小學人工智能教學探究

【摘要】STEM教育已經成為世界發達國家基礎教育研究的熱點，通過加強科學、技術、工程、數學等學科之間的聯系，打通學科壁壘，采取更加靈活的學習方式，讓學習者在真實情景下開展深度學習，有利于創新人才和高水平技術人才的培養。

【關鍵詞】STEM教育;人工智能;機器人;編程創新

隨著現代信息技術的迅猛發展，人工智能這個“技術英豪”已在全世界如火如荼地“跑馬圈地”，迅速躋身技術創新的第一梯隊。未來十年，我們將進入不可想象的智能化社會。智能機器人是信息技術發展的前沿領域，智能機器人教育具有實踐性強、探索性強和綜合性強的特點，有利于學生迅速接觸前沿研究，打開思路，拓寬視野，開展智能機器人教學研究活動，讓小學生從小觸摸人工智能，感受它的非凡魅力，是小學階段實現STEM教育理念、提高學生動手能力、培養學生創新精神的最好途徑。

一、開展人工智能教育的背景

國務院在2017年印發的《新一代人工智能發展規劃》宣布：舉全國之力，在2030年一定要搶占人工智能全球制高點！人工智能正式上升為國家戰略。2018年7月，中國第二屆STEM大會在深圳福田召開，大會邀請了國內外著名的專家學者開設主題講座，介紹最新的STEM教學理論和實踐成果，掀起了福田STEM教育的熱潮。在新一輪的教育規劃中，福田區加快教育綜合改革，以“智能教育”作為未來的發展方向，建立與中心區匹配的智能教育服務體系。STEM是用科學、數學知識和先進技術，以工程思維解決現實世界的問題。其教育的核心是：發現問題—設計解決方法—利用科學、技術、數學知識實施解決方法—將解決方法傳達給大家。基于學校學科融合的辦學理念，我校積極探索STEM教育的模式，開設機器人STEM課程，開展教師的課題研究和學生的探究性小課題研究、積極組織學生參與區、市級機器人創客比賽活動，積極投身人工智能的教學研究行列，培養學生的STEM素養。

二、以課程建設為核心，提升學生的STEM素養

機器人STEM課程是一門激發學生學習人工智能知識興趣、培養學生綜合能力、挖掘學生潛能為統領，以設計、組裝、編程、運行機器人為主要學習內容，以培養學生觀察能力、分析能力、想象力、邏輯思維能力、動手能力和提升學生的信息技術核心素養為主要目標的課程。機器人配備了各種功能的零件：如磚、軸、輪子等機械部分，大型電機、中型電機等動力部分，光電、觸碰、紅外等傳感器，還有機器人的核心部件——控制器。學生通過動手創作，發揮自己的想象力和創造力，將零件組裝整合，搭建各種具有實用功能的機器人。在搭建各種主題作品的過程中，鍛煉了學生的動手能力，培養了學生的邏輯思維和解決問題的能力。他們在做中學、在玩中學、在學中玩，享受人工智能帶來的無窮樂趣。

如果沒有給機器人賦予運行的程序，機器人就是一堆塑料。因此，編程是機器人STEM課程的核心。在編寫程序的過程中，學生需要把一個復雜的大問題，分解成一個個可以解決的小問題，循序漸進，逐步解決整個問題。在編寫程序的過程中，學生首先要要清楚機器人的搭建結構和運行原理，其次還要清楚各種傳感器的功能，通過編寫程序來控制各種傳感器，使機器人感知外界的環境信息，并對感知到的信息做出決策和響應，以使機器人能夠順利完成指定的任務。

以筆者執教的《走進人工智能》一課為例，該課伊始，筆者激趣導入，播放了特奧機器人飛速彈奏《野蜂飛舞》的精彩視頻，勾起了學生學習人工智能知識的好奇心，產生探究科學的勇氣，讓學生對機器人技術有強烈求知的欲望。接著，采用任務驅動法教學，讓學生通過微課程學習EV3編程技術，循序漸進地完成兩個任務：1.讓樂高機器人沿直線勻速運動;2.讓樂高機器人沿直線勻速運動并且到達指定地點;最后的終極挑戰環節，筆者讓學生用樂高的配件搭建機械臂，編寫程序，讓樂高機器人模擬宇航員調整太陽能電池板，學生在設計、編程、調試中學得開心，玩得快樂，創意飛揚。

三、以課題研究為引領，推動師生專業化成長

課題研究是學校發展的源動力，是促進師生專業成長的重要途徑。機器人教育作為一門具有高度綜合滲透性、前瞻未來性、創新實踐性的學科，如何為學生學習的“思維體操”提供了一個嶄新的“表演舞臺”，使教學取得“效率高、印象深、氛圍雅、感受新”的明顯效應，一直是我們在進行機器人教學研究中最為關注的問題。為此，我校信息技術教師申請了福田區教育科學“十三五”規劃課題《基于STEM教育理念下的機器人搭建與編程教學研究》，學生申請了2018年深圳市中小學生探究性小課題《樂高機器人的搭建與編程》，師生在研究中努力學習，敢于實踐，勇于創新，取得了很大的進步。

以學生的探究性小課題為例，學生采用PBL項目式學習方式開展小課題研究，學生的學習方式由過去的像容器一樣被“滿堂灌”轉變為學生間“合作、交流、探究”式學習，掌握了隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力。在研究的過程中，學生保持開放的心態，敢于嘗試新鮮事物，從失敗和成功中汲取經驗教訓，養成追求真理、鍥而不舍的科學態度，在課題研究中不斷優化算法和改進搭建模型，設計實用的機械臂，進一步提升機器人的穩定性和完成任務的數量和質量。團隊成員在研究中不斷碰撞出智慧的火花，通過小組合作解決一個個課題研究過程中遇到的困難，掌握了科研活動的過程與方法，在探究中催生寶貴的創新意識。

四、以參加機器人賽事為驅動，搭建學生個性成長的平臺

雄鷹只有經過千百次的歷練，才能夠在蔚藍的天空中展翅翱翔。機器人比賽讓學生接軌前沿科技，開闊眼界，培養學生綜合素養，讓其在同齡人中迅速脫穎而出。通過參加機器人比賽活動，為學生搭建個性成長的平臺，創設真實的解決問題的情景，讓學生嚴格按照規則進行實戰對抗比賽，不斷修改機器人的設計，并對機器人重新進行編程，以期在合乎規則的情況下，取得盡可能好的成績，品嘗成功的快樂。

通過參與各級各類機器人比賽，挖掘了學生的潛能，張揚了學生的個性，豐富了學生的學習生活，培養了學生的核心素養，促進學生人格的健全發展。隊員賈壹方談到參加機器人創意賽時，感觸良多：參加了機器人創意賽后，我受益無窮。我學到了許多關于編程、搭建的知識，更重要的是：我認識到了團體合作的重要性，一開始我們總是各執己見，可是，在陳秀老師的帶領下，我們認真地聽取他人意見，齊心協力地克服了一個又一個困難，感謝福民小學為我們提供了這樣一個學習和進步的機會。

未來，我們將繼續帶領學生行走在人工智能校本課程的探索和實踐道路上，完善課程內容，認真參與課題實驗，帶領學生參與各種展示活動，為學生探索科技搭建更完美的平臺，培養人工智能時代的信息技術精英。

參考文獻：

[1]中國STEM教育白皮書.中國教育科學研究院，2017，6，20.

[2]戴玉梅，王健潼，彭青青等.基于核心素養的小學機器人創客課程實踐研究[J].中國教育信息化，2018，1.