項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在小學(xué)人工智能課程中的實(shí)踐

鐘春蘭

摘 要：文章以“遙控機(jī)械手”為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的主題，開(kāi)展小學(xué)人工智能項(xiàng)目式教學(xué)。學(xué)生通過(guò)掌握遙控機(jī)械手活動(dòng)的基本原理以及紅外傳遙控器的工作原理，逐步建立遙控機(jī)械手的感知模式，并學(xué)習(xí)動(dòng)手搭建機(jī)械手，同時(shí)利用ScratchPi可視化程序軟件，進(jìn)行編寫(xiě)機(jī)械手檢測(cè)物品、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等程序，并通過(guò)運(yùn)行調(diào)試與整理程序，進(jìn)而完成對(duì)機(jī)械手的抓取、擺放、抬升和推動(dòng)的功能。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式學(xué)習(xí);人工智能課程;“遙控機(jī)械手”課程

一、項(xiàng)目主題內(nèi)容分析

“遙控機(jī)械手”課程選自“基于STEM理念的智能桌面實(shí)驗(yàn)盒”的人工智能教學(xué)的自編教材，設(shè)計(jì)意圖是拓展ScratchPi可編程電子積木與樂(lè)高結(jié)合的應(yīng)用，幫助學(xué)生了解學(xué)生機(jī)器人的“拓展積木”和“輔助設(shè)備”，同時(shí)要求學(xué)生能選擇合適的擴(kuò)展模型來(lái)構(gòu)建所需要的機(jī)械手結(jié)構(gòu)，并完成編程、調(diào)試與整合。

二、項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

掌握機(jī)械手活動(dòng)的基本原理;掌握紅外傳遙控器的操作基本原理;動(dòng)手搭建機(jī)械手;編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手檢查物品并進(jìn)行適當(dāng)處理的標(biāo)準(zhǔn)操作。

三、項(xiàng)目任務(wù)

本項(xiàng)目的主要教學(xué)對(duì)象為學(xué)校五六年級(jí)學(xué)生，他們?cè)诔Ｒ?guī)教學(xué)課堂上已經(jīng)掌握計(jì)算機(jī)中常見(jiàn)的應(yīng)用軟件，對(duì)電腦的實(shí)際運(yùn)用較為熟悉，同時(shí)他們也有著ScratchPi課程的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，已經(jīng)掌握傳感器的基本含義和有關(guān)的活動(dòng)方法，并熟悉使用ScratchPi的應(yīng)用軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目式學(xué)習(xí)根據(jù)學(xué)生已經(jīng)有的知識(shí)技能，制定以下項(xiàng)目任務(wù)。

（一）了解機(jī)械手的結(jié)構(gòu)功能

對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與制作進(jìn)行分解，把本課要?jiǎng)?chuàng)作的機(jī)械手分解成：了解機(jī)械手的結(jié)構(gòu);分析機(jī)械手的主要功能;拼裝機(jī)械手并使用軟件實(shí)現(xiàn)其功能。

（二）動(dòng)手搭建機(jī)械手

1. 器材準(zhǔn)備：直流電機(jī)控制器、主控器、電機(jī)、紅外收發(fā)器、紅外遙控器和積木配件;

2. 根據(jù)搭建手冊(cè)，小組合作動(dòng)手搭建機(jī)械手。

（三）編寫(xiě)程序與測(cè)試

1. 了解機(jī)械手的功能需求：①當(dāng)紅外遙控器上鍵被按下，機(jī)械手上移;②當(dāng)紅外遙控器下鍵被按下，機(jī)械手下移;③否則（不按外遙控器），機(jī)械手懸停;④當(dāng)紅外遙控器左鍵被按下，機(jī)械手收攏;⑤當(dāng)紅外遙控器右鍵被按下，機(jī)械手張開(kāi);⑥否則（不按外遙控器），機(jī)械手懸停;

2. 學(xué)習(xí)條件判斷程序塊：①機(jī)械手要對(duì)遙控器的哪個(gè)按鍵被按下做出準(zhǔn)確的判斷，依靠的是“條件判斷程序塊”。當(dāng)偵測(cè)條件成立時(shí)，執(zhí)行“如果”框內(nèi)的程序腳本模塊;②可以添加程序塊，實(shí)現(xiàn)多個(gè)條件的判斷;③思考如何用程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的功能需求呢？與教師一起書(shū)寫(xiě)程序流程圖;

3. 動(dòng)手編寫(xiě)程序;

4. 上傳程序與測(cè)試。

四、項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程及學(xué)生學(xué)習(xí)成果

（一）器材材料

直流電機(jī)控制器、主控器、電機(jī)、紅外收發(fā)器、紅外遙控器和積木配件。

（二）實(shí)施模式

從教學(xué)目標(biāo)來(lái)看，“遙控機(jī)械手”項(xiàng)目學(xué)習(xí)不是從研究機(jī)械手的形狀與結(jié)構(gòu)方面切入，而是側(cè)重于讓學(xué)生借助編程思維理解機(jī)械手的工作原理，工程設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用所占的比例相對(duì)較低。

（三）將項(xiàng)目分為前期準(zhǔn)備、實(shí)施過(guò)程和后續(xù)活動(dòng)三個(gè)環(huán)節(jié)

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生主要經(jīng)歷“理解原理—需求分析—硬件搭建—程序設(shè)計(jì)—交流展示—反思總結(jié)”的過(guò)程。教師給學(xué)生設(shè)置合理且有趣的探究任務(wù)，引導(dǎo)全體學(xué)生積極參與，指導(dǎo)他們獲取有價(jià)值的信息，同時(shí)有效地控制課堂氣氛和秩序，幫助學(xué)生達(dá)成每一個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（四）具體過(guò)程

在整個(gè)項(xiàng)目執(zhí)行階段，教師設(shè)計(jì)了“初建—反思—再建—交流”四個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)涵蓋“合理預(yù)期”“促進(jìn)參與”“引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)”“控制秩序”“歸納總結(jié)”五個(gè)項(xiàng)目實(shí)施要點(diǎn)，讓學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方法與信息技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和匯總。

1. 了解機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能

教師播放珠江啤酒廠的自動(dòng)化生產(chǎn)視頻，引導(dǎo)學(xué)生講述與機(jī)械手有關(guān)的背景知識(shí)，如機(jī)器雙臂是一個(gè)能夠模擬人手和臂的某種動(dòng)態(tài)控制功能，用于按定程式抓取、移動(dòng)物體以及操縱工具的手動(dòng)操縱裝。這一活動(dòng)的目的在于讓學(xué)生把課堂知識(shí)與實(shí)際相聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

當(dāng)學(xué)生的激情被調(diào)動(dòng)起來(lái)后，教師向?qū)W生展示機(jī)械手的功能：上移、下移、收攏和張開(kāi)。隨后教師給學(xué)生布置任務(wù)：“請(qǐng)你們討論機(jī)械手的功能，書(shū)寫(xiě)需求分析和程序流程圖（如下圖）?！苯處煂W(xué)生分成4人一組進(jìn)行簡(jiǎn)短的討論，確定機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)的功能，并商討如何搭建機(jī)械手。鑒于這是學(xué)生第一次搭建機(jī)械手，教師需要給學(xué)生提供完備的器材和詳細(xì)的搭建手冊(cè)。

2. 動(dòng)手搭建機(jī)械手

學(xué)生按團(tuán)隊(duì)所討論的搭建方法參與搭建活動(dòng)，在搭建的過(guò)程中，可以加入自己的創(chuàng)意，使得機(jī)械手盡可能簡(jiǎn)單又實(shí)用。這個(gè)過(guò)程中教師要注重觀察學(xué)生的一些活動(dòng)細(xì)節(jié)并給予及時(shí)的指導(dǎo)，對(duì)于遇到困難的學(xué)生，教師要輔助他們找到所搭建機(jī)械手存在的各種問(wèn)題，并通過(guò)與其他團(tuán)隊(duì)互動(dòng)獲取有用的信息，為后續(xù)的改進(jìn)和測(cè)試積累經(jīng)驗(yàn)。

3. 程序編寫(xiě)與測(cè)試

學(xué)生完成搭建任務(wù)之后，教師隨即引導(dǎo)他們進(jìn)行程序編寫(xiě)。教師首先詳細(xì)講授本程序需要用到的程序塊：條件判斷程序塊。

使用條件判斷語(yǔ)句可以在執(zhí)行某個(gè)語(yǔ)句之前進(jìn)行判斷，當(dāng)偵測(cè)條件成立則執(zhí)行“如果”框內(nèi)的程序腳本模塊。條件不成立則執(zhí)行“否則”框內(nèi)的程序腳本模塊。學(xué)生根據(jù)教師的講解與前面書(shū)寫(xiě)的程序流程圖，完成機(jī)械手程序的編寫(xiě)。程序編寫(xiě)完后，將程序上傳到控制器，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，拿出遙控器，按“上、下、左、右”鍵位，觀察機(jī)械手是否聽(tīng)指令。

4. 展示與交流，聚焦搭建與編程中的心得

教師組織學(xué)生互相介紹他們的機(jī)械手。教師提前準(zhǔn)備主要教學(xué)內(nèi)容、與有關(guān)知識(shí)的鏈接等，并指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)機(jī)械手實(shí)物進(jìn)行的分步法演示作業(yè)與講解，讓學(xué)生進(jìn)行集中反思和總結(jié)交流，力求使全體學(xué)生既能對(duì)知識(shí)獲得情況進(jìn)行真實(shí)客觀的評(píng)估，也能加入到其他小組學(xué)生的知識(shí)評(píng)價(jià)中。

五、項(xiàng)目教學(xué)反思

本項(xiàng)目學(xué)習(xí)的宗旨是使學(xué)生掌握遙控機(jī)械手的基本構(gòu)造并通過(guò)軟件編輯實(shí)現(xiàn)其遙控功能，能利用各種方法和配件積極地創(chuàng)新遙控機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和共同探究的習(xí)慣。

（一）合理分配項(xiàng)目小組人員

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能否有效開(kāi)展，主要取決于學(xué)生。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的合作小組的人員組成可由教師根據(jù)學(xué)生已經(jīng)具備的能力、興趣愛(ài)好、性格差異等來(lái)安排，不太建議由學(xué)生自主選擇合作伙伴。項(xiàng)目學(xué)習(xí)的各項(xiàng)任務(wù)要考慮獨(dú)立完成和合作完成的比例，合適的比例有利于培養(yǎng)學(xué)生自主、合作、探究的合作學(xué)習(xí)能力。

（二）重視教學(xué)中的問(wèn)題設(shè)計(jì)

“學(xué)起于思，思起于疑”，學(xué)生的思考總是從疑問(wèn)出發(fā)。正確地指出問(wèn)題和恰當(dāng)?shù)刂笇?dǎo)學(xué)生回答問(wèn)題，是教學(xué)取得成功的關(guān)鍵。所以在本節(jié)課中，筆者重視緊扣教學(xué)目標(biāo)，以領(lǐng)會(huì)知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)為前提，從分析作品功能需求到編輯程序代碼，一共設(shè)置五個(gè)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生挖掘每個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)鍵點(diǎn)，幫助學(xué)生理解和掌握重難點(diǎn)。

（三）注重培養(yǎng)程序開(kāi)發(fā)意識(shí)

程序教學(xué)最關(guān)鍵的是程序設(shè)計(jì)思維的訓(xùn)練，并從程序設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)中訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用程序設(shè)計(jì)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)邏輯思維，實(shí)際上并不只是讓他們學(xué)會(huì)編程語(yǔ)言，而是在于訓(xùn)練他們的邏輯思維能力，使他們明白編程語(yǔ)言背后的邏輯原理與方法。課堂上帶領(lǐng)學(xué)生一起分析用戶(hù)需求，結(jié)合所學(xué)提出設(shè)計(jì)方案并實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生在解決問(wèn)題中形成可計(jì)算化的思維，形成利用編程工具解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)和習(xí)慣。

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