以航空航天模型为载体的小学人工智能课程设计与实践

天津师范大学 李梦瑶 段小江 赵诗源

自从20 世纪80 年代人工智能兴起以来，学校中的人工智能教育也逐渐开展。国外将教育作为一种手段来培养能够扩大和利用知识库的思维，而人工智能则提供了工具，以开发更准确和详细的人类思维运作图景。2017 年7 月，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》对基础教育提出了“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程”的要求。2018 年4 月，教育部印发《教育信息化2.0行动计划》，明确要求完善课程方案和课程标准，为人工智能教育开展提供了坚实的政策支持。依托较为成熟的航空航天模型，拓展人工智能教育的载体，将人工智能语音识别技术、图像识别、编程等技术运用在航空航天模型运动上，设计出符合不同阶段中小学生学习的人工智能课程，进入实践，有利于加快人工智能教育的普及。

一、人工智能在小学教学中的应用现状

在我国，中小学人工智能教育还处于比较初级的阶段，存在着不少的问题。人工智能在中小学教学中应用的问题主要表现在以下几个方面：一是普及度不高。中小学生的教育教学依然以传统学科教学为主，没有将人工智能融入学校课时中，导致人工智能尚未真正走进中小学课堂。二是缺乏成体系的课程。人工智能技术属性比较强，这类学科教学对教学资源的需求量相对比较大，但是当前没有适合中小学开展人工智能教育的体系课程。三是实施载体单一。人工智能教育仅依托编程和机器人的教学开展，人工智能教育开展载体单一。四是缺乏强大的师资力量。当前很多中小学师资力量匮乏，致使人工智能教育教学难以真正发展起来，教学质量也会受到一定的影响。

二、以航空航天模型为载体的小学人工智能课程设计与实践

开发课程和教具，扩展人工智能载体。将人工智能技术和航空航天模型相结合，开发出适合中小学不同阶段使用和活动的课程和教具，再利用线上线下教学手段，进行课程实践。

（一）课程设计与实践实施方案

1.课程设计总体思路

航空模型按飞行器类型可以分为固定翼飞行器、多轴飞行器、火箭飞行器。按照这个分类，在每类中加入适合中小学生认识和学习的人工智能的理念和技术。旋翼类：利用现在主流的LiteBeeGo 编程软件将复杂的程序图形化、可视化，让学生可以轻松上手，实现不同类型、规模的编队飞行表演。水火箭：在已成型的水火箭模型上加入图像识别模块、语音播报模块、测距传感器、陀螺仪等组件，以实现每发射一次水火箭都能发现这次发射的问题，并通过语音播报模块表达出来，下次发射时调整对应的参数，如角度、压强等，从而实现更加精确的水火箭打点。固定翼：设计并制作自稳定装置，安装于手掷泡沫滑翔机之上，用来补偿手掷泡沫滑翔机副翼、水平尾翼和垂直尾翼的功能，以实现手掷泡沫滑翔机的稳定飞行。

2.针对不同阶段的学生采取不同的教学内容

小学低年级：手掷泡沫飞机（初级）、橡筋动力滑翔机、水动力火箭（初级）等。小学高年级：手掷泡沫飞机（中级）、橡筋动力扑翼机、一级牵引滑翔机、水动力火箭（初级）、电动自由飞。

3.以航空航天为载体的人工智能初级课程大纲

（1）无人机（20 学时）：一是初步学习无人机的原理、无人机相关电子设备的使用方法及安全操作。二是初步学习无人机飞行操作方法，使用模拟器、真机体验飞行。三是在LiteBeeGo 编程的基础上，让学生体验诸如修改简单的参数、程序拷贝进芯片等易操作的步骤。四是运行程序，体验无人机自动编队飞行，对比感受人工智能的魅力。

（2）水动力火箭（10 学时）：一是设计、组装、发射，完成火箭类航天飞行器发射操作，尽量实现更加精确的打点。二是在水火箭模型中加入语音播报推荐最优路径模块，实现以较少的重复次数而达到更精准的水火箭打点的效果。三是与之前的手动校准水火箭的过程相对比，理解用人工智能实现的高效性。

（3）手掷泡沫滑翔机（15 学时）：一是通过手掷泡沫滑翔机了解飞机副翼、水平尾翼和垂直尾的功能，掌握飞机方向调整的方法和花式飞行的技巧。二是组织“谁飞得更远”的活动，让学生了解只有在机翼水平的前提下，才能增加航程。三是在泡沫飞机中加入自稳定装置，再组织一次相同的活动，对比两次活动的结果，认识到人工智能在改善某些方面的巨大作用。

4.教案开发

以无人机课程方案为例。活动材料准备（每套材料）：无人机套材（穿越机）、遥控器（右手油）、航模常用工具。理论知识讲授：理论知识讲授环节主要包含航空模型、无人机飞行器相关专有名词的介绍；飞行操作中所设计的物理知识或常识的讲解等。讲授树莓派的有关知识、编程的基础操作和各种传感器的功能以及使用方法。

操作流程：①带领学生进行无人机拼装；②初步学习无人机飞行操作方法，使用模拟器、真机体验飞行；③体验没有人工智能程序无人机的飞行操作后，带领学生学习LiteBeeGo 编程；④在LiteBeeGo 编程的基础上，多次调试达到满意的效果后，将程序拷入无人机；⑤实战演练，体验无人机自动编队等飞行动作，对比感受人工智能的魅力。在这个过程中，通过前后有无人工智能技术的实践，让学生体会人工智能带来的高效性。

注意事项：第一，“操作流程”③中“带领学生学习liteBeeGo 编程”，对于小学生，选择简单的模块化图形化编程学习，这种形式的编程简单明了易操作。例如，学生通过LiteBeeGo 控制无人机，实现精彩的飞行表演，只需在软件处于编队模式下，在界面点击“预览”按钮即可预览编队飞行。第二，对于中学生，选择入门的Python 编程。基本框架已为其搭建好，教过Python 的基础语法后，在教师的帮助下，学生尽量独自完成一个无人机编队飞行的函数。第三，学生通过LiteBeeGo 控制无人机，实现精彩的飞行表演，让学生能够切实感受到编程的效果，创造效果更佳直观。

5.配套资源开发

旋翼类：飞控和树莓派的开发与结合，学习LiteBeeGo编程软件。水火箭：搭载树莓派等配件的水火箭的设计与制作、树莓派的开发。固定翼：51 单片机的开发与压力传感器的结合、增稳器结构的设计与制作。

6.线下线上教学模式设计

线下教学：理论知识在课堂中进行教学，实际操作体验课程在户外进行。线上教学：利用互联网资源进行对线下教学内容的补充和扩展，小学编程利用计算机进行“云”课堂教学。

7.效果评价与反馈

主要采用CIPP 过程评价体系。具体评价过程分为四步：①背景评价。明确评价课程实施对象小学生的需要。明确课程满足需要的机会：航空航天教育和人工智能教育的时代需要。②输入评价。课程内容的设计以及教案的开发是否能够达到提高小学生综合素质的目的，以及促进航空航天知识普及以及推动人工智能教育发展的目的。③过程评价。通过观察课程实践过程中小学生对课程的接受能力、活动参与度以及课程实施后是否达到预期的课程目标，来确定课程设计本身或实施过程中存在的问题，为修正课程内容和实践提供有效信息。④成果评价。通过展示学习成果，以及举办相关比赛活动，测量、解释和评判课程计划的成绩。

（二）研究技术路线图

1.无人机自动编队飞行的技术路径

由编程软件（LiteBeeGo）写好程序，通过树莓派控制飞控，将带有飞控的飞机组成无人机，由无人机实现编队飞行。

2.水火箭精准打点的技术路径

将火箭带上树莓派、加速度传感器和角度传感器，在发射台上安装树莓派、测距传感器和角度传感器，经过多次的发射进行修正，找到合理的发射参数。

3.固定翼增稳器的技术路径

在泡沫飞机上搭载51 单片机，通过加速度传感器、角度传感器等判断飞机的姿态，在通过舵机的控制实现飞机姿态的修正，从而实现增稳。

综上所述，人工智能课程设计与实践，旨在推进航空航天知识的普及，为科教兴国助力。开展航天航空活动可以提高小学生学习能力、动手能力、身体协调能力、运动能力和创新能力，锻炼青少年的身体素质，培养其耐心、果敢的心理素质和团队合作、科技创新的能力。拓展人工智能教育在小学阶段实施的路径，结合不同阶段小学生的学习能力将人工智能语音播报、图像识别、自动化等技术与航空航天模型相结合，设计出适合小学阶段学生学习的人工智能课程，有利于提高人工智能教育在小学阶段的可实施性。