人工智能+教育：構造有趣有用的編程課

王丹

【摘 要】編程教學作為人工智能+教育的重要部分，主要是通過編程來讓學生體驗人工智能，使其更好地適應人工智能時代發(fā)展。本文以“智能入庫機器人”例探究將人工智能與教育有機結合，構造有趣有用的編程課程，探索人工智能教學的開展路徑。

【關鍵詞】人工智能;人工智能+教育;編程教學

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2021）02、03-094-04

人工智能時代的到來，推動著各領域智能化發(fā)展的步伐。如何培養(yǎng)學生的人工智能意識和人工智能素養(yǎng)，也成為教育領域亟待解決的問題。而機器人能夠將人工智能的技術應用和學生的編程設想直接呈現(xiàn)。人工智能進課程的核心問題是如何把人工智能從技術形態(tài)轉換為學生感興趣、能接受的教育形態(tài)。

人工智能與編程教學

人工智能是借助計算機等設備模擬人類智能活動的技術，研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人類智能的理論、技術、方法及應用系統(tǒng)，目的是探索人類智能的方法和實質(zhì)，并生產(chǎn)出能與人的智能相似的方式作出各種反應的智能機器，從而在各行業(yè)中發(fā)揮作用[1]。

編程教學作為人工智能+教育的重要部分，主要是通過編程來讓學生體驗人工智能，使其更好地適應人工智能時代發(fā)展?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準》中要求學生能描述人工智能的基本特征，會利用開源軟硬件平臺設計搭建簡單智能系統(tǒng);了解人工智能的新進展、新應用，并能適當運用于學習和生活中;能客觀認識人工智能技術對社會生活的影響?？梢娙斯ぶ悄苷n程教學的目的不是培養(yǎng)程序員，不是要求人人有高超的編程技術，而是讓學生通過學習了解人工智能技術的基本原理，通過編程體驗人工智能技術應用，培養(yǎng)學生的人工智能意識與素養(yǎng)。

在中小學中開展人工智能教育需具備教師、課程、設備、時間和環(huán)境五個基本條件[2]。教師從有機器人教學經(jīng)驗、對人工智能感興趣的信息技術教師中選拔，并為其提供專業(yè)的人工智能理論與實踐培訓。課程可以從人工智能選修教材中選取，或從優(yōu)秀的編程教學案例或機器人教學案例中選取改編，也可以結合生活實際開發(fā)新的課程，設備涉及計算機、機器人等。教學時間可以安排在信息技術學科課程中，也可以安排在綜合實踐課程中。教學環(huán)境最好安排專用教室。

“智能入庫機器人”教學案例

高中學段人工智能能力培養(yǎng)目標為理解與實現(xiàn)專題性人工智能技術，了解人工智能發(fā)展與應用前沿。因此人工智能課程可以采用專題教學或項目式教學方法。很多公司都需要將貨物分門別類地存放入倉庫，在“智能入庫機器人”一課中，學生要探究如何借助人工智能技術幫助人們便捷、高效地進行入庫工作。這要利用人工智能中的語音識別、圖像識別等技術。課堂中，我們可以借助圖形化編程軟件DobotBlock及其內(nèi)部嵌入的人工智能模塊接口，實現(xiàn)機器人自動識別貨物并將其安放到指定位置，即智能入庫。完成這樣的程序設計，學生需要了解分支結構與循環(huán)結構等編程基礎知識及人工智能中的圖像識別、語音識別等技術。學生對人工智能很感興趣，有對新科技強烈的探究欲望，但對人工智能了解很少，多數(shù)只是停留在聽說過這個詞的認識上，知道智能家居用了人工智能技術，但并不了解人工智能的內(nèi)涵、關鍵技術及其基本原理。這一內(nèi)容可以讓學生在較短的時間內(nèi)直觀地體驗到人工智能技術在生活中的應用方法，了解人工智能技術的基本原理，逐漸樹立起利用人工智能技術解決問題的意識和思維，提高探究人工智能技術奧秘的興趣與熱情，為以后學習人工智能相關課程、適應人工智能時代生活方式打好基礎。

1.視頻導入，明確項目要求

情境再現(xiàn)是抽取實際生活場景片段以視頻、圖像、文字、表演等方式呈現(xiàn)給學生，使學生快速融入學習情境中，激發(fā)學生的探索欲望，并引導學生從情境中觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題，提高解決問題的積極性。

首先為學生展示一段某公司倉庫自動化入庫的運作視頻，讓學生了解自動的、智能的貨物入庫正逐步取代手動的、人工的方式，體會人工智能技術在工業(yè)等領域的應用與影響。引導學生在觀察視頻內(nèi)容的過程中，思考機器的運作流程，推理機器所具有的功能，如移動、旋轉、伸縮、識別、記憶，能認識不同的貨物，知道入庫的要求，還了解不同貨物在倉庫中存放的不同位置，能夠移動貨物位置，可以連續(xù)完成多個入庫任務等。設計問題時要結合學生對人工智能的了解情況，不要超出學生的認知范圍，適當調(diào)整提問方式。如在觀看完上述視頻后，直接問學生其中用到了人工智能中的哪些技術，這樣的問題學生可能很難回答出來，但提問機器的工作流程、具備功能，學生在認真觀察、思考后能夠較好地回答，在此基礎上進一步追問實現(xiàn)這些功能需要用到什么技術，層層遞進。

緊接著引出學習項目“智能入庫機器人”，介紹項目概況、機器設備，提出基本要求。由于課堂教學所用機器人不同于現(xiàn)實工作中的機器人，工作環(huán)境也大不相同，要結合實際情況簡化項目。倉庫場地用圖紙代替，給出關鍵區(qū)域（機器人位置、倉庫入口、貨物存放位置），不同貨物用不同顏色的小方塊代替。要求三種貨物隨機入庫，機器人能識別貨物種類并將其移動至指定位置。

2.問題分析，分解項目任務

拿到任務后，應該冷靜地分析問題，有利于全面了解項目情況，理清思路，找出問題的關鍵所在。項目任務往往是比較復雜的、綜合的大任務，引導學生將其分解成一個個小任務，逐一突破完成。這也體現(xiàn)了“化大為小”“分而治之”的分解思維。

“智能入庫機器人”項目的總任務是實現(xiàn)智能入庫，子任務為識別貨物、移動貨物。完成這兩個子任務又涉及一系列問題，如何讓機器人識別出貨物類型（圖像識別或顏色識別）、如何教會機器識別圖像或顏色（機器學習，建立模型并訓練）、機器人如何移動貨物（吸盤吸取或爪子抓?。⑷绾巫寵C器知道把貨物放在什么位置（根據(jù)不同識別結果，指定不同的目標點坐標）等。這部分要注重引導學生思考討論，互相交流提出意見，并梳理結果。同時，分解任務也有利于學生之間開展分工合作，每個人明確自己負責的小任務，共同完成項目，讓每位學生都參與到學習中，真正地將小組協(xié)作落到實處。教師在這一環(huán)節(jié)做引導、補充或糾正，尤其是在新知識、新技能方面，如教機器識別圖像，學生并不清楚如何實現(xiàn)，不知道機器學習的原理，這時就要教師提供講解，解除學生心中的疑惑。

3.方案設計，呈現(xiàn)解決方案

明確問題與任務后，學生討論構思方案，進行方案設計并將其呈現(xiàn)出來，可以選用文字、圖表、思維導圖、流程圖等形式呈現(xiàn)。在編程教學中，程序設計適合使用流程圖呈現(xiàn)解決方案。

引導學生根據(jù)項目要求，結合視頻演示與任務分解，梳理“智能入庫機器人”的工作流程，明確流程中的各個環(huán)節(jié)：（1）歸零，機器人啟動位置歸零，進入工作準備狀態(tài)，隨時準備迎接即將入庫的貨物;（2）卸貨，人手動把貨物放置倉庫入口處;（3）采集，機器人通過攝像頭獲取貨物的圖像或顏色，可將攝像頭安裝在機器人末端一側;（4）識別，根據(jù)上一步采集到的信息判斷貨物類型并找到指定位置;（5）入庫，下移抓取貨物，運動到指定位置放下貨物;（6）歸位，運動至初始位置，等待下次任務。其中，識別貨物種類、找到位置需要借助軟件中的AI模塊接口，建立模型，讓機器學習各種貨物類型對應的圖像或顏色，并用標簽標記，學習之后要訓練模型，直至識別無誤完成訓練。確定指定位置用分支結構實現(xiàn)，預設多種情況，以保證程序順利進行。這一階段只是初步設計，后續(xù)實施過程中可能會發(fā)現(xiàn)設計不合理或原先沒有考慮到的地方，甚至有了新的靈感或想法，可以邊操作邊修改設計。

4.問題解決，編程完成任務

問題解決需要把原先的設計方案變成現(xiàn)實來完成任務，是從思考到實踐的轉換，要求學生明確方案中的每一步需要如何實現(xiàn)。在編程教學中，主要可以采用圖形化編程或編寫代碼來完成程序。學生在信息技術課程學習中，學習了Python編程的基礎知識，掌握算法三大基本結構的語法與簡單實現(xiàn)，但編程能力不足，程序算法設計能力較弱，編寫完整的程序實現(xiàn)特定功能比較困難，尤其是智能入庫這類現(xiàn)實生活中的復雜問題更為困難。因此，對于初步學習人工智能或編程基礎一般的學生，建議先使用圖形化的編程軟件搭建出框架，理順邏輯關系，再過渡到用代碼來實現(xiàn)程序。人工智能的實現(xiàn)需要有一定的編程能力、算法思想和人工智能應用場景體會，也需要一定的硬件設備輔助實現(xiàn)。編程軟件中嵌入AI接口，使人工智能快速便捷地走進中小學課堂成為可能。在進行人工智能感知的視覺、聽覺等功能中，通過機器人設備或電腦上的攝像頭、麥克風及相應軟件實現(xiàn)，用時調(diào)用外部的人工智能接口，實現(xiàn)人工智能的感官功能;當產(chǎn)生機器人認知與決策后，機器人呈現(xiàn)動作反饋。

借助圖形化編程軟件，結合流程圖，學生逐步搭建程序模塊。學生邊做邊測試，即每搭建一個小模塊都測試運行，檢查其結果是否和預設一致，相對于全部搭建完再運行的方法，可以及時發(fā)現(xiàn)并改正錯誤，容易理清程序找出錯誤點，提高編程效率，也能一步步看到成果，提高學生的成就感和自信心，以更好的心態(tài)進行下一步操作。后續(xù)結合學生實際情況，可選擇是否用代碼來實現(xiàn)程序。

教師要引導學生在實踐中探索，當學生產(chǎn)生疑惑，不知道或無法判斷選擇何種方法更好時，鼓勵學生勇于嘗試，比較分析，在試驗與比較中找出更優(yōu)的方案。對于學生基礎好、程序量少的情況，可以讓學生自主探究多種方法;學生基礎一般、程序量大的情況，可以分組探究，對照分析，得出結論。在實踐操作中，學生發(fā)現(xiàn)雖然吸盤和爪子都可以拿取貨物，但到底哪種方法更適合、更高效呢？吸盤對貨物放置的坐標要求很精確，稍有偏差就不容易吸住，爪子在這方面的要求則比較低，作用范圍較大，且吸盤對貨物的重量也有一定要求，只能吸取較輕的物體，重一點的很難吸取，在現(xiàn)實中不實用。貨物識別可以采用圖像識別和顏色識別兩種方式，哪種方式效果好、準確率高呢？圖像識別對貨物擺放角度要求較高，換個角度很可能識別不準，可以在學習時錄入多個角度的圖像以提高準確率。顏色識別受背景顏色、環(huán)境光線等影響較大，需要多次學習背景圖像，最好采用純色背景，環(huán)境光線最好維持穩(wěn)定，避開靠窗位置，或補充固定光源。

即便是教師直接告訴學生會遇到哪些問題，使用哪種方法較好，學生如果只是停留在“聽”的階段，并沒有親身體驗，也難以真正地理解。而學生在實踐摸索中發(fā)現(xiàn)、對比，會受到視覺、聽覺、認知等多方面的沖擊，直觀形象，印象深刻。如機器抓取貨物時，移動到貨物上方，設置為抓取狀態(tài)接著直接運動的話，很可能爪子還沒抓穩(wěn)貨物就開始運動，會導致抓取失敗或途中掉落，這是因為忽略了爪子狀態(tài)變化所需的時間。因此運動前可以設置1～2秒停留時間，確保抓好貨物后才開始運動。再如機器放下貨物時的高度，即縱坐標的位置，如果高度太高，貨物掉落很可能會翻倒甚至彈出指定區(qū)域，如果高度太低，貨物已接觸到地面而機器還在向下運動，可能會損壞貨物或導致機器發(fā)生故障，造成不必要的損失。因此，教師要注意適時、適量地講，有時“少言勝多言”。

5.評價反思，優(yōu)化解決方案

評價有利于學生全面地認識自己的學習成果，了解其他同學的思想，互相學習，及時反思，不斷提高。反思包括兩個方面：一是對項目成果的反思，是否很好地完成了項目要求，有哪些可以提升的地方等;二是對項目本身的反思，對項目主題展開思考與討論，培養(yǎng)學生的思維能力與社會責任感，不能為了完成任務而完成任務。

這一階段先讓學生匯報展示自己或小組的項目成果，介紹程序設計思路與框架，重點介紹創(chuàng)意設計、遇到的問題與困難、解決方法等，其他學生認真觀察。比較程序的正確性（準確完成任務要求）、高效性（運行時間較少）、簡潔性（代碼精簡結構清晰）、創(chuàng)新性（有獨特的設計）、人性化（用戶體驗良好）等方面。除此之外，引導學生思考自己設計的程序和真正投入使用的程序存在哪些差距？如果將小程序應用到現(xiàn)實中可能會遇到哪些問題？如貨物的形狀、大小不一，怎樣抓取不損壞貨物？還有哪些方式可以移動貨物到指定位置，圖像識別和顏色識別哪個更準確、高效？如何設置貨物的擺放方式？如果在入庫前倉庫里已有部分貨物怎么辦？如何添加模塊實現(xiàn)入庫完成后反饋總結入庫貨物種類及數(shù)量的報告？要求根據(jù)學生實際情況，設計問題討論，選擇部分問題改進程序進行解決。

引導學生結合項目學習體會展開專題討論，如這項技術除了智能入庫，還可以應用到哪些場景中？智能入庫和人工入庫各自的優(yōu)勢與弊端？如果你是相關運營管理人員，你會選擇哪種入庫方式，為什么？對于智能入庫機器人取代人工入庫工作者，將有一部分人面臨失業(yè)的問題，你有什么看法？智能入庫機器人可能會帶來哪些新的就業(yè)機會？這些討論有利于拓展學生的思維，促進知識遷移，樹立正確的技術觀，增強社會責任感。

小? 結

人工智能應用到教學中，充分利用編程軟件、AI平臺讓學生了解、體驗、應用人工智能，從理論到實踐，從看、聽、說，到練、試、做，讓學生在編程中感受人工智能的神奇魅力與強大功能，逐漸提升人工智能素養(yǎng)。人工智能+教育不僅僅指編程教學，還包括人工智能理論、關鍵技術、法律法規(guī)、發(fā)展趨勢等，這些內(nèi)容如何在教學中開展，教師應具備哪些人工智能素養(yǎng)和能力，還需進一步的研究與探索。

參考文獻

馬秀麟，劉靜靜，范晨雨. 教育人工智能發(fā)展狀況分析及趨勢思考[J].中國教育信息化，2020（13）： 1-7.

王長華. 中小學人工智能教育存在的問題與對策[J]. 中小學信息技術教育，2020（10）： 63-65.

作者單位：江蘇太倉高級中學