面向普及的小学高年级人工智能教学设计与实施

张蝶嫔

摘要：人工智能已经开始走进基础教育的课堂中，但是如何有效地设计有关人工智能的課程，依然是一个需要继续探索的主题。本文以残疾宠物车项目的教学设计与实施为例，探究小学高年级人工智能教学，希望能提升人工智能教学的有效性和可行性，为基础教育阶段人工智能教学的初步实施提供一种试行方案。

关键词：人工智能;课堂教学;项目化;迭代

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2021）21-0015-04

问题的提出

国务院发布的《新一代人工智能发展规划》中指出：“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，逐步推广编程教育。”[1]经过这些年的摸索，很多地方已经有相关研究，但在实施过程中依然存在着一些问题，如课堂时间短，在普通课堂无法完整实施一课内容，导致大部分人工智能课程只能在社团开展;很多课程单点教授技能，缺乏连贯性，与解决生活中的问题关联性不大等。因此，笔者尝试以项目为基础，以课堂为抓手，以社团为延伸，开展项目化的人工智能教学。

项目方案设计

在小学阶段，将项目化渗透于教学过程，可以帮助学生更正确地把握课程建设目标与研究方向。残疾宠物车项目是基于小学信息技术高年级人工智能课程开展的实验性项目，目前以社团为实验班开展教学。

1.设计原则

推进普适性：社团开展只是实验阶段，项目的设计和实施要以普适性为最终目标，能让大多数孩子接受到相关的教育，形成基础认知，锻炼计算思维。

实现项目化：为了让学习具有整体性，以项目化研究开展，形成项目迭代的基本模式，让学生以小组为单位开展研究，培养合作能力和解决问题的能力。

提升思维量：在完成项目时需要解决问题和拓展思考，可以让学生在作品逐渐成形和不断迭代过程中提升思维力和创新力。

2.设计方法

普适性教育与兴趣教育并行。本研究以自然班为最终目标，在实验班的基础上，可以预设1～2个较为通用的共同主题，引导大多数学生研究共同主题，选出部分有创意且研究能力较强的学生加入社团，在社团中研究自己的项目。

主线项目与分支项目并行。项目以迭代方式进行，在确定主题和初步模型后，进入实施阶段，往往会出现多种方向的迭代，教师可以在现有条件内加以引导，让学生在共同研究的基础上进行适当的拓展。

评价与创新并行。在项目实施过程中，可以采取体验式评价，通过对项目作品的体验，提出建议，引发反思，从而解决问题。同时也可以在体验中获取新的灵感，促发创新。

项目实践

1.选题来源生活

学习人工智能的目的是让生活更方便，让工作、学习的效率更高，所以人工智能的选题必须来自生活，最好由学生主导进行思考。

本项目主题就来自一位学生的设想，这位学生在一次坐车回家途中，看见了路边有一只残疾的小狗，不能顺利行走。人工智能是否可以帮到小狗呢？通过交流，学生们确立了这样一个主题。在此基础上，学生们也讨论帮助残疾人出行，这样更具有现实意义。

2.课程串联项目

（1）初定宠物车功能

通过学生的讨论，结合课本，学生确立了首先需要一辆小车，让小狗趴在车上出行。小车平时可以由主人牵着走，如果想要轻松点，也可以开启自动模式，按照需要的路线行走。

（2）会行走的宠物车（残疾宠物车v1.0）

首先需要完成的是小车的基本功能——行驶。小车的行驶有五个基本动作：前进、后退、左转、右转、停止。通过修改高低电位和测试，让学生理解用程序控制电机的基本原理。

（3）会巡线的宠物车（残疾宠物车v1.5）

宠物车要帮助宠物行走，先要确定一些常用地点，如家里上厕所和进食的路线，每天小区内的散步路线，这些路线一般都是固定的，所以可以参考机器人送餐的方式，用巡线规划好既定的路线，让小车自动行走。

在这里，学生认识了灰度传感器，通过检测灰度传感器的值，可以判断小车的线路偏左还是偏右，以及是否到达了终点。根据不同的条件，规划了行驶的方式，至此，一代巡线版宠物车完成。在完成这一步的过程中，学生了解了红外（灰度传感器）原理，也充分体验了条件分支的思维模式。

（4）会避障的宠物车（残疾宠物车v2.0/v2.5）

经过测试，学生发现在巡线的过程中可能会碰到有人路过宠物车前方的情况，需要小车学会判断前方的障碍物。于是就进入了对超声波传感器的认识。根据超声波的原理，学生改版了两种类型的升级版：一种是基于巡线的基础，增加了巡线过程中障碍物的检测，遇到障碍物就停止，一种是“自由散步”宠物车，在一定范围内，小车可以自动判断障碍物，进行避障行驶。在教学过程中，鼓励不同的需求促发不同的迭代方向。

（5）更多的宠物车拓展设想（残疾宠物车v3.0）

①“听话”的宠物车。宠物车的改进还可以根据需要进一步智能化，如语音控制，让小车可以听主人指令行驶，使用语音识别生成工具生成相应的指令（如图1），让学生的人工智能学习从简单信号进入复杂信号阶段。

②“首势”控制宠物车。宠物经过适当的训练是可以执行一些较为复杂的操作的。这就给宠物车的拓展提供了新的思路——手势控制。宠物没有手势，可以在经过训练后采用头部转向（首势）控制。采用开源硬件中的手势传感器对小车进行改版。在之前的学习中可以发现，不论小车如何运动，基础的五种运动方式是不变的，为了简化程序，同时因学生已经形成一定的计算思维方式，因此可以引入函数定义概念的学习，让学生将基础运动方式用函数来定义，在手势传感器的条件下进行调用。宠物在转头时相当于使用了手势，可以转弯，为了防止左右看的时候也转弯行走，所以脚本只设置了转弯，并不前进，只有确定方向了，抬头，可以前进，低头，则可以后退并停止（如图2）。

③安全宠物车。在“一盔一带”政策的指引下，还可以引导学生往安全性方面进行思考，对此类自动驾驶项目做好安全工作，如给宠物车安装头盔识别，如果没有戴头盔，则发出警告，而这个应用如果设计成功，也可以应用到电动车上。在这个项目中，涉及物品识别，在用很多图片经过训练建立物体模型后，通过导入模型与摄影图形进行节点对比，判断是否佩戴了头盔。

（6）评价

项目的评价可以分为阶段性评价和总结性评价。在每一个阶段，采用组内体验（内测）和组间体验（一测、二测等），学生可以根据作品的程序流畅性、简洁性，作品的实用性等多方面进行评价，提出改进建议，促进作品迭代。

在最终成品完成后，还可以对作品进行外观设计，除了阶段性评价中的要求外，增加外观上的要求，并将成品进行展示，提升学生成就感，进一步激发学习内动力。

问题与解决

本课程的初步开展是在上学期，较为完整的构想成形于本学期初，并且是以社团为试验点进行实施，若要普及应用尚有很多不成熟的地方。

1.配套器材选购

开展人工智能创客类课程不可避免的问题就是硬件的选购，现阶段市面上各种类型的器材层出不穷，主流为Arduino开源硬件、人工智能套件、机器人套件等。在得到校方支持的前提下，也要考虑其适用性。如果要低成本、高兼容，则Arduino开源硬件是首选，人工智能套件部分器材可以选购，如带摄像头和大屏的K210主板，在智能识别上有较大的优势。同时，以小组合作为主要开展形式，几人用一组器材，节约成本，也能促进学生合作能力的成长。本项目器材主要有K210主板、Arduino主板、灰度传感器、超声波传感器、手势传感器、语音识别模块、摄像头。

2.课程实施内容

本项目是以宠物车为例的一系列课程，但课程的开展并不一定是固定的，事实上，在可选硬件范围内根据学生的意向灵活调整课程内容会让人工智能教学更与时俱进。当然，教师也可以根据自身情况，设计几套方案，实施时可以根据学生提出的项目，引导学生向自己设定的方向靠拢，借以开展课程。由于本套方案还没有实施到最后阶段，在语音识别和物体识别过程中，学生会遇到哪些问题还没有实践数据，需要进一步实施和调整。

3.课程实施年段

根据学校课程设置情况，人工智能课程可以在五六年级开展，五年级上学期以图形化软件编程入门，培养计算思维。下学期结合硬件进行项目化创造。如果学校有条件从低年级开始进行计算思维的培养，如采用无屏编程、桌面逻辑游戏等不插电编程教学活动的，实际接触硬件的人工智能教学也可以提早到四年级下学期或五年级上学期。在这个年龄段，学生有了初步的抽象逻辑思维能力，也能更好地进行程序的构建。

4.传感器管脚限制

在本项目实施和设计过程中，也遇到了很多问题，由于硬件限制，部分传感器在同一个主板中只允许同一个管脚，如手势传感器和语音，都是A4A5，而液晶屏显示的输出同样已经默认是A4A5，如果学生在过程中需要同时用到两种元件，在脚本设置中会造成冲突。初步构想的解决方案有两个，一是换一种思路达到类似的效果，二是添加一块外接主板实现一些不影响主程序的辅助功能。这需要教师在实施过程中灵活变通。

总结

人工智能无论是在国际还是在国内都是一项前瞻性的研究，基础教育的人工智能教学也是在为国家的人工智能国际竞争做人才储备。[2]人工智能的研究范围很广，涉及各种学科知识。基础教育阶段研究的也仅仅是弱人工智能的学习，但基础是上层建筑的基石，我们的重点是教会学生思维和实践方法。[3]

有创新能力，才有拓展空间，有扎实的计算思维基础，才能将想象落实。借由人工智能课程，既能让学生初步接轨前沿科技，拓展眼界，同时也培养了学生的创新能力和创新意识。

参考文献：

[1]居晓波.开展STEAM项目式程序设计——培养学生创新能力[J].中小学信息技术教育，2017（12）：49-53.

[2]梁森山，王阳，刘军.寻味人工智能教育：祛魅之下的实践与思考[J].中国信息技术教育，2018（02）：4-11.

[3]张晓东.基于人工智能教育的编程教学设计与实施——以小学《赛车游戏》一课为例[J].中國信息技术教育，2020（17）：41-42.

本文系江苏省管雪沨网络名师工作室人工智能教育研究阶段性成果。