面向普及的小學(xué)高年級(jí)人工智能教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

張蝶嬪

摘要：人工智能已經(jīng)開(kāi)始走進(jìn)基礎(chǔ)教育的課堂中，但是如何有效地設(shè)計(jì)有關(guān)人工智能的課程，依然是一個(gè)需要繼續(xù)探索的主題。本文以殘疾寵物車(chē)項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施為例，探究小學(xué)高年級(jí)人工智能教學(xué)，希望能提升人工智能教學(xué)的有效性和可行性，為基礎(chǔ)教育階段人工智能教學(xué)的初步實(shí)施提供一種試行方案。

關(guān)鍵詞：人工智能;課堂教學(xué);項(xiàng)目化;迭代

中圖分類(lèi)號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2021）21-0015-04

問(wèn)題的提出

國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出：“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，逐步推廣編程教育。”[1]經(jīng)過(guò)這些年的摸索，很多地方已經(jīng)有相關(guān)研究，但在實(shí)施過(guò)程中依然存在著一些問(wèn)題，如課堂時(shí)間短，在普通課堂無(wú)法完整實(shí)施一課內(nèi)容，導(dǎo)致大部分人工智能課程只能在社團(tuán)開(kāi)展;很多課程單點(diǎn)教授技能，缺乏連貫性，與解決生活中的問(wèn)題關(guān)聯(lián)性不大等。因此，筆者嘗試以項(xiàng)目為基礎(chǔ)，以課堂為抓手，以社團(tuán)為延伸，開(kāi)展項(xiàng)目化的人工智能教學(xué)。

項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

在小學(xué)階段，將項(xiàng)目化滲透于教學(xué)過(guò)程，可以幫助學(xué)生更正確地把握課程建設(shè)目標(biāo)與研究方向。殘疾寵物車(chē)項(xiàng)目是基于小學(xué)信息技術(shù)高年級(jí)人工智能課程開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目，目前以社團(tuán)為實(shí)驗(yàn)班開(kāi)展教學(xué)。

1.設(shè)計(jì)原則

推進(jìn)普適性：社團(tuán)開(kāi)展只是實(shí)驗(yàn)階段，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施要以普適性為最終目標(biāo)，能讓大多數(shù)孩子接受到相關(guān)的教育，形成基礎(chǔ)認(rèn)知，鍛煉計(jì)算思維。

實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目化：為了讓學(xué)習(xí)具有整體性，以項(xiàng)目化研究開(kāi)展，形成項(xiàng)目迭代的基本模式，讓學(xué)生以小組為單位開(kāi)展研究，培養(yǎng)合作能力和解決問(wèn)題的能力。

提升思維量：在完成項(xiàng)目時(shí)需要解決問(wèn)題和拓展思考，可以讓學(xué)生在作品逐漸成形和不斷迭代過(guò)程中提升思維力和創(chuàng)新力。

2.設(shè)計(jì)方法

普適性教育與興趣教育并行。本研究以自然班為最終目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)班的基礎(chǔ)上，可以預(yù)設(shè)1～2個(gè)較為通用的共同主題，引導(dǎo)大多數(shù)學(xué)生研究共同主題，選出部分有創(chuàng)意且研究能力較強(qiáng)的學(xué)生加入社團(tuán)，在社團(tuán)中研究自己的項(xiàng)目。

主線(xiàn)項(xiàng)目與分支項(xiàng)目并行。項(xiàng)目以迭代方式進(jìn)行，在確定主題和初步模型后，進(jìn)入實(shí)施階段，往往會(huì)出現(xiàn)多種方向的迭代，教師可以在現(xiàn)有條件內(nèi)加以引導(dǎo)，讓學(xué)生在共同研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣埂?/p>

評(píng)價(jià)與創(chuàng)新并行。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，可以采取體驗(yàn)式評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目作品的體驗(yàn)，提出建議，引發(fā)反思，從而解決問(wèn)題。同時(shí)也可以在體驗(yàn)中獲取新的靈感，促發(fā)創(chuàng)新。

項(xiàng)目實(shí)踐

1.選題來(lái)源生活

學(xué)習(xí)人工智能的目的是讓生活更方便，讓工作、學(xué)習(xí)的效率更高，所以人工智能的選題必須來(lái)自生活，最好由學(xué)生主導(dǎo)進(jìn)行思考。

本項(xiàng)目主題就來(lái)自一位學(xué)生的設(shè)想，這位學(xué)生在一次坐車(chē)回家途中，看見(jiàn)了路邊有一只殘疾的小狗，不能順利行走。人工智能是否可以幫到小狗呢？通過(guò)交流，學(xué)生們確立了這樣一個(gè)主題。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生們也討論幫助殘疾人出行，這樣更具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.課程串聯(lián)項(xiàng)目

（1）初定寵物車(chē)功能

通過(guò)學(xué)生的討論，結(jié)合課本，學(xué)生確立了首先需要一輛小車(chē)，讓小狗趴在車(chē)上出行。小車(chē)平時(shí)可以由主人牽著走，如果想要輕松點(diǎn)，也可以開(kāi)啟自動(dòng)模式，按照需要的路線(xiàn)行走。

（2）會(huì)行走的寵物車(chē)（殘疾寵物車(chē)v1.0）

首先需要完成的是小車(chē)的基本功能——行駛。小車(chē)的行駛有五個(gè)基本動(dòng)作：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止。通過(guò)修改高低電位和測(cè)試，讓學(xué)生理解用程序控制電機(jī)的基本原理。

（3）會(huì)巡線(xiàn)的寵物車(chē)（殘疾寵物車(chē)v1.5）

寵物車(chē)要幫助寵物行走，先要確定一些常用地點(diǎn)，如家里上廁所和進(jìn)食的路線(xiàn)，每天小區(qū)內(nèi)的散步路線(xiàn)，這些路線(xiàn)一般都是固定的，所以可以參考機(jī)器人送餐的方式，用巡線(xiàn)規(guī)劃好既定的路線(xiàn)，讓小車(chē)自動(dòng)行走。

在這里，學(xué)生認(rèn)識(shí)了灰度傳感器，通過(guò)檢測(cè)灰度傳感器的值，可以判斷小車(chē)的線(xiàn)路偏左還是偏右，以及是否到達(dá)了終點(diǎn)。根據(jù)不同的條件，規(guī)劃了行駛的方式，至此，一代巡線(xiàn)版寵物車(chē)完成。在完成這一步的過(guò)程中，學(xué)生了解了紅外（灰度傳感器）原理，也充分體驗(yàn)了條件分支的思維模式。

（4）會(huì)避障的寵物車(chē)（殘疾寵物車(chē)v2.0/v2.5）

經(jīng)過(guò)測(cè)試，學(xué)生發(fā)現(xiàn)在巡線(xiàn)的過(guò)程中可能會(huì)碰到有人路過(guò)寵物車(chē)前方的情況，需要小車(chē)學(xué)會(huì)判斷前方的障礙物。于是就進(jìn)入了對(duì)超聲波傳感器的認(rèn)識(shí)。根據(jù)超聲波的原理，學(xué)生改版了兩種類(lèi)型的升級(jí)版：一種是基于巡線(xiàn)的基礎(chǔ)，增加了巡線(xiàn)過(guò)程中障礙物的檢測(cè)，遇到障礙物就停止，一種是“自由散步”寵物車(chē)，在一定范圍內(nèi)，小車(chē)可以自動(dòng)判斷障礙物，進(jìn)行避障行駛。在教學(xué)過(guò)程中，鼓勵(lì)不同的需求促發(fā)不同的迭代方向。

（5）更多的寵物車(chē)拓展設(shè)想（殘疾寵物車(chē)v3.0）

①“聽(tīng)話(huà)”的寵物車(chē)。寵物車(chē)的改進(jìn)還可以根據(jù)需要進(jìn)一步智能化，如語(yǔ)音控制，讓小車(chē)可以聽(tīng)主人指令行駛，使用語(yǔ)音識(shí)別生成工具生成相應(yīng)的指令（如圖1），讓學(xué)生的人工智能學(xué)習(xí)從簡(jiǎn)單信號(hào)進(jìn)入復(fù)雜信號(hào)階段。

②“首勢(shì)”控制寵物車(chē)。寵物經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)挠?xùn)練是可以執(zhí)行一些較為復(fù)雜的操作的。這就給寵物車(chē)的拓展提供了新的思路——手勢(shì)控制。寵物沒(méi)有手勢(shì)，可以在經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后采用頭部轉(zhuǎn)向（首勢(shì)）控制。采用開(kāi)源硬件中的手勢(shì)傳感器對(duì)小車(chē)進(jìn)行改版。在之前的學(xué)習(xí)中可以發(fā)現(xiàn)，不論小車(chē)如何運(yùn)動(dòng)，基礎(chǔ)的五種運(yùn)動(dòng)方式是不變的，為了簡(jiǎn)化程序，同時(shí)因?qū)W生已經(jīng)形成一定的計(jì)算思維方式，因此可以引入函數(shù)定義概念的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生將基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)方式用函數(shù)來(lái)定義，在手勢(shì)傳感器的條件下進(jìn)行調(diào)用。寵物在轉(zhuǎn)頭時(shí)相當(dāng)于使用了手勢(shì)，可以轉(zhuǎn)彎，為了防止左右看的時(shí)候也轉(zhuǎn)彎行走，所以腳本只設(shè)置了轉(zhuǎn)彎，并不前進(jìn)，只有確定方向了，抬頭，可以前進(jìn)，低頭，則可以后退并停止（如圖2）。

③安全寵物車(chē)。在“一盔一帶”政策的指引下，還可以引導(dǎo)學(xué)生往安全性方面進(jìn)行思考，對(duì)此類(lèi)自動(dòng)駕駛項(xiàng)目做好安全工作，如給寵物車(chē)安裝頭盔識(shí)別，如果沒(méi)有戴頭盔，則發(fā)出警告，而這個(gè)應(yīng)用如果設(shè)計(jì)成功，也可以應(yīng)用到電動(dòng)車(chē)上。在這個(gè)項(xiàng)目中，涉及物品識(shí)別，在用很多圖片經(jīng)過(guò)訓(xùn)練建立物體模型后，通過(guò)導(dǎo)入模型與攝影圖形進(jìn)行節(jié)點(diǎn)對(duì)比，判斷是否佩戴了頭盔。

（6）評(píng)價(jià)

項(xiàng)目的評(píng)價(jià)可以分為階段性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)。在每一個(gè)階段，采用組內(nèi)體驗(yàn)（內(nèi)測(cè)）和組間體驗(yàn)（一測(cè)、二測(cè)等），學(xué)生可以根據(jù)作品的程序流暢性、簡(jiǎn)潔性，作品的實(shí)用性等多方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)建議，促進(jìn)作品迭代。

在最終成品完成后，還可以對(duì)作品進(jìn)行外觀(guān)設(shè)計(jì)，除了階段性評(píng)價(jià)中的要求外，增加外觀(guān)上的要求，并將成品進(jìn)行展示，提升學(xué)生成就感，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)動(dòng)力。

問(wèn)題與解決

本課程的初步開(kāi)展是在上學(xué)期，較為完整的構(gòu)想成形于本學(xué)期初，并且是以社團(tuán)為試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)施，若要普及應(yīng)用尚有很多不成熟的地方。

1.配套器材選購(gòu)

開(kāi)展人工智能創(chuàng)客類(lèi)課程不可避免的問(wèn)題就是硬件的選購(gòu)，現(xiàn)階段市面上各種類(lèi)型的器材層出不窮，主流為Arduino開(kāi)源硬件、人工智能套件、機(jī)器人套件等。在得到校方支持的前提下，也要考慮其適用性。如果要低成本、高兼容，則Arduino開(kāi)源硬件是首選，人工智能套件部分器材可以選購(gòu)，如帶攝像頭和大屏的K210主板，在智能識(shí)別上有較大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，以小組合作為主要開(kāi)展形式，幾人用一組器材，節(jié)約成本，也能促進(jìn)學(xué)生合作能力的成長(zhǎng)。本項(xiàng)目器材主要有K210主板、Arduino主板、灰度傳感器、超聲波傳感器、手勢(shì)傳感器、語(yǔ)音識(shí)別模塊、攝像頭。

2.課程實(shí)施內(nèi)容

本項(xiàng)目是以寵物車(chē)為例的一系列課程，但課程的開(kāi)展并不一定是固定的，事實(shí)上，在可選硬件范圍內(nèi)根據(jù)學(xué)生的意向靈活調(diào)整課程內(nèi)容會(huì)讓人工智能教學(xué)更與時(shí)俱進(jìn)。當(dāng)然，教師也可以根據(jù)自身情況，設(shè)計(jì)幾套方案，實(shí)施時(shí)可以根據(jù)學(xué)生提出的項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生向自己設(shè)定的方向靠攏，借以開(kāi)展課程。由于本套方案還沒(méi)有實(shí)施到最后階段，在語(yǔ)音識(shí)別和物體識(shí)別過(guò)程中，學(xué)生會(huì)遇到哪些問(wèn)題還沒(méi)有實(shí)踐數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步實(shí)施和調(diào)整。

3.課程實(shí)施年段

根據(jù)學(xué)校課程設(shè)置情況，人工智能課程可以在五六年級(jí)開(kāi)展，五年級(jí)上學(xué)期以圖形化軟件編程入門(mén)，培養(yǎng)計(jì)算思維。下學(xué)期結(jié)合硬件進(jìn)行項(xiàng)目化創(chuàng)造。如果學(xué)校有條件從低年級(jí)開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)，如采用無(wú)屏編程、桌面邏輯游戲等不插電編程教學(xué)活動(dòng)的，實(shí)際接觸硬件的人工智能教學(xué)也可以提早到四年級(jí)下學(xué)期或五年級(jí)上學(xué)期。在這個(gè)年齡段，學(xué)生有了初步的抽象邏輯思維能力，也能更好地進(jìn)行程序的構(gòu)建。

4.傳感器管腳限制

在本項(xiàng)目實(shí)施和設(shè)計(jì)過(guò)程中，也遇到了很多問(wèn)題，由于硬件限制，部分傳感器在同一個(gè)主板中只允許同一個(gè)管腳，如手勢(shì)傳感器和語(yǔ)音，都是A4A5，而液晶屏顯示的輸出同樣已經(jīng)默認(rèn)是A4A5，如果學(xué)生在過(guò)程中需要同時(shí)用到兩種元件，在腳本設(shè)置中會(huì)造成沖突。初步構(gòu)想的解決方案有兩個(gè)，一是換一種思路達(dá)到類(lèi)似的效果，二是添加一塊外接主板實(shí)現(xiàn)一些不影響主程序的輔助功能。這需要教師在實(shí)施過(guò)程中靈活變通。

總結(jié)

人工智能無(wú)論是在國(guó)際還是在國(guó)內(nèi)都是一項(xiàng)前瞻性的研究，基礎(chǔ)教育的人工智能教學(xué)也是在為國(guó)家的人工智能?chē)?guó)際競(jìng)爭(zhēng)做人才儲(chǔ)備。[2]人工智能的研究范圍很廣，涉及各種學(xué)科知識(shí)。基礎(chǔ)教育階段研究的也僅僅是弱人工智能的學(xué)習(xí)，但基礎(chǔ)是上層建筑的基石，我們的重點(diǎn)是教會(huì)學(xué)生思維和實(shí)踐方法。[3]

有創(chuàng)新能力，才有拓展空間，有扎實(shí)的計(jì)算思維基礎(chǔ)，才能將想象落實(shí)。借由人工智能課程，既能讓學(xué)生初步接軌前沿科技，拓展眼界，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]居曉波.開(kāi)展STEAM項(xiàng)目式程序設(shè)計(jì)——培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2017（12）：49-53.

[2]梁森山，王陽(yáng)，劉軍.尋味人工智能教育：祛魅之下的實(shí)踐與思考[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2018（02）：4-11.

[3]張曉東.基于人工智能教育的編程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施——以小學(xué)《賽車(chē)游戲》一課為例[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2020（17）：41-42.

本文系江蘇省管雪沨網(wǎng)絡(luò)名師工作室人工智能教育研究階段性成果。