黃振余 萬(wàn)錦棠

近年來(lái)，我國(guó)越來(lái)越重視人工智能的發(fā)展，在中小學(xué)啟動(dòng)信息素養(yǎng)測(cè)評(píng)，推動(dòng)在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。人工智能涉及的知識(shí)面比較廣，包括認(rèn)知科學(xué)、編程技術(shù)、自動(dòng)化控制、電子技術(shù)、大數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域。如何根據(jù)人工智能所涉學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)、技能，結(jié)合中小學(xué)各年齡段學(xué)生的認(rèn)知水平和信息技術(shù)能力實(shí)際，開(kāi)發(fā)人工智能編程系列課程，讓人工智能編程課程的實(shí)施真正落地，并取得成效，其中關(guān)鍵在于做好人工智能編程相關(guān)課程的設(shè)計(jì)。針對(duì)中小學(xué)不同學(xué)段學(xué)生的年齡特點(diǎn)，利用圖形化編程軟件、虛擬仿真的電路搭建軟件以及開(kāi)源硬件等設(shè)備豐富課程教學(xué)內(nèi)容，以項(xiàng)目式教學(xué)開(kāi)展跨學(xué)科的學(xué)習(xí)探究，讓不同學(xué)段的學(xué)生在人工智能編程課程實(shí)施過(guò)程中有所收獲。

一、小學(xué)低學(xué)段編程課設(shè)計(jì)

小學(xué)低年級(jí)學(xué)段的學(xué)生有自控能力不強(qiáng)，對(duì)新事物的持久關(guān)注時(shí)間不長(zhǎng)，知識(shí)積累薄弱等狀況。在課堂上如何讓學(xué)生迅速分配好器材，盡快進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)將成為人工智能編程課程有效開(kāi)展的關(guān)鍵。為此，我們可以使用集成開(kāi)源硬件與虛擬場(chǎng)景互動(dòng)編程相結(jié)合的教學(xué)，讓小學(xué)人工智能編程課程變得高效、簡(jiǎn)單、容易普及。

所謂集成開(kāi)源硬件，就是把多種常用的傳感器和arduino 主控芯片集成到一個(gè)電路板上。不用學(xué)生連接傳感器和主控板，避免了接錯(cuò)線(xiàn)和丟失傳感器的情況發(fā)生，在減輕任課教師壓力的同時(shí)，也減少學(xué)校物資的損耗。我們稱(chēng)這種集成開(kāi)源硬件為測(cè)控板。最近，一些公司和廠(chǎng)商投入了大量的人力開(kāi)發(fā)了很多優(yōu)秀的開(kāi)源軟件，完全兼容這種測(cè)控板，Mind+就是其中一款。它是基于Scratch3.0 開(kāi)發(fā)，兼容Arduino 、micro:bit等系列主控板。

小學(xué)中低年級(jí)的學(xué)生可以通過(guò)實(shí)時(shí)編程模式設(shè)計(jì)互動(dòng)游戲，例如“怕光的蝙蝠”課程，用板載的測(cè)光模塊來(lái)對(duì)周?chē)h(huán)境的亮度進(jìn)行檢測(cè)。學(xué)生通過(guò)Mind+界面導(dǎo)入蝙蝠角色，然后導(dǎo)入arduino 控制組件，拖放幾個(gè)圖標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)功能。因?yàn)橹恍枰裊SB 插入電腦的接口，剩下的任務(wù)都能夠在軟件上完成，所以基于集成開(kāi)源硬件與虛擬場(chǎng)景互動(dòng)編程的課程特點(diǎn)就是高效、簡(jiǎn)單、易普及。不足的地方是學(xué)習(xí)的深度不夠，課程適合小學(xué)中低年級(jí)采用。

二、小學(xué)中高學(xué)段編程課設(shè)計(jì)

人工智能中的統(tǒng)計(jì)學(xué)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等概念對(duì)中小學(xué)師生來(lái)說(shuō)都是有難度的，很難從技術(shù)層面進(jìn)行推廣。我們不妨從簡(jiǎn)單的編程技術(shù)和電子技術(shù)入手，以基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方法引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展跨學(xué)科研究。下面以設(shè)計(jì)“小區(qū)感應(yīng)路燈”為例開(kāi)展探究。

首先，通過(guò)調(diào)查和討論，研究感應(yīng)路燈的控制方式。課前提供閱讀資料介紹傳感器和LED（發(fā)光二極管）的物理特性，以及這些硬件在現(xiàn)實(shí)生活中被應(yīng)用的場(chǎng)合，增加學(xué)生對(duì)傳感器功能和應(yīng)用的理解。

其次，強(qiáng)調(diào)小組合作探究。在中高學(xué)段，培養(yǎng)孩子的合作精神和溝通能力以適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的需要。在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中，讓學(xué)生通過(guò)小組合作，制訂研究方案做好分工安排，讓小組的每個(gè)成員都有擔(dān)當(dāng)，建立成員之間的信托。

再次，在電路搭建中，教師指導(dǎo)學(xué)生使用linkboy 軟件搭建虛擬電路，編寫(xiě)程序并且用linkboy 的模擬功能測(cè)試程序的控制效果。模擬成功后，小組再根據(jù)虛擬電路制作采購(gòu)清單，由教師指導(dǎo)各小組補(bǔ)充清單上的元器件的型號(hào)和參數(shù)，通過(guò)和家長(zhǎng)溝通后，購(gòu)買(mǎi)元器件進(jìn)行真實(shí)電路的搭建和調(diào)試。（見(jiàn)圖1）

最后，做好分享與評(píng)價(jià)。雖然項(xiàng)目主題相同，但是學(xué)生在制作過(guò)程中會(huì)加入不同的想法，使用不一樣的材料和工具，最后呈現(xiàn)出來(lái)的作品也有所差別。學(xué)生除了對(duì)最終作品的功能和外觀(guān)進(jìn)行評(píng)價(jià)，最重要就是在制作過(guò)程中總結(jié)學(xué)習(xí)收獲。教師也可以鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)好的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分享，以鼓勵(lì)生生之間的交流、互動(dòng)與合作。

小學(xué)高年級(jí)學(xué)段的學(xué)生動(dòng)手能力還不強(qiáng)，在搭建電路方面和程序設(shè)計(jì)方面需要由淺入深逐步推進(jìn)。讓學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目學(xué)習(xí)既可以橫向進(jìn)行學(xué)科滲透，也可以向重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行縱向深入研究。項(xiàng)目的主題來(lái)源于生活，讓學(xué)生真正做到所學(xué)即所用。

三、中學(xué)學(xué)段編程課設(shè)計(jì)

中學(xué)階段隨著學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)、物理學(xué)科學(xué)習(xí)的深入，易于理解相關(guān)編程算法和動(dòng)手操作電氣設(shè)備。對(duì)此，可以設(shè)計(jì)一些較為復(fù)雜的編程項(xiàng)目。下面以一個(gè)基于s2aio開(kāi)發(fā)的測(cè)距與定位雷達(dá)的案例來(lái)說(shuō)明怎樣在中學(xué)階段開(kāi)展編程課設(shè)計(jì)。限于篇幅，這里只介紹方案的設(shè)計(jì)與分析。

在這里，硬件方面的測(cè)距雷達(dá)與目標(biāo)自動(dòng)鎖定儀是由開(kāi)源硬件和圖形化編程技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的。它由紅外測(cè)距傳感器（或者超聲波傳感器）、舵機(jī)、測(cè)控板和電腦組成。軟件方面需要完成的功能見(jiàn)圖2所示的思維導(dǎo)圖。

整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求為：（1）數(shù)據(jù)采集，當(dāng)系統(tǒng)重啟或者測(cè)量按鈕被按下時(shí)，舵機(jī)帶動(dòng)測(cè)距傳感器旋轉(zhuǎn)，測(cè)距傳感器同時(shí)對(duì)被測(cè)區(qū)域進(jìn)行掃描，對(duì)量程范圍以?xún)?nèi)的物體進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，存入數(shù)據(jù)列表；（2）求比例，這些數(shù)據(jù)同時(shí)會(huì)通過(guò)映射函數(shù)（公式）換算，把物理距離轉(zhuǎn)化成虛擬場(chǎng)景的像素化距離；（3）求坐標(biāo)，假設(shè)傳感器位置為原點(diǎn)，當(dāng)它發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生角度，測(cè)到的距離就是長(zhǎng)度，有了以上的參數(shù)就可以求被測(cè)物體的坐標(biāo)了，這些數(shù)據(jù)可用來(lái)實(shí)時(shí)描繪被測(cè)區(qū)域的雷達(dá)圖；（4）排序，用插入排序方法對(duì)被測(cè)距離數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，數(shù)組的下標(biāo)用來(lái)記錄角度，數(shù)組的值用來(lái)記錄被測(cè)物體的距離；（5）定位，經(jīng)過(guò)排序后，最短路徑就出來(lái)了，它存儲(chǔ)在以角度為下標(biāo)的隊(duì)列里，只要檢測(cè)到“定位”按鈕被按下，瞄準(zhǔn)器便會(huì)轉(zhuǎn)到最短距離的角度同時(shí)啟動(dòng)激光模塊鎖定目標(biāo)。

該課程中涉及的硬件不多，而且很容易通過(guò)電商平臺(tái)買(mǎi)到，項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容就相對(duì)復(fù)雜，適合高學(xué)段的學(xué)生開(kāi)展研究。

四、總結(jié)

中小學(xué)的人工智能編程教育綜合了計(jì)算機(jī)、軟件工程、機(jī)械、電子、通訊和控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)和技能，這也給我們?cè)谄胀ㄖ行W(xué)開(kāi)展人工智能編程課程設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)施提供了豐富的課程資源，具有廣闊課程設(shè)計(jì)空間。在課程設(shè)計(jì)上，小學(xué)階段以培養(yǎng)興趣為主，中學(xué)階段適度加入算法和統(tǒng)計(jì)推理課程。在課程實(shí)施中，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，以小組合作形式開(kāi)展項(xiàng)目研究，以梯度推進(jìn)方式把人工智能與編程課程逐次進(jìn)階。在統(tǒng)一的課程設(shè)計(jì)體系下，我們可以發(fā)掘更多具有科學(xué)性、富有趣味性又直觀(guān)易懂的課程設(shè)計(jì)案例。通過(guò)案例，我們可以把人工智能教育思想、理念和知識(shí)技能知識(shí)傳授給學(xué)生，培養(yǎng)他們的科學(xué)思維和科技創(chuàng)新精神，增強(qiáng)關(guān)鍵能力。