人工智能主題作品在小學創(chuàng)客教育中的探索

劉建國

隨著人工智能教育的不斷推廣與普及，其在小學創(chuàng)客教育中也漸顯身影。目前，小學人工智能教學中基本以編程教育為主體，以動手實踐為輔助，以身邊事物為研究方向。Mixly圖形化編程類工具大大降低了學生學習的門檻，Arduino開源硬件降低了學習的成本費用，讓人工智能教育的難度降低，推廣變易?；诖?，小學的人工智能教育也要大膽地嘗試，讓此類課程能加快成熟，形成系列。

源自生活，AI教育的選題

智能為生活而造，人工智能的產(chǎn)生就是為人們的生活、生產(chǎn)提供服務的。目前，市面上的人工智能產(chǎn)品越來越多，高端的有AlphaGo，常見的有人臉識別、掃地機器人等，這些產(chǎn)品和工具都具備特定的算法，讓其能思考、判斷繼而完成特定的任務。因此，要推廣人工智能教育，學習的內(nèi)容和主題以及探究的方向不能脫離現(xiàn)實，特別是在小學人工智能教育中，更應從身邊事物出發(fā)，對各種常見的事物進行探索、改造，這樣才能讓學生對探究的內(nèi)容更有興趣，更容易感受到人工智能的特點和優(yōu)勢。

小學階段的學習是以基礎技能、基礎知識的學習為主要目的。因此，小學人工智能教育的選題首先要符合學生的年齡特征和能力特點，選題范圍不能過大，特別是自主探究類的選題，如果選題過大會容易造成項目失敗，從而打擊學生的信心與興趣。選題內(nèi)容應盡可能小，具有的功能不必太強大，如智能垃圾桶、智能風扇、智能LED燈等，功能簡單，實用性強，易于操作實踐。

例如，創(chuàng)客作品“會看杯子的飲水機”就是以平常的飲水機為主體進行探究，先讓學生分析現(xiàn)有飲水機的優(yōu)缺點，思考如何改造才能具備人工智能的特點。通過教師的引導以及自身的細致觀察，學生們很快就發(fā)現(xiàn)普通飲水機的主要功能和特點為：①開關(guān)——分按鍵式、按壓式和推壓式開關(guān);②功能——熱水（高溫）、溫水、冷水。根據(jù)小學生的知識面和接受能力等方面的特點，筆者選擇對飲水機開關(guān)進行智能化的改造探究，首先引導學生分析各種飲水機開關(guān)的優(yōu)缺點：按鍵式會出現(xiàn)按下開關(guān)后忘記關(guān)水的現(xiàn)象，按壓式的開關(guān)就必須騰出一只手去按著開關(guān)才能裝水;推壓式開關(guān)必須用手拿著杯子推壓進去才能出水。因此，筆者提出智能化改造方向：放上杯子自動裝滿水。通過這樣的方式分析現(xiàn)有產(chǎn)品的特點、性能，提出優(yōu)化改造方向，選出研究主題，能讓學生在探究的初始過程就獲得成就感，對項目的下一步開展打下堅實的基礎。

逆推思維，問題解決的方式

人工智能是賦予機器或者工具交互、思維、判斷和執(zhí)行的能力。一種好的思維方式能讓事情的解決過程少走許多彎路，只有確定明確的目標再配合優(yōu)秀的思維方式，才能讓問題解決簡單化、高效化。在小學階段進行人工智能的探索，主要難度在于如何理清學生探究的思路，加強學生的邏輯思維、編程思維的培養(yǎng)，只有理清了問題解決的思路，才能對探究的問題、研究的作品進行下一步的開發(fā)與實踐。對小學生的思維技巧培養(yǎng)，筆者認為最好的方法是由淺入深，逐步引導，逆推式的問題解決思維方式是一個不錯的選擇。也就是說，先定好目標或者結(jié)果，然后從目標出發(fā)，反向思考，根據(jù)目標或結(jié)果去思考要達成哪些條件才能取得預期的效果。因此，小學階段的人工智能培養(yǎng)需要設立巧妙的情境去引導學生，讓他們自主探尋出一個明確的方向和目標，在研究問題、分析問題解決方式的過程中感受和掌握相關(guān)的知識和技能。

學生們在教師的引導下已經(jīng)確立了智能化改造的方向和目標，接下來筆者采用填寫流程圖拓展完善目標達成條件的方式引導學生，讓他們通過逆推式思維的思考方式去學習、掌握編程思維的方法和技巧。

如圖1所示，筆者先做出一個最簡版本的流程圖，然后引導學生進行思考：探究目標是把杯子裝滿水，所以首先要達成的判斷條件是杯子是否已經(jīng)裝滿水？那么如何才能知道水滿了呢？學生通過觀察、思考很快就能找到答案：杯子有高度，杯里面的水的高度等于杯子的高度時就是水滿。接著，引導學生總結(jié)出判斷杯子水滿的方法就是對比杯子的高度和水的高度。接下來就可以得出飲水機要智能化就必須會判斷，會看到水的高度和杯子的高度，進而逆推出達成目標的上一條件是獲取水的高度。在探究水的高度時，學生都知道裝水時水的高度是不斷變化的，也由此引出變量這個概念，而杯子的高度是不變的，也就是說這是一個變量與定量的對比過程，前提是必須有定量存在。因此，學生考慮到要有杯子的高度就必須先放上杯子才能“看”到杯子的高度，最后得出判斷杯子的條件就是有杯身和杯底，也就是說改造后的飲水機要能感應到杯底和杯身才能判斷是不是放了杯子上去，最后得出完整版的流程圖。如圖2所示，紅色箭頭是學生逆推思維的方向，整個思維探究過程既培養(yǎng)了學生分析問題解決問題的能力，又培養(yǎng)了學生的編程思維和計算思維，讓學生在無形中學習與掌握相關(guān)的流程和思維方法，效果十分明顯。

實踐驗證，功能模塊的選定

教育是一個知識傳遞的過程，知識的接收與消化需要各種方式的練習與驗證來強化，人工智能的學習不能局限于知識的灌輸，紙上談兵絕對無法完成整個學習項目的探究。因此，還要引導學生進行實踐驗證，把分析得到的數(shù)據(jù)、操作的流程等轉(zhuǎn)變成智能化的工具或作品。在小學的創(chuàng)客教育中，大部分的編程學習都是采用圖形化的編程工具，因為其具有易學易懂易用的特點，很受學生們的青睞，再結(jié)合大眾化的Arduino開源硬件，讓學生不論在學習難度或者學習費用上都不會有過大的壓力。要把主題探究中的想法進行實踐驗證，圖形化編程+開源硬件的搭建方式無疑是最佳的解決方案。

繼續(xù)以上述作品為例，學生在分析完問題的解決思路和方法后，就要進行作品的創(chuàng)作并驗證。首先，考慮控制飲水機出水開關(guān)的元件;其次，考慮杯底的感應模塊;再次，考慮杯身高度的感應模塊;最后，考慮杯內(nèi)水位的檢測模塊。這樣由易到難、循序漸進的探究過程，不僅能讓學生獲得攻關(guān)勝利的成就感，更能增強他們探究過程中的自信心。根據(jù)以往知識的積累，學生們直接在流程圖上構(gòu)思可選取的模塊。

經(jīng)過對各種開源硬件功能模塊的作用分析考慮，再針對探究作品相應位置要實現(xiàn)的功能，學生們選擇Mixly程序中高低電平的輸出控制繼電模塊控制出水口的開關(guān)，而杯底的感應，在分別用超聲波測距模塊以及光敏傳感模塊進行試驗后，選擇光敏傳感模塊。在本主題探究中，杯身的高度感應是難點，因為杯子存在不同的容量以及不同的直徑和高度，雖然杯子放下去之后是一個定量高度，但在沒放杯子之前，杯子的高度是屬于一個變量，對于變量的獲取方式學生接觸較少，這時，教師就需要適時進行指導。在此環(huán)節(jié)，可采用枚舉法，讓學生收集一些不同大小、高度的杯子，放在桌面去觀察思考，用哪種功能模塊能檢測到不同杯子的高度，在觀察的過程中學生們會發(fā)現(xiàn)，從側(cè)面能看到杯子的不同高度（如圖3），也就是說如果把眼睛作為感應模塊，不同高度的眼睛就能看到不同高度的杯子，只要用同樣的模塊組合起來像尺子那樣量杯子就能測量到杯子的高度了。這樣類似視線方式的功能模塊可以選擇由光敏感應模塊和激光發(fā)射模塊組合的陣列，杯子遮住相應高度的模塊就反饋給程序中的變量以此獲取杯子的高度。最后，杯中水位的高度可以選取超聲波測距模塊，這個部位的元件選取相對杯身高度來說比較容易。最終搭建成的模型如圖4所示。整個過程學生都是在教師的引導下通過不斷地實踐、嘗試才探究成功，當然前期的基礎知識是必要條件，如若沒有三、四年級的創(chuàng)客知識學習，沒有相應的知識廣度，學生們的探究難以開展，這也說明了人工智能教育也要有相應基礎知識的搭建。

程序編寫，智能化的轉(zhuǎn)變

生物具備的智慧，在于他們的大腦能進行思考、能存儲信息，智慧的核心在于創(chuàng)造，而創(chuàng)造是人類所特有的能力，人工智能就是人類創(chuàng)造發(fā)展出來的產(chǎn)物。人工智能的特征在于能對信息進行存儲、處理、分析和執(zhí)行，也就是說它必須具備類似大腦的核心部件，目前不管是電腦、手機，還是各種各樣的開源硬件，都有相應的芯片來存儲和運行相應的信息或程序。程序是人工智能的核心所在，當一個產(chǎn)品完成程序的編寫和輸入，才能算是完整的人工智能產(chǎn)品，程序運行后，產(chǎn)品才能進行智能化的轉(zhuǎn)變。通過主題探究完成人工智能的作品搭建后，程序的編寫是最終的蛻變環(huán)節(jié)，經(jīng)過此環(huán)節(jié)的探究學習，能更有效地培養(yǎng)學生的計算思維和編程能力。

繼續(xù)以“會看杯子的飲水機”為例，此作品的程序編寫中涉及三個變量：杯高、水高以及是否水滿。此外，程序編寫過程中涉及計算思維的有兩個環(huán)節(jié)，一個環(huán)節(jié)是杯身高度與水面高度的比較，此環(huán)節(jié)用來判斷是否水滿;另一個環(huán)節(jié)是水面高度的數(shù)據(jù)獲取，因為超聲波測距智能測量超聲波模塊位置與水面位置的距離，而這個距離并不是水面的高度，因此，教師還需要引導學生思考如何把這個距離轉(zhuǎn)變成高度，引導他們學會數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移方法，讓他們明白超聲波模塊離杯底的距離與水面距離的差值就是水面的高度，最后探究出用Mixly編寫的三個主要的變量部分程序段如圖5所示。

解決了程序的難點后，其他部分的程序編寫和調(diào)試就輕松多了，但也要學生們通過不斷地編寫、上傳然后進行實物測試，才能真正賦予“會看杯子的飲水機”看杯子裝水的能力，讓其具備人工智能的相關(guān)性能，這個編程調(diào)試的過程就是智能化的轉(zhuǎn)變。

結(jié)束語

人工智能是社會發(fā)展的趨勢，早日在小學教育中推廣人工智能的學習、探索，能讓學生提前了解社會發(fā)展的步伐，而創(chuàng)客教育對于人工智能來說無疑是一個非常不錯的推手。在小學的基礎技能教育中，創(chuàng)客教育能有效增強學生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生動手實踐的能力以及計算思維和編程思維，這也是小學人工智能教育的方向和目的。

基金項目：廣東省教育科學“十三五”規(guī)劃課題“‘五度六環(huán)人工智能教育啟蒙課程的構(gòu)建與實施”（課題編號：2020YQJK234）。