程慶寶

〔摘? ? 要〕? 在小學(xué)開展人工智能教育，不應(yīng)該被琳瑯滿目的硬件設(shè)備和軟件設(shè)備所束縛，而應(yīng)致力于培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)系統(tǒng)控制與過程的原理。明確使用計(jì)算機(jī)是可以解決問題的，了解認(rèn)識(shí)中國(guó)具有自主可控的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)。而普惠視域下的人工智能教育，同樣需要教師創(chuàng)設(shè)問題情境，分析問題可解決的方案，借助學(xué)習(xí)支架來完成模型的建立，通過完成一個(gè)項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)解決問題的方法。

〔關(guān)鍵詞〕? 普惠；人工智能教育；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；linkboy；策略

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? ? （2024）? 13? ? 037-039

目前在中小學(xué)階段，人工智能教育開展得如火如荼。隨著時(shí)間的流逝，可以發(fā)現(xiàn)人工智能教育投入比較高，加上各種硬件、軟件紛至沓來，讓一線教師應(yīng)接不暇，很多教師已經(jīng)心有余而力不足。筆者認(rèn)為，讓中小學(xué)教師能用得起、用得好的人工智能教育，才是適宜的人工智能教育。為此，普惠型的人工智能教育觀點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生。

本文中的“普惠”指的是不盲目追求人工智能教具的高端化和奢侈化，構(gòu)建和本地區(qū)或本校園相適配的人工智能校本課程框架體系，能做到因“財(cái)”選配、因材施教。在小學(xué)階段開展的人工智能教育有別于中學(xué)和大學(xué)的內(nèi)涵，它可以包括程序代碼編寫、創(chuàng)客項(xiàng)目制作等的校本課程或獨(dú)立課程。本文中筆者將以小學(xué)六年級(jí)的《制作土壤水量檢測(cè)儀》為例，闡述普惠視域下的小學(xué)人工智能教學(xué)實(shí)施策略。

一、創(chuàng)設(shè)情境，從生活中的問題引發(fā)思考

小林同學(xué)一家準(zhǔn)備假期出門游玩，時(shí)長(zhǎng)大約一個(gè)星期，但是家中的綠植無人照料，著實(shí)令人頭疼。如何解決這個(gè)棘手的問題呢？教師提出問題后，引導(dǎo)學(xué)生利用電子教室系統(tǒng)的在線主題討論模塊進(jìn)行主題討論。經(jīng)過一番討論后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，使用開源硬件（諸如，Arduino?UNO）、液晶顯示屏、土壤濕度傳感器，可以搭建一個(gè)土壤水量檢測(cè)儀，但僅僅是一個(gè)檢測(cè)儀，雖然可以檢測(cè)綠植土壤的含水量，但是無法解決小林同學(xué)一家出門后無人給綠植澆水的問題。于是，進(jìn)一步展開討論，明確了需要添加水泵模塊，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給綠植澆水的功能。

那么問題又來了，到底要給綠植澆多少水才合適呢？由于每一種綠植對(duì)土壤中的水分需求是不一樣的，就需要用制作出來的土壤水量檢測(cè)儀記錄下綠植所在土壤的水含量的三種狀態(tài)：干旱、均衡、飽和。只有記錄下它們?nèi)N狀態(tài)下土壤含水量的數(shù)值，才能考慮是否使用水泵給綠植澆水或者停止?jié)菜?/p>

二、分析問題，提出解決問題的可行性方案

作為一節(jié)實(shí)踐性較強(qiáng)并且具有跨學(xué)科性質(zhì)的課程，信息量是比較大的。如何讓學(xué)生在課堂上有所收獲，明白要完成無人自動(dòng)澆灌綠植這一項(xiàng)目，不是僅僅完成設(shè)備搭建、編寫程序等，還要學(xué)會(huì)利用檢測(cè)儀記錄每種綠植對(duì)土壤水分的需求，記錄好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要以完成一個(gè)項(xiàng)目的方式開展教學(xué)。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法，指的是基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方法（PBL），以學(xué)習(xí)研究學(xué)科或者跨學(xué)科的概念和知識(shí)原理為中心，以制作作品并展示作品為目的，在實(shí)現(xiàn)過程中借助多種資源開展探究，教師和學(xué)生共同開展一個(gè)完整的項(xiàng)目而進(jìn)行的學(xué)習(xí)活動(dòng)，并在有限的時(shí)間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)問題的一種教和學(xué)的方法。

要完成“無人自動(dòng)澆灌綠植”這一項(xiàng)目，學(xué)生需要在課前先調(diào)查哪些綠植喜歡干燥的土壤、哪些綠植喜歡濕潤(rùn)的土壤。也可以利用科學(xué)課堂上學(xué)習(xí)來的毛細(xì)現(xiàn)象或者滴灌技術(shù)來完成無人澆灌。但是學(xué)生通過討論，橫向比較技術(shù)，發(fā)現(xiàn)無人自動(dòng)澆灌綠植使用開源硬件加上周邊的傳感器制作的設(shè)備是比較合適的。

然而一節(jié)40分鐘的課堂，要完成無人自動(dòng)澆灌綠植這一項(xiàng)目，使用開源硬件及其相關(guān)傳感器有些難度。且不說設(shè)備的采購(gòu)，即使是設(shè)備的分發(fā)、組裝、程序編寫、實(shí)驗(yàn)、迭代、設(shè)備回收等等，時(shí)間上就不夠分配。為了讓課堂有限的時(shí)間得到有效利用，筆者果斷采用了linkboy虛擬仿真軟件替代硬件的分發(fā)、搭建、程序編寫、調(diào)試等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)體驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，并知曉背后的原理。

Linkboy是一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)開源硬件仿真軟件，對(duì)目前市面上主流的開源硬件Arduino?UNO，Arduino?Nano等開源主控板和周邊的傳感器都能較好地仿真出效果，圖形化的編程方式也便于六年級(jí)學(xué)生上手。

三、搭建學(xué)習(xí)支架，助力學(xué)生作品模型建立

學(xué)生要完成一個(gè)項(xiàng)目，往往需要學(xué)習(xí)支架的支撐，才能提高效率。學(xué)生所處的網(wǎng)絡(luò)機(jī)房恰恰給學(xué)習(xí)提供了極大的便利，每生一機(jī)，并且形成局域網(wǎng)。將教師機(jī)打造成服務(wù)器，學(xué)生機(jī)便是一個(gè)個(gè)工作站。既可以實(shí)現(xiàn)瀏覽器和服務(wù)器模式（B/S架構(gòu)）——訪問課程資源系統(tǒng)，也可以實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器模式（C/S架構(gòu)）——電子教室系統(tǒng)?；旌鲜降挠?jì)算機(jī)輔助教學(xué)形式，為師生間、生生間的互動(dòng)交流提供了極大的便利。

由于小學(xué)生的信息能力水平參差不齊，讓學(xué)生按照整齊劃一的標(biāo)準(zhǔn)完成一個(gè)項(xiàng)目，的確有些不大容易。筆者利用網(wǎng)頁(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源包，將教師機(jī)搭建成一個(gè)小型服務(wù)器，將網(wǎng)站資源包發(fā)布在該服務(wù)器上，學(xué)生就能利用瀏覽器訪問教師機(jī)上的站點(diǎn)，并且根據(jù)自身的情況，有目的、有選擇性地完成符合自身能力水平的任務(wù)，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)赝卣?。這樣既能保證全體學(xué)生“吃得飽”，也能實(shí)現(xiàn)局部學(xué)生“吃得好”，實(shí)現(xiàn)按需學(xué)習(xí)的目的。

四、因需選配，設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案

學(xué)生根據(jù)小組討論后對(duì)問題的理解，進(jìn)行抽象建模，羅列出合適的傳感器。土壤水量檢測(cè)儀的方案如下：

方案一，Arduino?UNO、土壤水量檢測(cè)儀、RGB全彩燈組合方案。這樣設(shè)計(jì)出來的土壤水量檢測(cè)儀，可以通過觀察RGB全彩燈顏色的不同，了解土壤里的水分干、濕情況。在Arduino?UNO環(huán)境下，土壤濕度傳感器的取值范圍是0～1024。因此，將該范圍分為三個(gè)區(qū)間：當(dāng)檢測(cè)到的土壤水含量數(shù)值為0～400，定義為干燥，RGB全彩燈點(diǎn)亮紅色；當(dāng)檢測(cè)到的土壤水含量數(shù)值為401～700，定義為適宜，RGB全彩燈點(diǎn)亮綠色；當(dāng)檢測(cè)到的土壤水含量數(shù)值為701～1024，定義為水分過飽，RGB全彩燈點(diǎn)亮藍(lán)色；可以通過“如果……那么……否則……”的條件語(yǔ)句及其嵌套的算法來實(shí)現(xiàn)。

方案二，Arduino?UNO、土壤水量檢測(cè)儀、無源蜂鳴器組合方案。這樣設(shè)計(jì)出來的土壤水量檢測(cè)儀，可以通過無源蜂鳴器發(fā)出來的不同聲音，來了解土壤里的水分干、濕情況。無源蜂鳴器作為一個(gè)數(shù)字輸出傳感器，它被觸發(fā)的狀態(tài)只有兩種，一種是高電平狀態(tài)，發(fā)出鳴叫聲。一種是低電平狀態(tài)，停止發(fā)聲。也可以將范圍分為三個(gè)區(qū)間：當(dāng)檢測(cè)到的土壤水含量數(shù)值為0～400，定義為干燥，無源蜂鳴器發(fā)出鳴叫聲；當(dāng)檢測(cè)到的土壤水含量數(shù)值為401～700，定義為適宜，無源蜂鳴器停止發(fā)聲；當(dāng)檢測(cè)到的土壤水含量數(shù)值為701～1024，定義為水分過飽，無源蜂鳴器發(fā)出反轉(zhuǎn)的鳴叫；可以通過“如果……那么……否則……”的條件語(yǔ)句及其嵌套的算法來實(shí)現(xiàn)。

方案三，Arduino?UNO、土壤水量檢測(cè)儀、LCD1602液晶顯示屏組合方案。這樣設(shè)計(jì)出來的土壤水量檢測(cè)儀，就是通過一個(gè)精準(zhǔn)的數(shù)值來實(shí)時(shí)呈現(xiàn)土壤里的水分干、濕情況。LCD1602液晶顯示屏是一個(gè)輸出模塊，有SPI接口I2C接口兩種，SPI針腳較多，連接復(fù)雜，所以推薦學(xué)生采用只有4位的I2C接口。該模塊除了正負(fù)極（VCC，GND），還有SDA和SCL兩個(gè)信號(hào)管腳。對(duì)于學(xué)生來講，從原來的三個(gè)管腳到四個(gè)管腳，在理解上就多了一份擔(dān)憂。教師可以告知學(xué)生，除了正負(fù)極之外，其他的管腳都是可以連接在信號(hào)（S針腳）上的，只要記住管腳號(hào)就可以了。LCD1602液晶屏可以顯示兩行字符，每行最多顯示16個(gè)字符。但是該模塊獨(dú)立使用僅能顯示單個(gè)字符，即該內(nèi)容的ASCLL值，而土壤水量檢測(cè)到的數(shù)值范圍0～1024，當(dāng)超過兩位數(shù)值，就會(huì)顯示ASCLL值，不能準(zhǔn)確顯示實(shí)際的數(shù)值。因此需要借助信息顯示器才能把正確的數(shù)值（字符串）顯示出來。信息顯示器是一個(gè)文字顯示引擎，借助它，才能在LCD1602，OLED12864等屏幕上顯示文字、數(shù)字等等。

當(dāng)有了土壤水量檢測(cè)儀，就可以檢測(cè)各種綠植對(duì)水分的需求數(shù)據(jù)。收集來的數(shù)據(jù)又成了設(shè)計(jì)“無人自動(dòng)澆灌綠植”裝置的依據(jù)。耐濕的綠植就多澆一些水，耐旱的綠植可以少澆一些水。經(jīng)過學(xué)生的一番討論，確認(rèn)“無人自動(dòng)澆灌綠植”裝置采用的方案是：Arduino?UNO、土壤水量檢測(cè)儀、LCD1602液晶顯示屏、馬達(dá)模塊的組合。水泵的核心組件是馬達(dá)，馬達(dá)模塊的參數(shù)有：功率和旋轉(zhuǎn)方向。功率為0，馬達(dá)不轉(zhuǎn)動(dòng)，功率100，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)最大；馬達(dá)的轉(zhuǎn)向有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。由于馬達(dá)模塊只有兩個(gè)針腳，連接電源的正極VCC和負(fù)極GND，如果和Arduino?UNO直連，通上電之后就開始轉(zhuǎn)動(dòng)，無法進(jìn)行調(diào)控。因此，不能直接連接，需要第三方模塊——馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器作為轉(zhuǎn)接。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器有4路輸入管腳（都連接上Arduino?UNO主控板的數(shù)字管腳），1路電源正負(fù)極直連主控板，4路輸出管腳（其中一對(duì)2路連接馬達(dá)模塊正負(fù)極，另外2路可閑置）。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊正是利用脈寬調(diào)制（PWM）原理，對(duì)數(shù)字電路（高、低電平）進(jìn)行模擬處理，實(shí)現(xiàn)電平大小可以控制，進(jìn)而改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

“無人自動(dòng)澆灌綠植”裝置算法可以描述為，如果檢測(cè)到土壤含水量數(shù)值小于400（表示土壤比較干燥），需要啟動(dòng)馬達(dá)，設(shè)置功率為30（抽水速度小一些），設(shè)置馬達(dá)正轉(zhuǎn)（需要視實(shí)際情況而定），模擬抽水；否則，表示檢測(cè)到土壤水含量數(shù)值大于400（表示土壤比較潮濕），設(shè)置馬達(dá)停止，模擬停止抽水。還可以利用物聯(lián)網(wǎng)模塊對(duì)“無人自動(dòng)澆灌綠植”裝置進(jìn)行改進(jìn)，讓在外的主人能夠?qū)崟r(shí)了解到家中綠植的狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤水含量。

五、結(jié)語(yǔ)

在小學(xué)開展人工智能教育，教師不能被各種硬件設(shè)備或者配套的軟件所束縛，而是要開闊眼界，明確人工智能教育初衷：讓學(xué)生了解系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程與控制的原理。通過諸如“無人自動(dòng)澆灌綠植”項(xiàng)目的完成，理解生活中廣泛存在的過程與控制系統(tǒng)，了解過程與控制的特征及其實(shí)現(xiàn)方式，認(rèn)識(shí)到利用計(jì)算機(jī)是能夠解決問題的。尤其是可以使用中國(guó)自主可控的虛擬仿真軟件，認(rèn)識(shí)過程與控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與規(guī)律。

【本文系福建省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度課題“教育集團(tuán)化背景下人工智能教學(xué)普惠型推進(jìn)探究”的主要研究成果，課題編號(hào)：FJJKZX21—315】

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