基于人工智能的“樹莓派”校本課程設(shè)計與實施

沈萍強

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)迅猛發(fā)展，信息科技學(xué)科教學(xué)內(nèi)容亟待更新。2020年，浙江省教育廳教研室對初中信息技術(shù)教材做了全面修訂，其中《浙江省義務(wù)教育教科書信息技術(shù)八年級下》新增了物聯(lián)網(wǎng)和人工智能課程內(nèi)容模塊。由于缺少配套的教學(xué)器材和數(shù)字化工具，學(xué)生無法經(jīng)歷模擬、仿真、驗證等過程，更談不上創(chuàng)新，很多信息科技教師對于新增內(nèi)容不知如何有效教學(xué)。我國某科技公司以“樹莓派”（微型電腦主板）為載體研發(fā)了配套的數(shù)字化教具（數(shù)字設(shè)備、平臺）并提供教學(xué)資源，支持學(xué)生有效管理學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)資源，開展探究性學(xué)習(xí)，創(chuàng)造性地解決問題。為此，筆者圍繞物聯(lián)網(wǎng)和人工智能課程內(nèi)容，以“智能車輛管理”項目為例，開展基于“樹莓派”的校本課程教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在真實問題情境下參與項目式學(xué)習(xí)，鼓勵他們“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能，增強數(shù)字化適應(yīng)力、勝任力、創(chuàng)造力。

一、“樹莓派”校本課程內(nèi)容設(shè)計

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022版）》指出：教師要因地制宜地遴選符合教學(xué)要求、體現(xiàn)育人價值的資源，并結(jié)合學(xué)生認(rèn)知水平對已有案例或素材等進行二次開發(fā)與迭代。筆者基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等課程內(nèi)容，以學(xué)生已有的知識、技能和經(jīng)驗為起點，遵循學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律，按照項目教學(xué)流程來設(shè)計“樹莓派”校本課程（教學(xué)內(nèi)容及安排見表1），為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實的學(xué)習(xí)情境，營造能力與品格融合發(fā)展的成長環(huán)境。

教師讓學(xué)生在“場景分析—原理認(rèn)知—應(yīng)用遷移”的項目式學(xué)習(xí)中，選用合適的“樹莓派”設(shè)備與資源，有效地參與數(shù)字化學(xué)習(xí)與合作探究活動，利用信息科技手段創(chuàng)造性解決問題，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。

（一）基礎(chǔ)知識講解：走進“樹莓派”與“古德微”

教師將認(rèn)知和體驗定為教學(xué)目標(biāo)，幫助學(xué)生認(rèn)識“樹莓派”及其部件構(gòu)成，掌握“樹莓派”的開機方法。從“樹莓派”的連接方式出發(fā)，教師引出“古德微”圖形化編程平臺，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識平臺的基本界面，掌握平臺與“樹莓派”的連接方式，初步了解平臺中的各個指令模塊。學(xué)生系統(tǒng)了解并掌握開機連接設(shè)備與登錄平臺方法，會激發(fā)對新技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣和形成信息意識，有利于理解物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和基本原理，認(rèn)識新技術(shù)對人類社會的貢獻與挑戰(zhàn)。

（二）物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)意制作：物聯(lián)設(shè)計

教師利用“古德微”硬件體系組織學(xué)生參與“樹莓派”校本課程的學(xué)習(xí)與實踐（如圖1），并將各種傳感器知識、積木式編程模塊及編程基礎(chǔ)知識分解到6個具體課程中（見表2）。學(xué)生參與編程和實踐活動，在感知、體驗和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的過程中，其計算思維水平和發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力會得到提升。

（三）人工智能項目創(chuàng)作：智能創(chuàng)作

在學(xué)生對編程思想及軟硬件結(jié)合有初步了解的基礎(chǔ)上，教師結(jié)合先進的人工智能理論和技術(shù)，逐步培養(yǎng)學(xué)生從感知體驗到理解使用人工智能的能力。課程包含語音識別、語音控制、語音合成、圖片識別、人臉識別與對比以及機器學(xué)習(xí)和模型訓(xùn)練等（見表3），涵蓋了當(dāng)前人工智能的主要應(yīng)用領(lǐng)域。學(xué)生學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，對人工智能將有充分的認(rèn)識與理解，能夠使用人工智能實現(xiàn)日常的項目作品創(chuàng)作，解決生活與學(xué)習(xí)中的問題，在項目活動中了解并掌握人工智能的基本理念和核心原理，提升對人工智能的應(yīng)用能力。

二、“樹莓派”校本課程的教學(xué)方法設(shè)計

初中生思維能力逐漸從形象思維向邏輯思維過渡，其辯證邏輯認(rèn)知能力不斷完善，并且認(rèn)知活動的自覺性明顯增強。教師在教學(xué)中要注重學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)和掌握，但單純講解理論知識，又不完全符合初中生邏輯思維發(fā)展的特點。教師采用以項目教學(xué)為主、講授為輔的方法教學(xué)。在講解理論知識時，筆者立足于初中生的知識基礎(chǔ)，注重講解“樹莓派”校本課程中關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性的概念，講解算法與程序設(shè)計的基本思想與“樹莓派”和傳感器等硬件的工作原理。在實踐環(huán)節(jié)，教師則采用項目教學(xué)法，與學(xué)生共同參與用“樹莓派”解決實際問題的項目活動的完整過程。學(xué)生在活動中探究學(xué)習(xí)，逐步提升核心素養(yǎng)。

學(xué)生在小學(xué)階段學(xué)過Mind+之類的圖像化編程?；诖耍處熢谡n程伊始先安排1個課時讓學(xué)生熟悉“樹莓派”圖形化編程平臺，再根據(jù)學(xué)生在完成項目任務(wù)過程的需求，補充講解算法等編程知識，提高項目作品各項功能的實現(xiàn)率，使項目成果更完善且人性化。

三、“樹莓派”校本課程的教學(xué)過程

筆者設(shè)計的樹莓派校本課程主要在學(xué)校課后服務(wù)時段以拓展課形式開展，每周安排2課時，每學(xué)期開設(shè)16周共32個課時。學(xué)生先學(xué)習(xí)“樹莓派”硬件體系和圖形化程序設(shè)計知識，再參與項目實踐，不斷提高分析問題和解決問題的能力，實現(xiàn)基礎(chǔ)知識的遷移。下面，筆者以“智能車輛管理”項目為例，闡述“樹莓派”校本課程教學(xué)的實施過程。

（一）確定項目主題

真實情境下的問題涉及多學(xué)科知識。教師將真實情境問題作為項目教學(xué)的出發(fā)點，有利于引導(dǎo)學(xué)生分析問題、解決問題并深刻反思，以此提高學(xué)生解決問題的能力。筆者所在學(xué)校生源來源于周邊的各個拆遷小區(qū)。學(xué)生注意到小區(qū)內(nèi)亂停車、占道停車等問題非常嚴(yán)重。車輛停放者除了小區(qū)業(yè)主之外，還有許多租住人員、家庭作坊從業(yè)人員及周圍商店的顧客等。學(xué)生需要設(shè)計制作一個能識別本小區(qū)內(nèi)人員車輛并自動放行、禁止非小區(qū)車輛進入的車輛管理系統(tǒng)，這樣既能減輕小區(qū)安保人員的工作負擔(dān)，又能營造安全、有序、暢通的小區(qū)內(nèi)部交通環(huán)境。根據(jù)上述情況，學(xué)生決定利用“樹莓派”校本課程中前期學(xué)到的知識來設(shè)計小區(qū)智能車輛管理系統(tǒng)。

（二）分析項目需求

分析項目需求是學(xué)生經(jīng)過深入細致的調(diào)研和分析，確定項目需要實現(xiàn)哪些功能和完成哪些工作的過程。學(xué)生經(jīng)過實地調(diào)查，統(tǒng)計小區(qū)業(yè)主和租戶的居住信息，登記車輛的車牌號碼；采訪車主和安保人員，明確項目需要具有的功能。在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)自身生活經(jīng)驗或者上網(wǎng)了解現(xiàn)有車牌識別技術(shù)的優(yōu)缺點。結(jié)合小區(qū)的來往車輛特點，學(xué)生決定選擇采用車輛識別系統(tǒng)管理小區(qū)車輛?；谡{(diào)查結(jié)果，學(xué)生明確了智能車輛管理需要具有的功能：車輛進入感應(yīng)區(qū)域后，由超聲波傳感器感知并將電平信號傳遞給“樹莓派”控制中心；由“樹莓派”控制攝像頭拍攝照片傳入后臺，與車輛信息庫中登記的車牌號碼數(shù)據(jù)進行比對，由音箱播報識別結(jié)果，決定是否抬桿放行。

（三）設(shè)計項目方案

在明確項目需求后，各組圍繞項目主題設(shè)計方案，包括項目的各個功能、所需元器件、程序模塊等，用“頭腦風(fēng)暴”等方法研討項目方案。學(xué)生先以實地觀察、網(wǎng)絡(luò)搜索等方式了解車輛道閘的設(shè)置和安裝等規(guī)范要求，再組內(nèi)交流（思維碰撞），確定智能車輛管理項目方案（見表4）。

（四）實施項目方案

各組根據(jù)項目方案，按照連接硬件、設(shè)計程序、調(diào)試運行、設(shè)計模型四個步驟完成智能車輛管理項目的作品制作。學(xué)生首先確定每種電子元器件的連接方式，了解每種元器件的工作特性、連接各種電子元器件，并根據(jù)項目的解決方案繪制流程圖（如圖2），描述算法，為編寫程序代碼做好準(zhǔn)備工作。學(xué)生按照流程圖編寫智能車輛管理的程序，其中車牌信息識別程序是核心，也是項目實施的難點。學(xué)生可以組內(nèi)討論，或向教師求教，在完成整個項目程序的編寫過程中提升計算思維能力。參照流程圖，在編程平臺中拖動積木完成程序編寫后，學(xué)生對項目功能進行運行調(diào)試，觀察其是否達到運行要求，并根據(jù)調(diào)試區(qū)輸出的信息進行修正，在“設(shè)計→實踐→反思→改進”的迭代過程中優(yōu)化功能。在設(shè)計模型環(huán)節(jié)，小組成員設(shè)計智能車輛管理的展示模型，并利用中鳴機器人積木零件等完成搭建工作。

（五）評價項目成果

筆者評價學(xué)生的項目成果，關(guān)注的不僅僅是問題是否被解決，更關(guān)注學(xué)生探索能力的發(fā)展。在展示環(huán)節(jié)，各組學(xué)生將創(chuàng)作的項目作品進行展示（掃碼查看），在展示中分享合作經(jīng)驗、遇到的難題及解決問題的方法與過程等。筆者借此提升學(xué)生的表達能力和審美能力。

建立評價標(biāo)準(zhǔn)是項目活動設(shè)計過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，師生應(yīng)根據(jù)項目任務(wù)要求，共同建立具體的評價標(biāo)準(zhǔn)。

筆者與學(xué)生共同制定了項目作品評價標(biāo)準(zhǔn)：作品創(chuàng)新性（30 分）、作品實用性（30 分）、作品講解（20 分）、作品外觀（20 分）。依據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)，各組進行互評并提出優(yōu)化措施，以便后期迭代、完善智能車輛管理的各項功能，展示成熟的實物作品。

筆者開設(shè)“樹莓派”校本課程旨在為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主、合作、探究的數(shù)字化學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生圍繞學(xué)習(xí)任務(wù)協(xié)同創(chuàng)新，利用“樹莓派”等數(shù)字設(shè)備與團隊成員合作思考問題、分析問題和解決問題，設(shè)計和創(chuàng)作出個性化作品，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能，培養(yǎng)科學(xué)精神。在今后的教學(xué)中，筆者將繼續(xù)對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)過程進行優(yōu)化和完善，構(gòu)建成熟的“樹莓派”校本課程體系。

參考文獻

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（作者系浙江省桐鄉(xiāng)市高橋?qū)嶒瀸W(xué)校教育集團高橋?qū)嶒瀸W(xué)校教師）

責(zé)任編輯：祝元志