仇大成 江蘇省鹽城市濱海縣教師發(fā)展中心

商艷 江蘇省鹽城市建湖縣向陽路小學

蘇科版小學信息技術“人工智能初步”單元重點圍繞開源硬件和傳感器的學習應用，搭建創(chuàng)意與現實生活的橋梁，將學生領進“智能創(chuàng)新設計”的世界。筆者根據蘇科版小學信息技術“人工智能初步”教材和配套的OSTD開源實驗箱（以下簡稱實驗箱）設計了“智能風扇”微項目課（2課時），引導學生了解一種新的交互方式——智能控制，并在體驗“定速風扇—變速風扇—多功能風扇”設計與開發(fā)的過程中，學會利用計算思維解決生活中的實際問題。

● 項目背景分析

1.項目名稱的由來與指向

根據前測可知，學生能從生活經驗中分辨出常規(guī)風扇的使用場景、控制運行的方式、影響轉速的因素。由于常規(guī)風扇在開關控制、使用安全等方面存在改進空間，因此，教師提出“智能風扇”項目，旨在拓展教學內容，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識，以適應學生未來發(fā)展的需要。

2.學習內容的選擇與設計

在學習內容的選擇上，筆者參考了蘇科版中小學信息技術教材（五年級《彈奏音樂》、六年級《機器人傳感器》和九年級《智能風扇》），通過對教材進行綜合和拓展，提出了學習內容——超聲波傳感器工作原理。

3.學生情況的分析與思考

本課的學習者是六年級學生，他們善于思考，勤于設想，樂于探索，對智能化項目的學習始終保持著探究欲望，邏輯思維能力較中低年級有較大提高。經過一學期對機器人單元的學習，學生已經掌握機器人基本知識，對常見傳感器的應用和價值有了具體直觀的認識，但是對常見傳感器的工作原理理解不深入。在學習本課之前，學生已經能設計簡單的個性化智能作品，如智能燈等，但是結合流程圖梳理算法的能力還較為薄弱，從具體現實問題中抽象出計算機能解決的問題的能力還有所欠缺。

由于風扇主體結構的設計與制作并非本課所要研究的內容，因此筆者在課前準備了半成品程序、實驗器材、可視化工具，便于在有限的課時內，利用開源硬件使項目式教學更可行、有效。

●“智能風扇”項目教學設計

1.創(chuàng)設趣味感知活動，體驗傳感控制

如下頁圖所示，筆者播放《風扇給寵物降溫》的視頻，引導學生發(fā)現“傳統(tǒng)風扇不夠節(jié)能且存在安全隱患”的問題，啟發(fā)學生嘗試應用實驗箱解決問題。筆者通過距離控制智能風扇模型的開關，激發(fā)學生探究“傳感控制方式”的求知欲。項目聚焦真實問題和生活需求，結合現有的軟硬件環(huán)境，通過xDingAI軟件控制實驗箱實現智能風扇，具有實際應用價值。

2.解構智能風扇模塊，探究傳感控制

根據“距離”這一要素，學生不難猜測出是“超聲波傳感器”在起作用。筆者緊接著提出核心問題：“超聲波傳感器是如何測量距離的呢？”引導學生將這個問題拆解為兩個小問題：“超聲波傳感器測距的工作原理是什么？”“超聲波傳感器測距的范圍是多少？”

（1）了解超聲波傳感器的工作原理。在前面的學習中，學生雖已了解超聲波傳感器的功能，但并不明確了解其工作原理。因此，本活動通過類比動物測量距離的方式，幫助學生理解超聲波傳感器的工作原理，并通過閱讀材料進行數學運算，幫助學生理解超聲波傳感器的工作機制：根據發(fā)出超聲波與接收到超聲波的時間差t，計算出自己與障礙物之間的距離

（2）測一測超聲波傳感器的檢測范圍。本項目選取常見的9個測試物，分3類進行測試：Ⅰ類帶曲面的測試物（鐵罐、紙杯、塑料杯）、Ⅱ類平直測試物（木板、塑料板、信息書）、Ⅲ類混合測試物（毛巾、鐵罐、信息書）。由于需要觀察程序參數和測試物距離，因此筆者對小組成員進行分工：匯報員領取實驗包，程序員和操作員完成軟硬件環(huán)境的搭建，程序員協助操作員的實驗操作。在小組合作時，可先讓學生自己嘗試操作，遇到問題再通過討論解決。通過對比刻度值、記錄超聲波傳感器獲取值，學生發(fā)現超聲波傳感器獲取值表示的是距離信息。

本課應讓學生學會區(qū)別比較設計值與獲取值，以此發(fā)現超聲波測距的影響因素，進而選用一種合適的測試物，規(guī)范地測量出超聲波傳感器的檢測范圍，最后自定義臨界值，實現智能風扇腳本的編寫。

本活動目標是測量超聲波傳感器的檢測范圍，這也是本節(jié)課的重點。通過小組分工與合作、表格支架等方式記錄實驗過程數據，學生在解決問題的過程中既動手又動腦。一方面，親歷傳感控制的全過程，在不斷試誤、調整、優(yōu)化中規(guī)范了操作行為，提高了信息素養(yǎng)；另一方面，進一步理解了生活中存在的控制現象，通過構建智能產品實現從認識硬件到編程控制的全過程。

3.拓展智能風扇需求，運用傳感控制

由于定速風扇并不能完全滿足降溫的需要，結合生活經驗，學生自然想要增添軟硬件，在原有項目基礎上做修改。

（1）設計“溫控變速風扇”，理解條件嵌套結構。在構造“定速風扇”的活動中，學生已經掌握傳感器的工作原理，學會測量并設置傳感器參數。借助規(guī)劃單改變智能風扇的控制方式，學生將“定速風扇”的實現過程遷移到“溫控變速風扇”中去，實現對風扇功能的創(chuàng)新設計。通過實現類似的應用場景，學生掌握了條件嵌套的編程方法，突破學習難點，為進一步實現個性化的智能風扇和其他智能應用打好了基礎。

當學生遇到生活中的真實問題或者提出某些創(chuàng)意想法時，教師應引導學生創(chuàng)造性地使用各電子元器件，甚至可以鼓勵學生用不同元器件實現相同的功能，以達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的目的。學生圍繞提出和聚焦的問題改進流程，嘗試測試和分析數據，再通過交流獲得探究結果和想法，以此形成一種立足整體的科學的解決問題思路。

（2）拓展已有程序，實現個性化風扇。學生只有親歷超聲波傳感器測距的過程，反思背后的原理，才能在評價和交流中理解他人的行為，最終提煉出學習經驗。在實現溫控變速風扇、多功能風扇的過程中，學生會發(fā)現，當遇到類似項目時，只需要在原有項目基礎上做修改，在知識遷移中升級創(chuàng)意，而不需要從零開始。

（3）綜合應用多種傳感器，實現其他智能場景。教師通過拔高問題，引導學生思考“怎樣綜合利用傳感器解決更多的生活實際問題”，由淺入深，層層遞進，讓學生體會程序設計的迭代思維。

● 教學實踐的思考

本課通過xDingAI軟件控制實驗箱，幫助學生快速掌握項目設計的全過程，并通過人工智能作品的6個環(huán)節(jié)——情境分析—確定項目—項目實現—測試與優(yōu)化—拓展與應用—評價與總結，充分激發(fā)學生的學習興趣，增強了學生的動手實踐能力，讓學生體會到技術在生活中的運用。

1.聚焦關鍵問題，促進學生理解

本課依據“傳統(tǒng)風扇不夠節(jié)能且存在安全隱患”這一問題展開，引導學生在xDingAI中設置傳感器檢測環(huán)境，實現對風扇的智能控制。其中最值得關注和解決的問題在于理解和運用傳感器。雖然超聲波傳感器有測距功能，但是學生并不清楚距離是如何測量出來的、測量時的注意點有哪些。教師需要引導學生理解前因后果，幫助學生主動建構知識，促進思維的發(fā)展。首先，通過問題情境，調動學生已有認知經驗，引發(fā)認知沖突，通過多種感官加深對問題的理解，這也是思維產生的基礎和動力。其次，要引導學生基于問題合理地進行猜想與假設、推理與證實。最后，堅持培養(yǎng)學生的計算思維，引導學生在遇到類似問題情境時能采用科學的方法收集證據，驗證自己的猜想，在迭代的過程中進一步發(fā)展思維及認識。

2.搭建學習支架，助力思維可見

在有限的教學情境下，為了幫助學生順利穿越“最近發(fā)展區(qū)”，本課注重引導學生將思考的過程可視化。依據學生已有認知經驗，搭建學習支架，幫助學生進行知識與技能的學習，提升綜合應用能力和實踐創(chuàng)新能力，以便做出正確的價值判斷和行動選擇。

3.基于學習視角，落實小組合作

本課采取“軟硬配對”的學習模式，即一位學生作為程序員，負責軟件操作和程序編寫，一位學生作為操作員，負責觀察記錄和搭建調試硬件。其間小組成員會及時交換角色，以防止角色的固化和低效。配對學習方式有助于學生全面思考，理順設計思路，并更早地發(fā)現問題，減少錯誤。