中小學人工智能編程課的教學進階

黃振余 萬錦棠

【摘要】分析不同學段學生的認知基礎(chǔ)、興趣愛好，以項目式學習為導向，開展跨學科學習，以小組合作形式開展項目研究，有針對性地設計與之相匹配的人工智能課程，推進人工智能教育落地。

【關(guān)鍵詞】人工智能；編程教學；課程開發(fā)

【中圖分類號】G633.67【文獻標志碼】A【文章編號】1005-6009（2020）43-0016-03

【作者簡介】1.黃振余，廣東省東莞市教育局（廣東東莞，523000）教研室副主任，高級教師；2.萬錦棠，廣東省東莞市松山湖實驗小學（廣東東莞，523000）教師，高級教師。

近年來，我國越來越重視人工智能的發(fā)展，在中小學啟動信息素養(yǎng)測評，推動在中小學階段設置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。人工智能涉及的知識面比較廣，包括認知科學、編程技術(shù)、自動化控制、電子技術(shù)、大數(shù)據(jù)、統(tǒng)計學等眾多學科領(lǐng)域。如何根據(jù)人工智能所涉學科領(lǐng)域的知識、技能，結(jié)合中小學各年齡段學生的認知水平和信息技術(shù)能力實際，開發(fā)人工智能編程系列課程，讓人工智能編程課程的實施真正落地，并取得成效，其中關(guān)鍵在于做好人工智能編程相關(guān)課程的設計。針對中小學不同學段學生的年齡特點，利用圖形化編程軟件、虛擬仿真的電路搭建軟件以及開源硬件等設備豐富課程教學內(nèi)容，以項目式教學開展跨學科的學習探究，讓不同學段的學生在人工智能編程課程實施過程中有所收獲。

一、小學低學段編程課設計

小學低年級學段的學生有自控能力不強，對新事物的持久關(guān)注時間不長，知識積累薄弱等狀況。在課堂上如何讓學生迅速分配好器材，盡快進入學習狀態(tài)將成為人工智能編程課程有效開展的關(guān)鍵。為此，我們可以使用集成開源硬件與虛擬場景互動編程相結(jié)合的教學，讓小學人工智能編程課程變得高效、簡單、容易普及。

所謂集成開源硬件，就是把多種常用的傳感器和arduino主控芯片集成到一個電路板上。不用學生連接傳感器和主控板，避免了接錯線和丟失傳感器的情況發(fā)生，在減輕任課教師壓力的同時，也減少學校物資的損耗。我們稱這種集成開源硬件為測控板。最近，一些公司和廠商投入了大量的人力開發(fā)了很多優(yōu)秀的開源軟件，完全兼容這種測控板，Mind+就是其中一款。它是基于Scratch3.0開發(fā)，兼容Arduino、micro：bit等系列主控板。

小學中低年級的學生可以通過實時編程模式設計互動游戲，例如“怕光的蝙蝠”課程，用板載的測光模塊來對周圍環(huán)境的亮度進行檢測。學生通過Mind+界面導入蝙蝠角色，然后導入arduino控制組件，拖放幾個圖標就可以實現(xiàn)功能。因為只需要把USB插入電腦的接口，剩下的任務都能夠在軟件上完成，所以基于集成開源硬件與虛擬場景互動編程的課程特點就是高效、簡單、易普及。不足的地方是學習的深度不夠，課程適合小學中低年級采用。

二、小學中高學段編程課設計

人工智能中的統(tǒng)計學、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡等概念對中小學師生來說都是有難度的，很難從技術(shù)層面進行推廣。我們不妨從簡單的編程技術(shù)和電子技術(shù)入手，以基于項目的學習方法引導學生開展跨學科研究。下面以設計“小區(qū)感應路燈”為例開展探究。

首先，通過調(diào)查和討論，研究感應路燈的控制方式。課前提供閱讀資料介紹傳感器和LED（發(fā)光二極管）的物理特性，以及這些硬件在現(xiàn)實生活中被應用的場合，增加學生對傳感器功能和應用的理解。

其次，強調(diào)小組合作探究。在中高學段，培養(yǎng)孩子的合作精神和溝通能力以適應未來社會的需要。在項目學習過程中，讓學生通過小組合作，制訂研究方案做好分工安排，讓小組的每個成員都有擔當，建立成員之間的信托。

再次，在電路搭建中，教師指導學生使用linkboy軟件搭建虛擬電路，編寫程序并且用linkboy的模擬功能測試程序的控制效果。模擬成功后，小組再根據(jù)虛擬電路制作采購清單，由教師指導各小組補充清單上的元器件的型號和參數(shù)，通過和家長溝通后，購買元器件進行真實電路的搭建和調(diào)試。（見圖1）

最后，做好分享與評價。雖然項目主題相同，但是學生在制作過程中會加入不同的想法，使用不一樣的材料和工具，最后呈現(xiàn)出來的作品也有所差別。學生除了對最終作品的功能和外觀進行評價，最重要就是在制作過程中總結(jié)學習收獲。教師也可以鼓勵學生對好的經(jīng)驗進行分享，以鼓勵生生之間的交流、互動與合作。

小學高年級學段的學生動手能力還不強，在搭建電路方面和程序設計方面需要由淺入深逐步推進。讓學生通過項目學習既可以橫向進行學科滲透，也可以向重點內(nèi)容進行縱向深入研究。項目的主題來源于生活，讓學生真正做到所學即所用。

三、中學學段編程課設計

中學階段隨著學生對數(shù)學、物理學科學習的深入，易于理解相關(guān)編程算法和動手操作電氣設備。對此，可以設計一些較為復雜的編程項目。下面以一個基于s2aio開發(fā)的測距與定位雷達的案例來說明怎樣在中學階段開展編程課設計。限于篇幅，這里只介紹方案的設計與分析。

在這里，硬件方面的測距雷達與目標自動鎖定儀是由開源硬件和圖形化編程技術(shù)開發(fā)出來的。它由紅外測距傳感器（或者超聲波傳感器）、舵機、測控板和電腦組成。軟件方面需要完成的功能見圖2所示的思維導圖。

整個項目的設計要求為：（1）數(shù)據(jù)采集，當系統(tǒng)重啟或者測量按鈕被按下時，舵機帶動測距傳感器旋轉(zhuǎn)，測距傳感器同時對被測區(qū)域進行掃描，對量程范圍以內(nèi)的物體進行數(shù)據(jù)的收集，存入數(shù)據(jù)列表；（2）求比例，這些數(shù)據(jù)同時會通過映射函數(shù)（公式）換算，把物理距離轉(zhuǎn)化成虛擬場景的像素化距離；（3）求坐標，假設傳感器位置為原點，當它發(fā)生旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生角度，測到的距離就是長度，有了以上的參數(shù)就可以求被測物體的坐標了，這些數(shù)據(jù)可用來實時描繪被測區(qū)域的雷達圖；（4）排序，用插入排序方法對被測距離數(shù)據(jù)進行排序，數(shù)組的下標用來記錄角度，數(shù)組的值用來記錄被測物體的距離；（5）定位，經(jīng)過排序后，最短路徑就出來了，它存儲在以角度為下標的隊列里，只要檢測到“定位”按鈕被按下，瞄準器便會轉(zhuǎn)到最短距離的角度同時啟動激光模塊鎖定目標。

該課程中涉及的硬件不多，而且很容易通過電商平臺買到，項目要實現(xiàn)的內(nèi)容就相對復雜，適合高學段的學生開展研究。

四、總結(jié)

中小學的人工智能編程教育綜合了計算機、軟件工程、機械、電子、通訊和控制等多個學科領(lǐng)域的知識和技能，這也給我們在普通中小學開展人工智能編程課程設計、開發(fā)和實施提供了豐富的課程資源，具有廣闊課程設計空間。在課程設計上，小學階段以培養(yǎng)興趣為主，中學階段適度加入算法和統(tǒng)計推理課程。在課程實施中，采用項目式學習，以小組合作形式開展項目研究，以梯度推進方式把人工智能與編程課程逐次進階。在統(tǒng)一的課程設計體系下，我們可以發(fā)掘更多具有科學性、富有趣味性又直觀易懂的課程設計案例。通過案例，我們可以把人工智能教育思想、理念和知識技能知識傳授給學生，培養(yǎng)他們的科學思維和科技創(chuàng)新精神，增強關(guān)鍵能力。

【參考文獻】

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