小学初级人工智能作品“智能夜灯”设计与开发

罗倩茹 秦健 刘全铭

摘   要：随着科技的不断发展，人工智能的发展趋于成熟，人工智能在K12阶段的教育应用逐渐受到大家的关注。国内人工智能课程的开设以推广编程教育为主，Scratch图形化编程类工具降低了学生学习编程的门槛，为小学阶段引入编程教育提供了可能。文章基于ai2与micro：bit通信系统“智能夜灯”的作品案例，利用SCS创客教学法进行教学设计与实践，以学生为中心，培养学生的动手能力和问题解决能力，制作出具有人机交互功能的智能作品，为人工智能教育的教学实践提供参考。

关键词：智能作品;图形化编程;App Inventor2;micro：bit;教学设计与实践

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）21-0060-04

一、引言

随着近年来大数据、物联网、区块链等技术的发展，我国相继发布《新一代人工智能发展规划》、《高等学校人工智能创新行动计划》、《中国教育现代化2035》，人工智能逐渐进入教育领域。联合国教科文组织日前发布的《教育中的人工智能：可持续发展的挑战与机遇》报告提出，有研究预测，2021年之前数字教育市场将每年增长5%;2017-2021年，人工智能市场将增长50%。2019年5月16日召开的国际人工智能与教育大会，来自40个国家和地区的知名企业家、业界代表共同探讨人工智能在未来教育的发展方向。人工智能教育在科技的进步与社会需求的共同促进下，一场人工智能的科技热潮正在兴起。

当下，在创客教育落地生根的素质教育改革行动中，各地中小学正以创客教育的软（Scratch）硬（Arduino）智（Robot）造（3D打印）四大媒介为主要内容开设创客课程。[1]其中App Inventor2与micro：bit作为软件与智能硬件领域的主要代表之一，两者与人工智能的结合有着天然优势，特别是在小学阶段采用Scratch图形化编程类软件，对学生学习人工智能可以起到启蒙的作用。本文以ai2与micro：bit通信系统“智能夜灯”为例，围绕智能教育、编程教育、创客造物，对人工智能领域寓教于乐的小学启蒙创客教育方案进行探究。

二、通信系统的载体介绍

1.ai2简介

App Inventor 2 简称 ai2，为了和人工智能（Artificial Intelligence）区别，简称用小写。ai是一个可视化的安卓应用制作平台，用户使用浏览器打开ai平台网站，通过拖拽组件和逻辑块，即可完成安卓应用的制作。App Inventor2的程序设计主要包含两个方面——组件设计与逻辑设计。组件设计即App端的界面设计，根据作品功能的需求，先從组件区选择合适的按钮和标签等组件并拖拽进App界面，再完成组件属性设置即可。逻辑设计即程序设计，采用积木式拖拽编程界面，适用于小学阶段学生入门编程教育。

2.micro：bit简介

micro：bit 是一款由英国广播电视公司（BBC）为青少年编程教育设计（使用积木式拖拽编程），并由微软、三星、ARM、英国兰卡斯特大学等合作伙伴共同完成开发的微型电脑。micro：bit仅有信用卡的一半大小，搭载了5x5可编程LED点阵、两颗可编程按键、加速度计、电子罗盘、温度计、蓝牙等电子模块。

三、App Inventor2控制micro：bit通信系统的设计与开发

1.App Inventor2与micro：bit通信系统的设计与开发

ai2与micro：bit的通信系统通过BlockyTalkyBLE蓝牙模块连接，ai2与micro：bit端通信系统设计方案如下：第一，ai端通过蓝牙扫描micro：bit端的蓝牙地址;第二，ai端控制连接micro：bit端蓝牙;第三，ai端发送指令数据控制micro：bit硬件;第四，ai端断开与micro：bit端的蓝牙连接。在ai2端进行通信系统的设计时需要添加BlockyTalkyBLE的蓝牙拓展模块，micro：bit端添加BlockyTalkyBLE的蓝牙拓展包，ai2通过BlockyTalkyBLE蓝牙拓展模块发送指令，micro：bit接收到指令后，两者之间进行配对连接。蓝牙连接成功后，使用ai2端设计的手机App软件控制micro：bit硬件端。[2]

（1）ai2通信端的组件设计

ai2端的组件设计主要包括两个部分，可视组件和非可视组件。可视组件为micro：bit蓝牙连接模块，共分为三个区——蓝牙控制区、蓝牙连接状态显示区、蓝牙地址显示区。蓝牙控制区主要实现ai2与micro：bit蓝牙通信功能，包括蓝牙扫描、蓝牙连接、蓝牙断开;蓝牙连接状态显示区主要显示ai2与micro：bit的蓝牙连接状态;蓝牙地址显示区主要显示扫描的micro：bit地址。非可视组件为BlockyTalkyBLE蓝牙拓展模块。

（2）ai2通信端的逻辑设计

ai2端的逻辑设计主要分为六大部分：第一，当扫描按钮被点击时，调用BlockyTalkyBLE的开始扫描模块，并将蓝牙连接状态显示区的文本状态改为“扫描中”;第二，当BlockyTalkyBLE发现micro：bit的蓝牙地址时，将蓝牙地址显示区的元素字符串修改为micro：bit的地址;第三，当连接按钮被点击时，调用BlockyTalkyBLE的连接micro：bit模块，其序号为蓝牙地址显示区的选中项索引，并且将蓝牙连接状态显示区的文本状态改为“连接中”;第四，当BlockyTalkyBLE已连接时，将蓝牙连接状态显示区的文本状态改为“已连接”;第五，当断开按钮被点击，调用BlockyTalkyBLE的断开连接模块，将蓝牙连接状态显示区的文本状态改为“断开中”;第六，当检测到BlockyTalkyBLE已断开连接时，将蓝牙连接状态显示区的文本状态改为“已断开”。ai2通信端组件设计与逻辑设计如图1所示。

（3）micro：bit通信端的设计

蓝牙拓展模块的添加方式有两种：第一种是通过直接搜索“BlockyTalkyBLE”添加的方式;第二种是通过BlockyTalkyBLE的项目网址进行搜索。

2.基于智能夜灯的App Inventor2移动发送端的设计与开发

ai2移动发送端的设计主要包括开灯模块和关灯模块两部分。当开灯按钮被按下时，调用BlockyTalkyBLE发送key的“open”值为“1”的指令;当关灯按钮被按下时，调用BlockyTalkyBLE发送key的“close”值为“0”的指令。

3.基于智能夜灯的micro：bit硬件接收端的设计与开发

micro：bit接收端的设计主要包括两部分：第一，对ai端触发“开灯”按钮的响应，当接收到key值“open”时，如果检测到室内亮度值<30，则显示图标，否则，清空屏幕;第二，对“关灯”按钮触发的响应，当接收到key值“close”时，清空屏幕。

四、ai2控制micro：bit通信系统的教学设计与实践

1.教学内容与学习者对象分析

本节课“智能夜灯”通信系统的设计与开发主要涉及的是App Inventor2与micro：bit的编程，两者的编程都采用积木式拖拽的图形化编程界面，App Inventor2与micro：bit都可以采用在线编程的方式进行编程，使用的硬件包括移动手机和micro：bit板。

本次教学实践开展对象为S小学五年级学生，属于小学高年级学段，主要侧重编程的基本知识与基本技能的掌握。学生在四年级时已经进行过为期一年的Scratch编程课程的学习，学生的编程能力有了一定的基础，并且对图形化界面的编程较为熟悉。前面几节课中，学生已经学习了micro：bit的基础课程，可以独立完成显示图案、显示字符串、指南针的设计开发等基础案例。

2.教学目标

在知识与技能方面，要求学生了解ai2与micro：bit通信系统的通信原理，学会在ai端micro：bit端运用图形化界面进行编程，并实现通信系统的设计与开发。

在过程与方法方面，要求学生在掌握“智能夜灯”设计开发原理的基础上，理解编程代指令的功能和意义，并且能进行个性化的二次设计与开发。

在情感态度价值观方面，通过智能夜灯通信系统的设计与开发，激发学生的学习兴趣，让学生在学到知识的基础上体验到自主设计开发APP的乐趣，提高学生的动手能力、问题解决能力，培养学生的计算思维。[3]

3.教学重难点

本节课教学重点是App Inventor2移动发送端的组件设计与逻辑设计，教学难点是ai2与micro：bit蓝牙通信系统的设计与开发。

4.教学方法与模式

采用SCS创客教学法，从儿童最擅长的模仿学习入手，将整个教学活动分为七个部分，简化了教师开展创客教育的过程，并提升教师在创客教育中的使命感，激发学生的学习兴趣，并且让学生更好地享受到创新和分享的快乐。[4]

5.教学流程

6.教学评价

采用小组评价和教师评价相结合的方式，在成功作品分享阶段对各个小组进行评价，评价包括过程性评价和结果性评价。通过小组之间的汇报讲解从小组的合作分工、解决问题的能力、汇报演示等方面进行综合过程性评价;通过学生作品的展示，从设计的美观性、实用性、易用性等方面进行综合结果性评价。[5]

7.教学反思

通过教学发现，基于作品的SCS教学法更能激发学生的学习兴趣，特别是基于生活中实际问题的情境化教学效果更优。在教学中提倡以学生为中心，教师在课堂教学中做好引导与启发，让学生自主尝试探究解决问题的方法。

五、人工智能课程的教学建议

在国内中小学人工智能与机器人课程的开设以社团课为主，教学模式大多采用传统讲授式，侧重于教师讲解与学生模仿，缺乏创新性和创造性。要培养学生的计算思维与编程思维，必然要采用新型的教学理念与模式。SCS创客教学法将教学环节主要分为“模仿——创新——分享”这三个阶段，弥补了传统课堂中缺失的创新与经验分享总结反思的阶段，在人工智能与机器人课程的教学中可以尝试使用这一教学方法。在使用SCS創客教学法进行教学设计时，教师可以根据教学内容、教学策略、学习者特征进行灵活变通，注重课堂的动态化，培养学生的动手能力以及问题解决能力。

1.选择合适的教学案例

教学案例的选取基于趣味性、整合性、创造性三原则，既要激发学生的学习兴趣，又要深入浅出、由易到难，重点突出学生创造性发挥的可能，让学生有足够的最近发展区可以在基础案例之上进行二次设计开发。

2.强调以学生为中心的学习

学生作为课堂的主体，在教学过程中理应受到尊重和关注，教师在教学过程中通过简单案例模仿的方式讲授本节课知识要点，通过任务驱动的方式激发学生的学习兴趣，通过提问的方式引导学生思考讨论。整个教学过程以学生为中心，教师扮演着启发者的角色，帮助学生解决在完成任务时遇到的问题，从而提高学生的动手能力、解决问题的能力。

3.注重师生的总结反思评价

反思是对自己的思维过程、思维结果进行再认识的检验过程，是教学中必不可少的环节。教师需要不断对自己的教学进行总结反思并加以改进。与此同时，也要不断创造反思的条件，引导学生自觉总结反思，让学生在总结中学习，在反思中成长，在评价中进步。

六、结束语

人工智能时代已经来临，对人工智能知识的学习也要“从娃娃抓起”。在小学阶段开展人工智能的课程势在必行。开源软硬件的引入使小学阶段人工智能的学习更为平民化，学生可以DIY做出属于自己的人工智能作品。希望小学生能够从做中学、在学中玩、以学为乐、以做为趣，积极把自己的创意想法变为现实，乐于分享，在完成作品中不断提升自己的问题解决能力、创新能力，为适应人工智能时代的到来打下扎实的基础。

参考文献：

[1]吴鑫.小学创客教育初级人工智能作品的设计——以开源机器人“小菠萝”存钱罐作品为例[J].现代教育技术，2018（6）：122-126.

[2]兆.micro：bit 蓝牙与app inventor 的通信及智能语音播报[EB/OL]. http：//mc.dfrobot.com.cn/thread-276112-1-1.html.

[3]康斯雅，钟柏昌.纠错复原型机器人教学案例研究[J].数字教育，2019（1）：37-41.

[4]傅骞.基于“中国创造”的创客教育支持生态研究[J].中国电化教育，2015（11）：6-12.

[5]卢晓琦，秦健.基于STEAM理念的小学机器人项目教学实践——以LEGO机器人“驾考宝典”项目为例[J].中小学电教，2018（Z2）：76-79.

（编辑：王天鹏）