以航空航天模型為載體的小學(xué)人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

天津師范大學(xué) 李夢(mèng)瑤 段小江 趙詩(shī)源

自從20 世紀(jì)80 年代人工智能興起以來(lái)，學(xué)校中的人工智能教育也逐漸開展。國(guó)外將教育作為一種手段來(lái)培養(yǎng)能夠擴(kuò)大和利用知識(shí)庫(kù)的思維，而人工智能則提供了工具，以開發(fā)更準(zhǔn)確和詳細(xì)的人類思維運(yùn)作圖景。2017 年7 月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》對(duì)基礎(chǔ)教育提出了“實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程”的要求。2018 年4 月，教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，明確要求完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，為人工智能教育開展提供了堅(jiān)實(shí)的政策支持。依托較為成熟的航空航天模型，拓展人工智能教育的載體，將人工智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、圖像識(shí)別、編程等技術(shù)運(yùn)用在航空航天模型運(yùn)動(dòng)上，設(shè)計(jì)出符合不同階段中小學(xué)生學(xué)習(xí)的人工智能課程，進(jìn)入實(shí)踐，有利于加快人工智能教育的普及。

一、人工智能在小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在我國(guó)，中小學(xué)人工智能教育還處于比較初級(jí)的階段，存在著不少的問(wèn)題。人工智能在中小學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是普及度不高。中小學(xué)生的教育教學(xué)依然以傳統(tǒng)學(xué)科教學(xué)為主，沒(méi)有將人工智能融入學(xué)校課時(shí)中，導(dǎo)致人工智能尚未真正走進(jìn)中小學(xué)課堂。二是缺乏成體系的課程。人工智能技術(shù)屬性比較強(qiáng)，這類學(xué)科教學(xué)對(duì)教學(xué)資源的需求量相對(duì)比較大，但是當(dāng)前沒(méi)有適合中小學(xué)開展人工智能教育的體系課程。三是實(shí)施載體單一。人工智能教育僅依托編程和機(jī)器人的教學(xué)開展，人工智能教育開展載體單一。四是缺乏強(qiáng)大的師資力量。當(dāng)前很多中小學(xué)師資力量匱乏，致使人工智能教育教學(xué)難以真正發(fā)展起來(lái)，教學(xué)質(zhì)量也會(huì)受到一定的影響。

二、以航空航天模型為載體的小學(xué)人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

開發(fā)課程和教具，擴(kuò)展人工智能載體。將人工智能技術(shù)和航空航天模型相結(jié)合，開發(fā)出適合中小學(xué)不同階段使用和活動(dòng)的課程和教具，再利用線上線下教學(xué)手段，進(jìn)行課程實(shí)踐。

（一）課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐實(shí)施方案

1.課程設(shè)計(jì)總體思路

航空模型按飛行器類型可以分為固定翼飛行器、多軸飛行器、火箭飛行器。按照這個(gè)分類，在每類中加入適合中小學(xué)生認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)的人工智能的理念和技術(shù)。旋翼類：利用現(xiàn)在主流的LiteBeeGo 編程軟件將復(fù)雜的程序圖形化、可視化，讓學(xué)生可以輕松上手，實(shí)現(xiàn)不同類型、規(guī)模的編隊(duì)飛行表演。水火箭：在已成型的水火箭模型上加入圖像識(shí)別模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、測(cè)距傳感器、陀螺儀等組件，以實(shí)現(xiàn)每發(fā)射一次水火箭都能發(fā)現(xiàn)這次發(fā)射的問(wèn)題，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)模塊表達(dá)出來(lái)，下次發(fā)射時(shí)調(diào)整對(duì)應(yīng)的參數(shù)，如角度、壓強(qiáng)等，從而實(shí)現(xiàn)更加精確的水火箭打點(diǎn)。固定翼：設(shè)計(jì)并制作自穩(wěn)定裝置，安裝于手?jǐn)S泡沫滑翔機(jī)之上，用來(lái)補(bǔ)償手?jǐn)S泡沫滑翔機(jī)副翼、水平尾翼和垂直尾翼的功能，以實(shí)現(xiàn)手?jǐn)S泡沫滑翔機(jī)的穩(wěn)定飛行。

2.針對(duì)不同階段的學(xué)生采取不同的教學(xué)內(nèi)容

小學(xué)低年級(jí)：手?jǐn)S泡沫飛機(jī)（初級(jí)）、橡筋動(dòng)力滑翔機(jī)、水動(dòng)力火箭（初級(jí)）等。小學(xué)高年級(jí)：手?jǐn)S泡沫飛機(jī)（中級(jí)）、橡筋動(dòng)力撲翼機(jī)、一級(jí)牽引滑翔機(jī)、水動(dòng)力火箭（初級(jí)）、電動(dòng)自由飛。

3.以航空航天為載體的人工智能初級(jí)課程大綱

（1）無(wú)人機(jī)（20 學(xué)時(shí)）：一是初步學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)的原理、無(wú)人機(jī)相關(guān)電子設(shè)備的使用方法及安全操作。二是初步學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)飛行操作方法，使用模擬器、真機(jī)體驗(yàn)飛行。三是在LiteBeeGo 編程的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生體驗(yàn)諸如修改簡(jiǎn)單的參數(shù)、程序拷貝進(jìn)芯片等易操作的步驟。四是運(yùn)行程序，體驗(yàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)編隊(duì)飛行，對(duì)比感受人工智能的魅力。

（2）水動(dòng)力火箭（10 學(xué)時(shí)）：一是設(shè)計(jì)、組裝、發(fā)射，完成火箭類航天飛行器發(fā)射操作，盡量實(shí)現(xiàn)更加精確的打點(diǎn)。二是在水火箭模型中加入語(yǔ)音播報(bào)推薦最優(yōu)路徑模塊，實(shí)現(xiàn)以較少的重復(fù)次數(shù)而達(dá)到更精準(zhǔn)的水火箭打點(diǎn)的效果。三是與之前的手動(dòng)校準(zhǔn)水火箭的過(guò)程相對(duì)比，理解用人工智能實(shí)現(xiàn)的高效性。

（3）手?jǐn)S泡沫滑翔機(jī)（15 學(xué)時(shí)）：一是通過(guò)手?jǐn)S泡沫滑翔機(jī)了解飛機(jī)副翼、水平尾翼和垂直尾的功能，掌握飛機(jī)方向調(diào)整的方法和花式飛行的技巧。二是組織“誰(shuí)飛得更遠(yuǎn)”的活動(dòng)，讓學(xué)生了解只有在機(jī)翼水平的前提下，才能增加航程。三是在泡沫飛機(jī)中加入自穩(wěn)定裝置，再組織一次相同的活動(dòng)，對(duì)比兩次活動(dòng)的結(jié)果，認(rèn)識(shí)到人工智能在改善某些方面的巨大作用。

4.教案開發(fā)

以無(wú)人機(jī)課程方案為例?；顒?dòng)材料準(zhǔn)備（每套材料）：無(wú)人機(jī)套材（穿越機(jī)）、遙控器（右手油）、航模常用工具。理論知識(shí)講授：理論知識(shí)講授環(huán)節(jié)主要包含航空模型、無(wú)人機(jī)飛行器相關(guān)專有名詞的介紹；飛行操作中所設(shè)計(jì)的物理知識(shí)或常識(shí)的講解等。講授樹莓派的有關(guān)知識(shí)、編程的基礎(chǔ)操作和各種傳感器的功能以及使用方法。

操作流程：①帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行無(wú)人機(jī)拼裝；②初步學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)飛行操作方法，使用模擬器、真機(jī)體驗(yàn)飛行；③體驗(yàn)沒(méi)有人工智能程序無(wú)人機(jī)的飛行操作后，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)LiteBeeGo 編程；④在LiteBeeGo 編程的基礎(chǔ)上，多次調(diào)試達(dá)到滿意的效果后，將程序拷入無(wú)人機(jī)；⑤實(shí)戰(zhàn)演練，體驗(yàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)編隊(duì)等飛行動(dòng)作，對(duì)比感受人工智能的魅力。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)前后有無(wú)人工智能技術(shù)的實(shí)踐，讓學(xué)生體會(huì)人工智能帶來(lái)的高效性。

注意事項(xiàng)：第一，“操作流程”③中“帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)liteBeeGo 編程”，對(duì)于小學(xué)生，選擇簡(jiǎn)單的模塊化圖形化編程學(xué)習(xí)，這種形式的編程簡(jiǎn)單明了易操作。例如，學(xué)生通過(guò)LiteBeeGo 控制無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)精彩的飛行表演，只需在軟件處于編隊(duì)模式下，在界面點(diǎn)擊“預(yù)覽”按鈕即可預(yù)覽編隊(duì)飛行。第二，對(duì)于中學(xué)生，選擇入門的Python 編程?；究蚣芤褳槠浯罱ê?，教過(guò)Python 的基礎(chǔ)語(yǔ)法后，在教師的幫助下，學(xué)生盡量獨(dú)自完成一個(gè)無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的函數(shù)。第三，學(xué)生通過(guò)LiteBeeGo 控制無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)精彩的飛行表演，讓學(xué)生能夠切實(shí)感受到編程的效果，創(chuàng)造效果更佳直觀。

5.配套資源開發(fā)

旋翼類：飛控和樹莓派的開發(fā)與結(jié)合，學(xué)習(xí)LiteBeeGo編程軟件。水火箭：搭載樹莓派等配件的水火箭的設(shè)計(jì)與制作、樹莓派的開發(fā)。固定翼：51 單片機(jī)的開發(fā)與壓力傳感器的結(jié)合、增穩(wěn)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作。

6.線下線上教學(xué)模式設(shè)計(jì)

線下教學(xué)：理論知識(shí)在課堂中進(jìn)行教學(xué)，實(shí)際操作體驗(yàn)課程在戶外進(jìn)行。線上教學(xué)：利用互聯(lián)網(wǎng)資源進(jìn)行對(duì)線下教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充和擴(kuò)展，小學(xué)編程利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行“云”課堂教學(xué)。

7.效果評(píng)價(jià)與反饋

主要采用CIPP 過(guò)程評(píng)價(jià)體系。具體評(píng)價(jià)過(guò)程分為四步：①背景評(píng)價(jià)。明確評(píng)價(jià)課程實(shí)施對(duì)象小學(xué)生的需要。明確課程滿足需要的機(jī)會(huì)：航空航天教育和人工智能教育的時(shí)代需要。②輸入評(píng)價(jià)。課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)以及教案的開發(fā)是否能夠達(dá)到提高小學(xué)生綜合素質(zhì)的目的，以及促進(jìn)航空航天知識(shí)普及以及推動(dòng)人工智能教育發(fā)展的目的。③過(guò)程評(píng)價(jià)。通過(guò)觀察課程實(shí)踐過(guò)程中小學(xué)生對(duì)課程的接受能力、活動(dòng)參與度以及課程實(shí)施后是否達(dá)到預(yù)期的課程目標(biāo)，來(lái)確定課程設(shè)計(jì)本身或?qū)嵤┻^(guò)程中存在的問(wèn)題，為修正課程內(nèi)容和實(shí)踐提供有效信息。④成果評(píng)價(jià)。通過(guò)展示學(xué)習(xí)成果，以及舉辦相關(guān)比賽活動(dòng)，測(cè)量、解釋和評(píng)判課程計(jì)劃的成績(jī)。

（二）研究技術(shù)路線圖

1.無(wú)人機(jī)自動(dòng)編隊(duì)飛行的技術(shù)路徑

由編程軟件（LiteBeeGo）寫好程序，通過(guò)樹莓派控制飛控，將帶有飛控的飛機(jī)組成無(wú)人機(jī)，由無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行。

2.水火箭精準(zhǔn)打點(diǎn)的技術(shù)路徑

將火箭帶上樹莓派、加速度傳感器和角度傳感器，在發(fā)射臺(tái)上安裝樹莓派、測(cè)距傳感器和角度傳感器，經(jīng)過(guò)多次的發(fā)射進(jìn)行修正，找到合理的發(fā)射參數(shù)。

3.固定翼增穩(wěn)器的技術(shù)路徑

在泡沫飛機(jī)上搭載51 單片機(jī)，通過(guò)加速度傳感器、角度傳感器等判斷飛機(jī)的姿態(tài)，在通過(guò)舵機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)飛機(jī)姿態(tài)的修正，從而實(shí)現(xiàn)增穩(wěn)。

綜上所述，人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐，旨在推進(jìn)航空航天知識(shí)的普及，為科教興國(guó)助力。開展航天航空活動(dòng)可以提高小學(xué)生學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力、身體協(xié)調(diào)能力、運(yùn)動(dòng)能力和創(chuàng)新能力，鍛煉青少年的身體素質(zhì)，培養(yǎng)其耐心、果敢的心理素質(zhì)和團(tuán)隊(duì)合作、科技創(chuàng)新的能力。拓展人工智能教育在小學(xué)階段實(shí)施的路徑，結(jié)合不同階段小學(xué)生的學(xué)習(xí)能力將人工智能語(yǔ)音播報(bào)、圖像識(shí)別、自動(dòng)化等技術(shù)與航空航天模型相結(jié)合，設(shè)計(jì)出適合小學(xué)階段學(xué)生學(xué)習(xí)的人工智能課程，有利于提高人工智能教育在小學(xué)階段的可實(shí)施性。