基于人工智能项目式学习主题作品在小学创客教育中的探索

梁建宏

【摘要】本案例以人工智能主题作品“智能洗手液挤压器”项目式学习方式为例，提出在人工智能技术加持下，后疫情期，如何制作创客作品提高学生的卫生意识，养成勤洗手的好习惯！从而使人工智能在小学创客教育的道路在探究前行。

【关键词】人工智能;创客教育;项目式学习;开源硬件

人工智能教育的真正内涵在于学习人工智能大学科背景下的各个门类的知识，并加以融会贯通，形成具体的制造智能硬件，改善智能程序，推动智能生活的技术能力与素养。它的意义在于对各行各业的渗透和影响，即使不从事专业的人工智能领域，也需要对其有认知、有感觉。项目式学习方式提供了很好的途径。项目式学习的重点是以学生为中心，通过情境设计或问题导向，引导学生组建团队，开展合作学习，在探究中完成学习任务

人工智能教育是一个广义的概念，就目前来说，凡是将教育与AI结合起来的就可以算是人工智能教育，用通俗的话来描述人工智能教育就是：将人工智能与传统教育相融合，借助人工智能、大数据技术，打造一个智能化教育生态，通过线上和线下结合的学习方式，让学生享受到个性化教育。

一、人工智能、图形化编程与开源硬件的结合

随着人工智能教育的不断推广与普及，人工智能在小学创客教育中也渐显身影。当前，小学人工智能教学基本以图形化编程教育为主体，以动手实践为辅助，以身边事物为研究方向。Mixly（米思齐）、Mind+、mPython、编程猫源码编辑器、海龟编辑器以及腾讯扣叮这一类的图形化编程类工具，能够极大地提高自己的兴趣，并且便于伙伴之间的相互交流，达成自己的成就。开源硬件类器材的成本比较接地气，降低了学生学习的使用成本，让人工智能教育的难度降低，对它的推广也变得容易。学生是比较容易做出一些题材作品如：智能楼道灯、智能风扇、智能门禁等实例，功能简单，实用性强，易于操作实践。因此，在小学课堂要大胆地尝试借助开源硬件开展人工智能实验教学，在社团课程中构建的探索。

二、题材选定与实施過程

根据当前学生的年龄特征和认知能力特点，选定题材范围设计了这个“智能洗手液挤压器”案例。先创设情境：在后疫情期，学生们已经养成勤洗手的好习惯，学生洗手时，为了避免学生在挤压洗手液造成二次细菌传播的出现，而制作出非接触、无压感的“智能洗手液挤压器”作品，只要在洗手时，把手靠近洗手液瓶子，洗手液就能自动被挤压出来了。

这样，我以此巧妙的设立情境去引导学生，让他们自主探究出一个明确的方向和目标，在研究问题、分析问题解决方式的过程中感受和掌握相关的知识和技能。然后着手引出相关所需的开源硬件和人工智能模块跟孩子一起探究如何使用。

1.所需的软、硬件环境

1.1硬件：

掌控板、掌控I/O扩展板、非接触式红外温度传感器、超声波测距传感器、舵机和各类数据线。

1.2软件：Mind+ 图形化编程软件

1.2.1 打开Mind+软件（1.6及以上版本），选择“上传模式”。

1.2.2 打开“扩展”，在“主控板”“扩展板”“传感器”和“执行器”项目添加掌控板、micro：bit掌控I/O扩展板、非接触式红外温度传感器、超声波测距传感器和舵机等项目。

1.3实现的功能要求：

1.3.1当有人靠近人洗手时，伸手接近挤压器，洗手液就自动挤压出来，并显示使用次数。

1.3.2实现对使用者的测温并在掌控板上显示体温数据。

1.3.3实现温度超过37.3℃警报。

2.各种传感器的连接

2.1舵机连线：使用P0引脚注意关闭扩展板上蜂鸣器开关。

2.2超声波连线：TRIG→P1、ECHO→P2、+5V→电源引脚、GND→GND引脚。

2.3 非接触式红外温度传感器连线：通信接口都采用I2C接口。

3.绘制工作流程图

学生们在我的启发诱导下，让他们自主探寻出一个明确的方向和目标，去研究问题、分析问题并思考如何解决。接下来继续引导学生根据设备的工作原理和工作流程绘制简单的思维导图或程序流程图。让学生更好的通过逻辑思维来思考学习、在编写程序的过程中锻炼逻辑思维能力。只有理清了问题解决的思路，才能对探究的问题、研究的作品进行下一步的开发与实践。

4.搭建程序

根据皮亚杰建构主义学习理论，让学生理解人工智能和开源硬件教学目标设计，促进学生主动学习。然后引导学生们积极思考、探究目标并搭建出对应的程序。通过项目式探究完成人工智能的作品制作后，程序的编写是最终的蜕变环节，经过此环节的探究学习，加强学生的逻辑思维、编程思维的培养，

5.创意造物

创客教育倡导以项目学习的方式，使用数字化工具，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力。这种项目式和跨学科的学习，必然要求在教学中跳出项目本身，从宏观和整体角度看待要完成的作品。

我们这个智能洗手液挤压器的材料，除了用铝合金构件，还可以采用3D打印、激光切割板材等用不同物料制作出各种结构件进行创意造物。这方面涵盖的知识内容，包括学生最感兴趣的 3D 创意建模、图形化创意编程、开源硬件和动手制作、搭建等，并涉及科学、技术、工程、艺术和数学，是一种典型的STEAM 学习项目。让学生在探索、研究、实践、分享的过程中，也自然地将不同的知识整合起来，融会贯通，改变了以往被动学习的低效课堂模式。

三、项目式学习活动设计

LACID 理论认为教学系统由学习活动组成。学习目标是学习活动的重要属性，学习活动的其他成分包括：活动任务、交互过程、学习工具、学习资源、学习成果和活动规则，其中交互过程包含学习方法和学习方式，学习资源包括信息组织和媒体形态。学习活动设计的核心是活动任务设计，并且所有设计的数据基础就是知识建模图。

开展项目式学习的价值在于围绕挑战性的学习主题，提出问题，深度参与探究，从而获得发展，提升核心素养和能力。项目式学习实施的理论基础有建构主义学习理论以及认知学习理论等。开展项目式学习，学生们通过自行探究，在具体的实践情境中共同完成自己的主题作品。

四、结语

项目式学习方式同样可以赋予学生更多主动探究学习的机会，围绕拟解决的项目问题，在经历收集信息、获取知识、探讨方案、同伴协作、动手实践等环节后，可有效促进学生的知识建构、技能与能力的发展。

我们将通过项目式学习探究中进行实践验证，图形化编程、开源硬件的搭建方式无疑是学习人工智能最佳的解决方案。

【参考文献】

[1]李伟忠 基于项目式创客教育模式的教学探究[J]. 《中小学信息技术教育》 2019（5）.

[2]苏晓静，王曦廷，刘梦.基于开源硬件的中学人工智能课程设计与实践[J]. 《中国信息化》2019（9）.

（责任编辑：周炎平）