張蝶嬪

摘要：人工智能已經(jīng)開始走進基礎教育的課堂中，但是如何有效地設計有關人工智能的課程，依然是一個需要繼續(xù)探索的主題。本文以殘疾寵物車項目的教學設計與實施為例，探究小學高年級人工智能教學，希望能提升人工智能教學的有效性和可行性，為基礎教育階段人工智能教學的初步實施提供一種試行方案。

關鍵詞：人工智能;課堂教學;項目化;迭代

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）21-0015-04

問題的提出

國務院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出：“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育?！盵1]經(jīng)過這些年的摸索，很多地方已經(jīng)有相關研究，但在實施過程中依然存在著一些問題，如課堂時間短，在普通課堂無法完整實施一課內(nèi)容，導致大部分人工智能課程只能在社團開展;很多課程單點教授技能，缺乏連貫性，與解決生活中的問題關聯(lián)性不大等。因此，筆者嘗試以項目為基礎，以課堂為抓手，以社團為延伸，開展項目化的人工智能教學。

項目方案設計

在小學階段，將項目化滲透于教學過程，可以幫助學生更正確地把握課程建設目標與研究方向。殘疾寵物車項目是基于小學信息技術高年級人工智能課程開展的實驗性項目，目前以社團為實驗班開展教學。

1.設計原則

推進普適性：社團開展只是實驗階段，項目的設計和實施要以普適性為最終目標，能讓大多數(shù)孩子接受到相關的教育，形成基礎認知，鍛煉計算思維。

實現(xiàn)項目化：為了讓學習具有整體性，以項目化研究開展，形成項目迭代的基本模式，讓學生以小組為單位開展研究，培養(yǎng)合作能力和解決問題的能力。

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

2.設計方法

普適性教育與興趣教育并行。本研究以自然班為最終目標，在實驗班的基礎上，可以預設1～2個較為通用的共同主題，引導大多數(shù)學生研究共同主題，選出部分有創(chuàng)意且研究能力較強的學生加入社團，在社團中研究自己的項目。

主線項目與分支項目并行。項目以迭代方式進行，在確定主題和初步模型后，進入實施階段，往往會出現(xiàn)多種方向的迭代，教師可以在現(xiàn)有條件內(nèi)加以引導，讓學生在共同研究的基礎上進行適當?shù)耐卣埂?/p>

評價與創(chuàng)新并行。在項目實施過程中，可以采取體驗式評價，通過對項目作品的體驗，提出建議，引發(fā)反思，從而解決問題。同時也可以在體驗中獲取新的靈感，促發(fā)創(chuàng)新。

項目實踐

1.選題來源生活

學習人工智能的目的是讓生活更方便，讓工作、學習的效率更高，所以人工智能的選題必須來自生活，最好由學生主導進行思考。

本項目主題就來自一位學生的設想，這位學生在一次坐車回家途中，看見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？通過交流，學生們確立了這樣一個主題。在此基礎上，學生們也討論幫助殘疾人出行，這樣更具有現(xiàn)實意義。

2.課程串聯(lián)項目

（1）初定寵物車功能

通過學生的討論，結合課本，學生確立了首先需要一輛小車，讓小狗趴在車上出行。小車平時可以由主人牽著走，如果想要輕松點，也可以開啟自動模式，按照需要的路線行走。

（2）會行走的寵物車（殘疾寵物車v1.0）

首先需要完成的是小車的基本功能——行駛。小車的行駛有五個基本動作：前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止。通過修改高低電位和測試，讓學生理解用程序控制電機的基本原理。

（3）會巡線的寵物車（殘疾寵物車v1.5）

寵物車要幫助寵物行走，先要確定一些常用地點，如家里上廁所和進食的路線，每天小區(qū)內(nèi)的散步路線，這些路線一般都是固定的，所以可以參考機器人送餐的方式，用巡線規(guī)劃好既定的路線，讓小車自動行走。

在這里，學生認識了灰度傳感器，通過檢測灰度傳感器的值，可以判斷小車的線路偏左還是偏右，以及是否到達了終點。根據(jù)不同的條件，規(guī)劃了行駛的方式，至此，一代巡線版寵物車完成。在完成這一步的過程中，學生了解了紅外（灰度傳感器）原理，也充分體驗了條件分支的思維模式。

（4）會避障的寵物車（殘疾寵物車v2.0/v2.5）

經(jīng)過測試，學生發(fā)現(xiàn)在巡線的過程中可能會碰到有人路過寵物車前方的情況，需要小車學會判斷前方的障礙物。于是就進入了對超聲波傳感器的認識。根據(jù)超聲波的原理，學生改版了兩種類型的升級版：一種是基于巡線的基礎，增加了巡線過程中障礙物的檢測，遇到障礙物就停止，一種是“自由散步”寵物車，在一定范圍內(nèi)，小車可以自動判斷障礙物，進行避障行駛。在教學過程中，鼓勵不同的需求促發(fā)不同的迭代方向。

（5）更多的寵物車拓展設想（殘疾寵物車v3.0）

①“聽話”的寵物車。寵物車的改進還可以根據(jù)需要進一步智能化，如語音控制，讓小車可以聽主人指令行駛，使用語音識別生成工具生成相應的指令（如圖1），讓學生的人工智能學習從簡單信號進入復雜信號階段。

②“首勢”控制寵物車。寵物經(jīng)過適當?shù)挠柧毷强梢詧?zhí)行一些較為復雜的操作的。這就給寵物車的拓展提供了新的思路——手勢控制。寵物沒有手勢，可以在經(jīng)過訓練后采用頭部轉(zhuǎn)向（首勢）控制。采用開源硬件中的手勢傳感器對小車進行改版。在之前的學習中可以發(fā)現(xiàn)，不論小車如何運動，基礎的五種運動方式是不變的，為了簡化程序，同時因?qū)W生已經(jīng)形成一定的計算思維方式，因此可以引入函數(shù)定義概念的學習，讓學生將基礎運動方式用函數(shù)來定義，在手勢傳感器的條件下進行調(diào)用。寵物在轉(zhuǎn)頭時相當于使用了手勢，可以轉(zhuǎn)彎，為了防止左右看的時候也轉(zhuǎn)彎行走，所以腳本只設置了轉(zhuǎn)彎，并不前進，只有確定方向了，抬頭，可以前進，低頭，則可以后退并停止（如圖2）。

③安全寵物車。在“一盔一帶”政策的指引下，還可以引導學生往安全性方面進行思考，對此類自動駕駛項目做好安全工作，如給寵物車安裝頭盔識別，如果沒有戴頭盔，則發(fā)出警告，而這個應用如果設計成功，也可以應用到電動車上。在這個項目中，涉及物品識別，在用很多圖片經(jīng)過訓練建立物體模型后，通過導入模型與攝影圖形進行節(jié)點對比，判斷是否佩戴了頭盔。

（6）評價

項目的評價可以分為階段性評價和總結性評價。在每一個階段，采用組內(nèi)體驗（內(nèi)測）和組間體驗（一測、二測等），學生可以根據(jù)作品的程序流暢性、簡潔性，作品的實用性等多方面進行評價，提出改進建議，促進作品迭代。

在最終成品完成后，還可以對作品進行外觀設計，除了階段性評價中的要求外，增加外觀上的要求，并將成品進行展示，提升學生成就感，進一步激發(fā)學習內(nèi)動力。

問題與解決

本課程的初步開展是在上學期，較為完整的構想成形于本學期初，并且是以社團為試驗點進行實施，若要普及應用尚有很多不成熟的地方。

1.配套器材選購

開展人工智能創(chuàng)客類課程不可避免的問題就是硬件的選購，現(xiàn)階段市面上各種類型的器材層出不窮，主流為Arduino開源硬件、人工智能套件、機器人套件等。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開源硬件是首選，人工智能套件部分器材可以選購，如帶攝像頭和大屏的K210主板，在智能識別上有較大的優(yōu)勢。同時，以小組合作為主要開展形式，幾人用一組器材，節(jié)約成本，也能促進學生合作能力的成長。本項目器材主要有K210主板、Arduino主板、灰度傳感器、超聲波傳感器、手勢傳感器、語音識別模塊、攝像頭。

2.課程實施內(nèi)容

本項目是以寵物車為例的一系列課程，但課程的開展并不一定是固定的，事實上，在可選硬件范圍內(nèi)根據(jù)學生的意向靈活調(diào)整課程內(nèi)容會讓人工智能教學更與時俱進。當然，教師也可以根據(jù)自身情況，設計幾套方案，實施時可以根據(jù)學生提出的項目，引導學生向自己設定的方向靠攏，借以開展課程。由于本套方案還沒有實施到最后階段，在語音識別和物體識別過程中，學生會遇到哪些問題還沒有實踐數(shù)據(jù)，需要進一步實施和調(diào)整。

3.課程實施年段

根據(jù)學校課程設置情況，人工智能課程可以在五六年級開展，五年級上學期以圖形化軟件編程入門，培養(yǎng)計算思維。下學期結合硬件進行項目化創(chuàng)造。如果學校有條件從低年級開始進行計算思維的培養(yǎng)，如采用無屏編程、桌面邏輯游戲等不插電編程教學活動的，實際接觸硬件的人工智能教學也可以提早到四年級下學期或五年級上學期。在這個年齡段，學生有了初步的抽象邏輯思維能力，也能更好地進行程序的構建。

4.傳感器管腳限制

在本項目實施和設計過程中，也遇到了很多問題，由于硬件限制，部分傳感器在同一個主板中只允許同一個管腳，如手勢傳感器和語音，都是A4A5，而液晶屏顯示的輸出同樣已經(jīng)默認是A4A5，如果學生在過程中需要同時用到兩種元件，在腳本設置中會造成沖突。初步構想的解決方案有兩個，一是換一種思路達到類似的效果，二是添加一塊外接主板實現(xiàn)一些不影響主程序的輔助功能。這需要教師在實施過程中靈活變通。

總結

人工智能無論是在國際還是在國內(nèi)都是一項前瞻性的研究，基礎教育的人工智能教學也是在為國家的人工智能國際競爭做人才儲備。[2]人工智能的研究范圍很廣，涉及各種學科知識?；A教育階段研究的也僅僅是弱人工智能的學習，但基礎是上層建筑的基石，我們的重點是教會學生思維和實踐方法。[3]

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

參考文獻：

[1]居曉波.開展STEAM項目式程序設計——培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力[J].中小學信息技術教育，2017（12）：49-53.

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

[3]張曉東.基于人工智能教育的編程教學設計與實施——以小學《賽車游戲》一課為例[J].中國信息技術教育，2020（17）：41-42.

本文系江蘇省管雪沨網(wǎng)絡名師工作室人工智能教育研究階段性成果。