　本节课还采用了跨学科学习，图像识别原理及图像识别程序的应用涉及信息技术学科；单片机、MQTT物联网协议的应用涉及通用技术学科。

　　学具：电脑、摄像头、Wi-Fi单片机开发板、自制物联网实验板、tensorflow.js图像识别程序等

　　教学环境：1台教师机、20台学生机、局域网、Wi-Fi无线路由器、MQTT服务器、Mixly编程工具等

　　1.通过观看媒体、演示、交流讨论，了解图像识别技术在生活中的典型应用，感悟人工智能技术对生活的影响；

　　2.通过人脸口罩检测项目实践，了解图像识别的基本原理，初步学会利用图像识别、Wi-Fi单片机和MQTT物联网协议搭建基于AI+IOT的智能家居产品模型的方法；

　　3.通过展示、交流、讨论、评价，初步学会利用AI图像识别和MQTT进行物联网应用创新设计，形成亲近、运用智能技术的积极情感。

　　教学重点：初步学会利用图像识别程序、单片机以及MQTT协议搭建物联网应用

　　《智能家居》校本课程人工智能单元教学是在通用技术相关内容的基础上，结合信息技术新课标中“人工智能初步”相关教学要求设计的。教学中的人脸检测、人脸识别、语音识别、图像识别案例均与学生生活密切相关，能较好的激发学生学习人工智能技术的兴趣。学生在学习中经历跨学科学习的过程，提升了综合利用技术解决实际问题的能力，加深学生对跨学科大概念的理解，有利于学生进行迁移。

　　单元教学实践项目有机的将人工智能和物联网技术融合在一起，其基本实现原理如下图所示。

　　如图4所示，电脑麦克风、摄像头获取外界的声音和图像信息经过运行在浏览器中的tengsorflow.js神经网络模型推理得到预测结果，通过MQTT服务器将结果发布给单片机，单片机根据预测结果控制执行器执行相应动作。

　　由上图可见普通学校的学生机房添置摄像头、无线路由器、Wi-Fi单片机等硬件，安装MQTT服务器、Mixly等开源软件结合tensorlfow.js应用程序就可以在通用技术课堂中开展人工智能教学，成本低、效果好，易于推广。

　　备课组在《智能家居》人工智能单元教学中取得了较好的教学效果，例如在《语音识别智能灯设计》内容的教学中，学生采集自己的语音数据，在Chrome浏览器中训练语音识别模型（见图5），然后进行测试，取得了不错的识别效果。有的学生采集普通话，有的采集英语，有的采集上海话，还有的采集日语、韩语语音，经过浏览器训练，得到的语音模型识别效果都不错，能通过语音控制LED彩灯，学生们玩的不亦乐乎，语音识别被学生玩出了新花样！学生在“玩”的过程中即学到了人工智能的相关知识也学到了物联网的相关知识，对智能技术有了新的感悟。

　　本案例以智能时代智慧家居生活为主题，依据通用技术新课标并结合信息技术新课标设计了人脸识别、语音识别、图像识别等项目实践，有机的将通用技术和信息技术融合在一起，让学生经历了一次跨学科主题学习，深化了学生对“系统”这一跨学科大概念的理解。该单元教学内容设计与时俱进，教学案例紧密联系学生生活和生产实际，具有时代气息、适应社会发展、体现未来科技走向、有挑战意义、可以满足学生个性发展需要。同时开展教学所需的硬件、软件成本低易于推广，也为人工智能教学在通用技术学科课堂中落地提供了有借鉴意义的案例。

　　汤铭，华师教育研究院研究员，高级教师，教育硕士，通用技术学科高级教师，现为上海市松江区高中通用学科名师。从事高中劳动技术/通用技术一线年技术，坚持“做中学、用中学、创中学、项目中学、合作中学”的教育理念。教育座右铭：教育不是灌输，而是点燃火焰。最近1年来关注素养导向的大概念教学、大单元教学及跨学科项目式教学。威客电竞威客电竞威客电竞