“制作土壤水量檢測儀”活動課的人工智能教學

程慶寶

〔摘? ? 要〕? 在小學開展人工智能教育，不應(yīng)該被琳瑯滿目的硬件設(shè)備和軟件設(shè)備所束縛，而應(yīng)致力于培養(yǎng)學生認識系統(tǒng)控制與過程的原理。明確使用計算機是可以解決問題的，了解認識中國具有自主可控的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)。而普惠視域下的人工智能教育，同樣需要教師創(chuàng)設(shè)問題情境，分析問題可解決的方案，借助學習支架來完成模型的建立，通過完成一個項目來實現(xiàn)解決問題的方法。

〔關(guān)鍵詞〕? 普惠；人工智能教育；項目式學習；linkboy；策略

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 13? ? 037-039

目前在中小學階段，人工智能教育開展得如火如荼。隨著時間的流逝，可以發(fā)現(xiàn)人工智能教育投入比較高，加上各種硬件、軟件紛至沓來，讓一線教師應(yīng)接不暇，很多教師已經(jīng)心有余而力不足。筆者認為，讓中小學教師能用得起、用得好的人工智能教育，才是適宜的人工智能教育。為此，普惠型的人工智能教育觀點應(yīng)運而生。

本文中的“普惠”指的是不盲目追求人工智能教具的高端化和奢侈化，構(gòu)建和本地區(qū)或本校園相適配的人工智能校本課程框架體系，能做到因“財”選配、因材施教。在小學階段開展的人工智能教育有別于中學和大學的內(nèi)涵，它可以包括程序代碼編寫、創(chuàng)客項目制作等的校本課程或獨立課程。本文中筆者將以小學六年級的《制作土壤水量檢測儀》為例，闡述普惠視域下的小學人工智能教學實施策略。

一、創(chuàng)設(shè)情境，從生活中的問題引發(fā)思考

小林同學一家準備假期出門游玩，時長大約一個星期，但是家中的綠植無人照料，著實令人頭疼。如何解決這個棘手的問題呢？教師提出問題后，引導學生利用電子教室系統(tǒng)的在線主題討論模塊進行主題討論。經(jīng)過一番討論后，學生發(fā)現(xiàn)，使用開源硬件（諸如，Arduino?UNO）、液晶顯示屏、土壤濕度傳感器，可以搭建一個土壤水量檢測儀，但僅僅是一個檢測儀，雖然可以檢測綠植土壤的含水量，但是無法解決小林同學一家出門后無人給綠植澆水的問題。于是，進一步展開討論，明確了需要添加水泵模塊，才能實現(xiàn)自動給綠植澆水的功能。

那么問題又來了，到底要給綠植澆多少水才合適呢？由于每一種綠植對土壤中的水分需求是不一樣的，就需要用制作出來的土壤水量檢測儀記錄下綠植所在土壤的水含量的三種狀態(tài)：干旱、均衡、飽和。只有記錄下它們?nèi)N狀態(tài)下土壤含水量的數(shù)值，才能考慮是否使用水泵給綠植澆水或者停止?jié)菜?/p>

二、分析問題，提出解決問題的可行性方案

作為一節(jié)實踐性較強并且具有跨學科性質(zhì)的課程，信息量是比較大的。如何讓學生在課堂上有所收獲，明白要完成無人自動澆灌綠植這一項目，不是僅僅完成設(shè)備搭建、編寫程序等，還要學會利用檢測儀記錄每種綠植對土壤水分的需求，記錄好實驗數(shù)據(jù)，需要以完成一個項目的方式開展教學。

項目式學習法，指的是基于項目的學習方法（PBL），以學習研究學科或者跨學科的概念和知識原理為中心，以制作作品并展示作品為目的，在實現(xiàn)過程中借助多種資源開展探究，教師和學生共同開展一個完整的項目而進行的學習活動，并在有限的時間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)問題的一種教和學的方法。

要完成“無人自動澆灌綠植”這一項目，學生需要在課前先調(diào)查哪些綠植喜歡干燥的土壤、哪些綠植喜歡濕潤的土壤。也可以利用科學課堂上學習來的毛細現(xiàn)象或者滴灌技術(shù)來完成無人澆灌。但是學生通過討論，橫向比較技術(shù)，發(fā)現(xiàn)無人自動澆灌綠植使用開源硬件加上周邊的傳感器制作的設(shè)備是比較合適的。

然而一節(jié)40分鐘的課堂，要完成無人自動澆灌綠植這一項目，使用開源硬件及其相關(guān)傳感器有些難度。且不說設(shè)備的采購，即使是設(shè)備的分發(fā)、組裝、程序編寫、實驗、迭代、設(shè)備回收等等，時間上就不夠分配。為了讓課堂有限的時間得到有效利用，筆者果斷采用了linkboy虛擬仿真軟件替代硬件的分發(fā)、搭建、程序編寫、調(diào)試等環(huán)節(jié)，讓學生在有限的時間內(nèi)體驗自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，并知曉背后的原理。

Linkboy是一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)開源硬件仿真軟件，對目前市面上主流的開源硬件Arduino?UNO，Arduino?Nano等開源主控板和周邊的傳感器都能較好地仿真出效果，圖形化的編程方式也便于六年級學生上手。

三、搭建學習支架，助力學生作品模型建立

學生要完成一個項目，往往需要學習支架的支撐，才能提高效率。學生所處的網(wǎng)絡(luò)機房恰恰給學習提供了極大的便利，每生一機，并且形成局域網(wǎng)。將教師機打造成服務(wù)器，學生機便是一個個工作站。既可以實現(xiàn)瀏覽器和服務(wù)器模式（B/S架構(gòu)）——訪問課程資源系統(tǒng)，也可以實現(xiàn)客戶端和服務(wù)器模式（C/S架構(gòu)）——電子教室系統(tǒng)?；旌鲜降挠嬎銠C輔助教學形式，為師生間、生生間的互動交流提供了極大的便利。

由于小學生的信息能力水平參差不齊，讓學生按照整齊劃一的標準完成一個項目，的確有些不大容易。筆者利用網(wǎng)頁技術(shù)設(shè)計了一個網(wǎng)絡(luò)學習資源包，將教師機搭建成一個小型服務(wù)器，將網(wǎng)站資源包發(fā)布在該服務(wù)器上，學生就能利用瀏覽器訪問教師機上的站點，并且根據(jù)自身的情況，有目的、有選擇性地完成符合自身能力水平的任務(wù)，在此基礎(chǔ)上適當?shù)赝卣?。這樣既能保證全體學生“吃得飽”，也能實現(xiàn)局部學生“吃得好”，實現(xiàn)按需學習的目的。

四、因需選配，設(shè)計項目方案

學生根據(jù)小組討論后對問題的理解，進行抽象建模，羅列出合適的傳感器。土壤水量檢測儀的方案如下：

方案一，Arduino?UNO、土壤水量檢測儀、RGB全彩燈組合方案。這樣設(shè)計出來的土壤水量檢測儀，可以通過觀察RGB全彩燈顏色的不同，了解土壤里的水分干、濕情況。在Arduino?UNO環(huán)境下，土壤濕度傳感器的取值范圍是0～1024。因此，將該范圍分為三個區(qū)間：當檢測到的土壤水含量數(shù)值為0～400，定義為干燥，RGB全彩燈點亮紅色；當檢測到的土壤水含量數(shù)值為401～700，定義為適宜，RGB全彩燈點亮綠色；當檢測到的土壤水含量數(shù)值為701～1024，定義為水分過飽，RGB全彩燈點亮藍色；可以通過“如果……那么……否則……”的條件語句及其嵌套的算法來實現(xiàn)。

方案二，Arduino?UNO、土壤水量檢測儀、無源蜂鳴器組合方案。這樣設(shè)計出來的土壤水量檢測儀，可以通過無源蜂鳴器發(fā)出來的不同聲音，來了解土壤里的水分干、濕情況。無源蜂鳴器作為一個數(shù)字輸出傳感器，它被觸發(fā)的狀態(tài)只有兩種，一種是高電平狀態(tài)，發(fā)出鳴叫聲。一種是低電平狀態(tài)，停止發(fā)聲。也可以將范圍分為三個區(qū)間：當檢測到的土壤水含量數(shù)值為0～400，定義為干燥，無源蜂鳴器發(fā)出鳴叫聲；當檢測到的土壤水含量數(shù)值為401～700，定義為適宜，無源蜂鳴器停止發(fā)聲；當檢測到的土壤水含量數(shù)值為701～1024，定義為水分過飽，無源蜂鳴器發(fā)出反轉(zhuǎn)的鳴叫；可以通過“如果……那么……否則……”的條件語句及其嵌套的算法來實現(xiàn)。

方案三，Arduino?UNO、土壤水量檢測儀、LCD1602液晶顯示屏組合方案。這樣設(shè)計出來的土壤水量檢測儀，就是通過一個精準的數(shù)值來實時呈現(xiàn)土壤里的水分干、濕情況。LCD1602液晶顯示屏是一個輸出模塊，有SPI接口I2C接口兩種，SPI針腳較多，連接復(fù)雜，所以推薦學生采用只有4位的I2C接口。該模塊除了正負極（VCC，GND），還有SDA和SCL兩個信號管腳。對于學生來講，從原來的三個管腳到四個管腳，在理解上就多了一份擔憂。教師可以告知學生，除了正負極之外，其他的管腳都是可以連接在信號（S針腳）上的，只要記住管腳號就可以了。LCD1602液晶屏可以顯示兩行字符，每行最多顯示16個字符。但是該模塊獨立使用僅能顯示單個字符，即該內(nèi)容的ASCLL值，而土壤水量檢測到的數(shù)值范圍0～1024，當超過兩位數(shù)值，就會顯示ASCLL值，不能準確顯示實際的數(shù)值。因此需要借助信息顯示器才能把正確的數(shù)值（字符串）顯示出來。信息顯示器是一個文字顯示引擎，借助它，才能在LCD1602，OLED12864等屏幕上顯示文字、數(shù)字等等。

當有了土壤水量檢測儀，就可以檢測各種綠植對水分的需求數(shù)據(jù)。收集來的數(shù)據(jù)又成了設(shè)計“無人自動澆灌綠植”裝置的依據(jù)。耐濕的綠植就多澆一些水，耐旱的綠植可以少澆一些水。經(jīng)過學生的一番討論，確認“無人自動澆灌綠植”裝置采用的方案是：Arduino?UNO、土壤水量檢測儀、LCD1602液晶顯示屏、馬達模塊的組合。水泵的核心組件是馬達，馬達模塊的參數(shù)有：功率和旋轉(zhuǎn)方向。功率為0，馬達不轉(zhuǎn)動，功率100，馬達轉(zhuǎn)動最大；馬達的轉(zhuǎn)向有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。由于馬達模塊只有兩個針腳，連接電源的正極VCC和負極GND，如果和Arduino?UNO直連，通上電之后就開始轉(zhuǎn)動，無法進行調(diào)控。因此，不能直接連接，需要第三方模塊——馬達驅(qū)動器作為轉(zhuǎn)接。馬達驅(qū)動器有4路輸入管腳（都連接上Arduino?UNO主控板的數(shù)字管腳），1路電源正負極直連主控板，4路輸出管腳（其中一對2路連接馬達模塊正負極，另外2路可閑置）。馬達驅(qū)動模塊正是利用脈寬調(diào)制（PWM）原理，對數(shù)字電路（高、低電平）進行模擬處理，實現(xiàn)電平大小可以控制，進而改變馬達的轉(zhuǎn)速。

“無人自動澆灌綠植”裝置算法可以描述為，如果檢測到土壤含水量數(shù)值小于400（表示土壤比較干燥），需要啟動馬達，設(shè)置功率為30（抽水速度小一些），設(shè)置馬達正轉(zhuǎn)（需要視實際情況而定），模擬抽水；否則，表示檢測到土壤水含量數(shù)值大于400（表示土壤比較潮濕），設(shè)置馬達停止，模擬停止抽水。還可以利用物聯(lián)網(wǎng)模塊對“無人自動澆灌綠植”裝置進行改進，讓在外的主人能夠?qū)崟r了解到家中綠植的狀態(tài)，實時監(jiān)控土壤水含量。

五、結(jié)語

在小學開展人工智能教育，教師不能被各種硬件設(shè)備或者配套的軟件所束縛，而是要開闊眼界，明確人工智能教育初衷：讓學生了解系統(tǒng)實現(xiàn)過程與控制的原理。通過諸如“無人自動澆灌綠植”項目的完成，理解生活中廣泛存在的過程與控制系統(tǒng)，了解過程與控制的特征及其實現(xiàn)方式，認識到利用計算機是能夠解決問題的。尤其是可以使用中國自主可控的虛擬仿真軟件，認識過程與控制系統(tǒng)的特點與規(guī)律。

【本文系福建省教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度課題“教育集團化背景下人工智能教學普惠型推進探究”的主要研究成果，課題編號：FJJKZX21—315】

參考文獻

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