小學(xué)人工智能教學(xué)探究

【摘要】STEM教育已經(jīng)成為世界發(fā)達(dá)國(guó)家基礎(chǔ)教育研究的熱點(diǎn)，通過加強(qiáng)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科之間的聯(lián)系，打通學(xué)科壁壘，采取更加靈活的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)習(xí)者在真實(shí)情景下開展深度學(xué)習(xí)，有利于創(chuàng)新人才和高水平技術(shù)人才的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】STEM教育;人工智能;機(jī)器人;編程創(chuàng)新

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人工智能這個(gè)“技術(shù)英豪”已在全世界如火如荼地“跑馬圈地”，迅速躋身技術(shù)創(chuàng)新的第一梯隊(duì)。未來十年，我們將進(jìn)入不可想象的智能化社會(huì)。智能機(jī)器人是信息技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，智能機(jī)器人教育具有實(shí)踐性強(qiáng)、探索性強(qiáng)和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，有利于學(xué)生迅速接觸前沿研究，打開思路，拓寬視野，開展智能機(jī)器人教學(xué)研究活動(dòng)，讓小學(xué)生從小觸摸人工智能，感受它的非凡魅力，是小學(xué)階段實(shí)現(xiàn)STEM教育理念、提高學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神的最好途徑。

一、開展人工智能教育的背景

國(guó)務(wù)院在2017年印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》宣布：舉全國(guó)之力，在2030年一定要搶占人工智能全球制高點(diǎn)！人工智能正式上升為國(guó)家戰(zhàn)略。2018年7月，中國(guó)第二屆STEM大會(huì)在深圳福田召開，大會(huì)邀請(qǐng)了國(guó)內(nèi)外著名的專家學(xué)者開設(shè)主題講座，介紹最新的STEM教學(xué)理論和實(shí)踐成果，掀起了福田STEM教育的熱潮。在新一輪的教育規(guī)劃中，福田區(qū)加快教育綜合改革，以“智能教育”作為未來的發(fā)展方向，建立與中心區(qū)匹配的智能教育服務(wù)體系。STEM是用科學(xué)、數(shù)學(xué)知識(shí)和先進(jìn)技術(shù)，以工程思維解決現(xiàn)實(shí)世界的問題。其教育的核心是：發(fā)現(xiàn)問題—設(shè)計(jì)解決方法—利用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)知識(shí)實(shí)施解決方法—將解決方法傳達(dá)給大家?；趯W(xué)校學(xué)科融合的辦學(xué)理念，我校積極探索STEM教育的模式，開設(shè)機(jī)器人STEM課程，開展教師的課題研究和學(xué)生的探究性小課題研究、積極組織學(xué)生參與區(qū)、市級(jí)機(jī)器人創(chuàng)客比賽活動(dòng)，積極投身人工智能的教學(xué)研究行列，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

二、以課程建設(shè)為核心，提升學(xué)生的STEM素養(yǎng)

機(jī)器人STEM課程是一門激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能知識(shí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、挖掘?qū)W生潛能為統(tǒng)領(lǐng)，以設(shè)計(jì)、組裝、編程、運(yùn)行機(jī)器人為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、分析能力、想象力、邏輯思維能力、動(dòng)手能力和提升學(xué)生的信息技術(shù)核心素養(yǎng)為主要目標(biāo)的課程。機(jī)器人配備了各種功能的零件：如磚、軸、輪子等機(jī)械部分，大型電機(jī)、中型電機(jī)等動(dòng)力部分，光電、觸碰、紅外等傳感器，還有機(jī)器人的核心部件——控制器。學(xué)生通過動(dòng)手創(chuàng)作，發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，將零件組裝整合，搭建各種具有實(shí)用功能的機(jī)器人。在搭建各種主題作品的過程中，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維和解決問題的能力。他們?cè)谧鲋袑W(xué)、在玩中學(xué)、在學(xué)中玩，享受人工智能帶來的無窮樂趣。

如果沒有給機(jī)器人賦予運(yùn)行的程序，機(jī)器人就是一堆塑料。因此，編程是機(jī)器人STEM課程的核心。在編寫程序的過程中，學(xué)生需要把一個(gè)復(fù)雜的大問題，分解成一個(gè)個(gè)可以解決的小問題，循序漸進(jìn)，逐步解決整個(gè)問題。在編寫程序的過程中，學(xué)生首先要要清楚機(jī)器人的搭建結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，其次還要清楚各種傳感器的功能，通過編寫程序來控制各種傳感器，使機(jī)器人感知外界的環(huán)境信息，并對(duì)感知到的信息做出決策和響應(yīng)，以使機(jī)器人能夠順利完成指定的任務(wù)。

以筆者執(zhí)教的《走進(jìn)人工智能》一課為例，該課伊始，筆者激趣導(dǎo)入，播放了特奧機(jī)器人飛速?gòu)椬唷兑胺滹w舞》的精彩視頻，勾起了學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能知識(shí)的好奇心，產(chǎn)生探究科學(xué)的勇氣，讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人技術(shù)有強(qiáng)烈求知的欲望。接著，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法教學(xué)，讓學(xué)生通過微課程學(xué)習(xí)EV3編程技術(shù)，循序漸進(jìn)地完成兩個(gè)任務(wù)：1.讓樂高機(jī)器人沿直線勻速運(yùn)動(dòng);2.讓樂高機(jī)器人沿直線勻速運(yùn)動(dòng)并且到達(dá)指定地點(diǎn);最后的終極挑戰(zhàn)環(huán)節(jié)，筆者讓學(xué)生用樂高的配件搭建機(jī)械臂，編寫程序，讓樂高機(jī)器人模擬宇航員調(diào)整太陽能電池板，學(xué)生在設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試中學(xué)得開心，玩得快樂，創(chuàng)意飛揚(yáng)。

三、以課題研究為引領(lǐng)，推動(dòng)師生專業(yè)化成長(zhǎng)

課題研究是學(xué)校發(fā)展的源動(dòng)力，是促進(jìn)師生專業(yè)成長(zhǎng)的重要途徑。機(jī)器人教育作為一門具有高度綜合滲透性、前瞻未來性、創(chuàng)新實(shí)踐性的學(xué)科，如何為學(xué)生學(xué)習(xí)的“思維體操”提供了一個(gè)嶄新的“表演舞臺(tái)”，使教學(xué)取得“效率高、印象深、氛圍雅、感受新”的明顯效應(yīng)，一直是我們?cè)谶M(jìn)行機(jī)器人教學(xué)研究中最為關(guān)注的問題。為此，我校信息技術(shù)教師申請(qǐng)了福田區(qū)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題《基于STEM教育理念下的機(jī)器人搭建與編程教學(xué)研究》，學(xué)生申請(qǐng)了2018年深圳市中小學(xué)生探究性小課題《樂高機(jī)器人的搭建與編程》，師生在研究中努力學(xué)習(xí)，敢于實(shí)踐，勇于創(chuàng)新，取得了很大的進(jìn)步。

以學(xué)生的探究性小課題為例，學(xué)生采用PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式開展小課題研究，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式由過去的像容器一樣被“滿堂灌”轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生間“合作、交流、探究”式學(xué)習(xí)，掌握了隱含在問題背后的科學(xué)知識(shí)，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。在研究的過程中，學(xué)生保持開放的心態(tài)，敢于嘗試新鮮事物，從失敗和成功中汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，養(yǎng)成追求真理、鍥而不舍的科學(xué)態(tài)度，在課題研究中不斷優(yōu)化算法和改進(jìn)搭建模型，設(shè)計(jì)實(shí)用的機(jī)械臂，進(jìn)一步提升機(jī)器人的穩(wěn)定性和完成任務(wù)的數(shù)量和質(zhì)量。團(tuán)隊(duì)成員在研究中不斷碰撞出智慧的火花，通過小組合作解決一個(gè)個(gè)課題研究過程中遇到的困難，掌握了科研活動(dòng)的過程與方法，在探究中催生寶貴的創(chuàng)新意識(shí)。

四、以參加機(jī)器人賽事為驅(qū)動(dòng)，搭建學(xué)生個(gè)性成長(zhǎng)的平臺(tái)

雄鷹只有經(jīng)過千百次的歷練，才能夠在蔚藍(lán)的天空中展翅翱翔。機(jī)器人比賽讓學(xué)生接軌前沿科技，開闊眼界，培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)，讓其在同齡人中迅速脫穎而出。通過參加機(jī)器人比賽活動(dòng)，為學(xué)生搭建個(gè)性成長(zhǎng)的平臺(tái)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的解決問題的情景，讓學(xué)生嚴(yán)格按照規(guī)則進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)對(duì)抗比賽，不斷修改機(jī)器人的設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)器人重新進(jìn)行編程，以期在合乎規(guī)則的情況下，取得盡可能好的成績(jī)，品嘗成功的快樂。

通過參與各級(jí)各類機(jī)器人比賽，挖掘了學(xué)生的潛能，張揚(yáng)了學(xué)生的個(gè)性，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)生活，培養(yǎng)了學(xué)生的核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生人格的健全發(fā)展。隊(duì)員賈壹方談到參加機(jī)器人創(chuàng)意賽時(shí)，感觸良多：參加了機(jī)器人創(chuàng)意賽后，我受益無窮。我學(xué)到了許多關(guān)于編程、搭建的知識(shí)，更重要的是：我認(rèn)識(shí)到了團(tuán)體合作的重要性，一開始我們總是各執(zhí)己見，可是，在陳秀老師的帶領(lǐng)下，我們認(rèn)真地聽取他人意見，齊心協(xié)力地克服了一個(gè)又一個(gè)困難，感謝福民小學(xué)為我們提供了這樣一個(gè)學(xué)習(xí)和進(jìn)步的機(jī)會(huì)。

未來，我們將繼續(xù)帶領(lǐng)學(xué)生行走在人工智能校本課程的探索和實(shí)踐道路上，完善課程內(nèi)容，認(rèn)真參與課題實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生參與各種展示活動(dòng)，為學(xué)生探索科技搭建更完美的平臺(tái)，培養(yǎng)人工智能時(shí)代的信息技術(shù)精英。

參考文獻(xiàn)：

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[2]戴玉梅，王健潼，彭青青等.基于核心素養(yǎng)的小學(xué)機(jī)器人創(chuàng)客課程實(shí)踐研究[J].中國(guó)教育信息化，2018，1.