小學(xué)scratch教學(xué)中初探人工智能

關(guān)莉莎

研究背景與目標(biāo)

我們知道現(xiàn)在是信息技術(shù)領(lǐng)跑社會(huì)，但是對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，教師在講解感測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)這些知識(shí)時(shí)會(huì)感到比較抽象，僅僅用視頻播放這些技術(shù)的使用畫(huà)面，學(xué)生理解起來(lái)較為困難。然而，我們知道抓住了核心素養(yǎng)，也就抓住了教育的根本。2014年教育部將“創(chuàng)客意識(shí)”納入中國(guó)學(xué)生發(fā)展的核心素養(yǎng)，旨在通過(guò)實(shí)踐和探究，激活學(xué)生的創(chuàng)造思維和創(chuàng)新意識(shí)。如果學(xué)生沒(méi)有切身感受，僅憑想象怎么能創(chuàng)新？怎么用科學(xué)思維來(lái)表達(dá)自己的想法？

基于此，我們借助小學(xué)scratch教學(xué)，在小學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知水平的基礎(chǔ)上來(lái)初探人工智能?！稒C(jī)器人與SCRATCH的火花》屬于趣味編程軟件和硬件設(shè)備互動(dòng)的課程，力求在模仿中讓學(xué)生學(xué)會(huì)創(chuàng)造?！吨悄茱L(fēng)扇》是《制作電風(fēng)扇》派生類學(xué)習(xí)，是校本教材，而校本教材就是讓學(xué)生以生活為向?qū)нM(jìn)行創(chuàng)造，通過(guò)新舊知識(shí)相互作用，使新觀念得以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生還提出智能空調(diào)、智能電燈等想法，后續(xù)會(huì)成為我們智能系列的作品。

根據(jù)皮亞杰兒童認(rèn)知發(fā)展（7～11歲）的規(guī)律可知，兒童認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已經(jīng)具有了抽象概念，因而能夠進(jìn)行邏輯推理。也就是說(shuō)，學(xué)生能夠制作電風(fēng)扇，已經(jīng)能夠理解電風(fēng)扇工作原理，并且對(duì)智能化的東西有所了解，知道了智能的含義。

◎研究的主要內(nèi)容◎

本課通過(guò)搭建硬件設(shè)備（arduino uno 的主板、擴(kuò)展板、馬達(dá)、風(fēng)扇、超聲波感應(yīng)器、溫度感應(yīng)器、液晶顯示塊、P2/P3/P4排線），使用Scratch程序來(lái)控制硬件設(shè)備（利用溫度模塊采集溫度、超聲波感應(yīng)模塊讀取距離值，當(dāng)溫度大于30度且距離小于50厘米時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)）。初步探究人工智能，切身體驗(yàn)什么是感測(cè)技術(shù)，什么是控制技術(shù)。

具體學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1.通過(guò)分析生活場(chǎng)景需求，了解智能風(fēng)扇的功能特點(diǎn)，激發(fā)創(chuàng)造欲望;

2.通過(guò)完成具體任務(wù)、自主實(shí)踐，認(rèn)識(shí)變量及其使用，掌握對(duì)知識(shí)點(diǎn)的整體認(rèn)知方法;

3.通過(guò)分析工作原理，師生提煉出流程圖，并根據(jù)流程圖能夠搭建腳本，啟迪學(xué)生的思維和智慧;

4.通過(guò)綜合實(shí)踐，掌握超聲波、溫控感應(yīng)原件、液晶模塊的使用方法，培養(yǎng)學(xué)生的造物能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，初步體驗(yàn)人工智能。

課例實(shí)踐

活動(dòng)一：創(chuàng)設(shè)情境

采用情境化策略。情境的設(shè)計(jì)是基于生活并且內(nèi)含問(wèn)題：屋子里沒(méi)有人，風(fēng)扇卻開(kāi)著，很浪費(fèi)電，主人忘記關(guān)了。

學(xué)生會(huì)從中思考——浪費(fèi)電，如果設(shè)計(jì)一個(gè)“聰明的”風(fēng)扇，是什么樣子呢？學(xué)生說(shuō)，自動(dòng)檢測(cè)到?jīng)]有人時(shí)，電扇會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。沒(méi)有人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，我們需要分析，怎么去檢測(cè)有沒(méi)有人？然后發(fā)現(xiàn)給出的硬件設(shè)備中有超聲波感應(yīng)器，可以檢測(cè)沙發(fā)上是否坐了人。

教學(xué)中結(jié)合家用汽車尾部的倒車?yán)走_(dá)，來(lái)介紹超聲波感測(cè)器——通過(guò)發(fā)射頭發(fā)射出聲波后，接收頭接收到聲波的時(shí)間，來(lái)計(jì)算物體是否在距離值范圍內(nèi)。

初步設(shè)想：我們把超聲波裝置安裝在沙發(fā)附近，通過(guò)檢測(cè)沙發(fā)附近距離值內(nèi)是否有人來(lái)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后設(shè)計(jì)流程圖，根據(jù)流程圖搭建腳本程序。

設(shè)計(jì)意圖：采用情境化策略實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，通過(guò)分析生活場(chǎng)景需求，了解智能風(fēng)扇的功能特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造欲望。

活動(dòng)二：溫度感測(cè)

我們?cè)谔鞖馓貏e熱的時(shí)候才會(huì)使用電風(fēng)扇，那么怎么檢測(cè)溫度值呢？通過(guò)情境引出溫度模塊后，將與溫度有關(guān)的所有的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合學(xué)習(xí)。通過(guò)找、數(shù)、辨、試四個(gè)環(huán)節(jié)鞏固知識(shí)，思考并實(shí)踐三個(gè)問(wèn)題：1.怎么新建溫度變量？2.怎么讀取溫度變量的值？3.怎么連接溫度感應(yīng)模塊？

思考完三個(gè)問(wèn)題后，將溫度檢測(cè)值賦值給溫度變量，據(jù)此判斷溫度值是否大于某一值時(shí)決定馬達(dá)是否轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對(duì)于電風(fēng)扇工作原理很熟悉——通電后馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是對(duì)于智能風(fēng)扇感覺(jué)很陌生。這時(shí)，我們引入溫度感測(cè)模塊，讓學(xué)生初步了解感測(cè)技術(shù)，并能根據(jù)實(shí)際情景判斷出，當(dāng)溫度大于30度時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種操作既使學(xué)生學(xué)習(xí)了知識(shí)，又幫助其解決了實(shí)際問(wèn)題。

活動(dòng)三：綜合設(shè)計(jì)

通過(guò)討論，我們得出：“聰明的”風(fēng)扇是滿足在有人并且溫度大于30度時(shí)，馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的條件的。這時(shí)學(xué)生需要?jiǎng)邮执罱_本，同時(shí)連接感測(cè)器到主板上面。

活動(dòng)四：外觀設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)智能產(chǎn)品，程序和硬件搭建是一方面，另一方面產(chǎn)品的外觀也很重要。經(jīng)過(guò)同學(xué)們的創(chuàng)意設(shè)想，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一款智能玩具——小熊家的智能風(fēng)扇，本玩具屬于純手工制作。當(dāng)小熊回到家坐到沙發(fā)上面，溫度大于30度時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)始自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)采用活動(dòng)化策略，在這一環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)4，且使學(xué)生的綜合能力得到了鍛煉，并對(duì)于感測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)以及人工智能有了一個(gè)形象化的認(rèn)識(shí)。

課后反思

在四年級(jí)第一課介紹什么是信息技術(shù)時(shí)，給學(xué)生講到感測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)，學(xué)生感覺(jué)很陌生;跟他們講裝有感測(cè)器的機(jī)器人能模擬人的觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)，可代替人完成許多工作，學(xué)生對(duì)于這句話的理解很抽象。但當(dāng)我使用scratch教學(xué)中的溫度感測(cè)模塊和超聲波模塊，形象化地把人工智能詮釋后，學(xué)生對(duì)于感測(cè)技術(shù)和控制技術(shù)及人工智能才有了一個(gè)可視化的認(rèn)識(shí)。當(dāng)我用scratch為例進(jìn)行教學(xué)時(shí)，學(xué)生對(duì)于人工智能的喜愛(ài)之情和求知若渴的表現(xiàn)讓我深深感動(dòng)。雖然小學(xué)生的認(rèn)知水平和認(rèn)知能力有限，我們講一些人工智能對(duì)他們而言是陌生的，但我以智能風(fēng)扇為例，打開(kāi)小學(xué)生探索人工智能的大門(mén)是符合他們的認(rèn)知規(guī)律的。因而借助小學(xué)scratch教學(xué)，對(duì)小學(xué)生人工智能的學(xué)習(xí)是有意義的。