中小學人工智能編程課的教學進階

黃振余 萬錦棠

近年來，我國越來越重視人工智能的發展，在中小學啟動信息素養測評，推動在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。人工智能涉及的知識面比較廣，包括認知科學、編程技術、自動化控制、電子技術、大數據、統計學等眾多學科領域。如何根據人工智能所涉學科領域的知識、技能，結合中小學各年齡段學生的認知水平和信息技術能力實際，開發人工智能編程系列課程，讓人工智能編程課程的實施真正落地，并取得成效，其中關鍵在于做好人工智能編程相關課程的設計。針對中小學不同學段學生的年齡特點，利用圖形化編程軟件、虛擬仿真的電路搭建軟件以及開源硬件等設備豐富課程教學內容，以項目式教學開展跨學科的學習探究，讓不同學段的學生在人工智能編程課程實施過程中有所收獲。

一、小學低學段編程課設計

小學低年級學段的學生有自控能力不強，對新事物的持久關注時間不長，知識積累薄弱等狀況。在課堂上如何讓學生迅速分配好器材，盡快進入學習狀態將成為人工智能編程課程有效開展的關鍵。為此，我們可以使用集成開源硬件與虛擬場景互動編程相結合的教學，讓小學人工智能編程課程變得高效、簡單、容易普及。

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

小學中低年級的學生可以通過實時編程模式設計互動游戲，例如“怕光的蝙蝠”課程，用板載的測光模塊來對周圍環境的亮度進行檢測。學生通過Mind+界面導入蝙蝠角色，然后導入arduino 控制組件，拖放幾個圖標就可以實現功能。因為只需要把USB 插入電腦的接口，剩下的任務都能夠在軟件上完成，所以基于集成開源硬件與虛擬場景互動編程的課程特點就是高效、簡單、易普及。不足的地方是學習的深度不夠，課程適合小學中低年級采用。

二、小學中高學段編程課設計

人工智能中的統計學、卷積神經網絡等概念對中小學師生來說都是有難度的，很難從技術層面進行推廣。我們不妨從簡單的編程技術和電子技術入手，以基于項目的學習方法引導學生開展跨學科研究。下面以設計“小區感應路燈”為例開展探究。

首先，通過調查和討論，研究感應路燈的控制方式。課前提供閱讀資料介紹傳感器和LED（發光二極管）的物理特性，以及這些硬件在現實生活中被應用的場合，增加學生對傳感器功能和應用的理解。

其次，強調小組合作探究。在中高學段，培養孩子的合作精神和溝通能力以適應未來社會的需要。在項目學習過程中，讓學生通過小組合作，制訂研究方案做好分工安排，讓小組的每個成員都有擔當，建立成員之間的信托。

再次，在電路搭建中，教師指導學生使用linkboy 軟件搭建虛擬電路，編寫程序并且用linkboy 的模擬功能測試程序的控制效果。模擬成功后，小組再根據虛擬電路制作采購清單，由教師指導各小組補充清單上的元器件的型號和參數，通過和家長溝通后，購買元器件進行真實電路的搭建和調試。（見圖1）

最后，做好分享與評價。雖然項目主題相同，但是學生在制作過程中會加入不同的想法，使用不一樣的材料和工具，最后呈現出來的作品也有所差別。學生除了對最終作品的功能和外觀進行評價，最重要就是在制作過程中總結學習收獲。教師也可以鼓勵學生對好的經驗進行分享，以鼓勵生生之間的交流、互動與合作。

小學高年級學段的學生動手能力還不強，在搭建電路方面和程序設計方面需要由淺入深逐步推進。讓學生通過項目學習既可以橫向進行學科滲透，也可以向重點內容進行縱向深入研究。項目的主題來源于生活，讓學生真正做到所學即所用。

三、中學學段編程課設計

中學階段隨著學生對數學、物理學科學習的深入，易于理解相關編程算法和動手操作電氣設備。對此，可以設計一些較為復雜的編程項目。下面以一個基于s2aio開發的測距與定位雷達的案例來說明怎樣在中學階段開展編程課設計。限于篇幅，這里只介紹方案的設計與分析。

在這里，硬件方面的測距雷達與目標自動鎖定儀是由開源硬件和圖形化編程技術開發出來的。它由紅外測距傳感器（或者超聲波傳感器）、舵機、測控板和電腦組成。軟件方面需要完成的功能見圖2所示的思維導圖。

整個項目的設計要求為：（1）數據采集，當系統重啟或者測量按鈕被按下時，舵機帶動測距傳感器旋轉，測距傳感器同時對被測區域進行掃描，對量程范圍以內的物體進行數據的收集，存入數據列表；（2）求比例，這些數據同時會通過映射函數（公式）換算，把物理距離轉化成虛擬場景的像素化距離；（3）求坐標，假設傳感器位置為原點，當它發生旋轉時會產生角度，測到的距離就是長度，有了以上的參數就可以求被測物體的坐標了，這些數據可用來實時描繪被測區域的雷達圖；（4）排序，用插入排序方法對被測距離數據進行排序，數組的下標用來記錄角度，數組的值用來記錄被測物體的距離；（5）定位，經過排序后，最短路徑就出來了，它存儲在以角度為下標的隊列里，只要檢測到“定位”按鈕被按下，瞄準器便會轉到最短距離的角度同時啟動激光模塊鎖定目標。

該課程中涉及的硬件不多，而且很容易通過電商平臺買到，項目要實現的內容就相對復雜，適合高學段的學生開展研究。

四、總結

中小學的人工智能編程教育綜合了計算機、軟件工程、機械、電子、通訊和控制等多個學科領域的知識和技能，這也給我們在普通中小學開展人工智能編程課程設計、開發和實施提供了豐富的課程資源，具有廣闊課程設計空間。在課程設計上，小學階段以培養興趣為主，中學階段適度加入算法和統計推理課程。在課程實施中，采用項目式學習，以小組合作形式開展項目研究，以梯度推進方式把人工智能與編程課程逐次進階。在統一的課程設計體系下，我們可以發掘更多具有科學性、富有趣味性又直觀易懂的課程設計案例。通過案例，我們可以把人工智能教育思想、理念和知識技能知識傳授給學生，培養他們的科學思維和科技創新精神，增強關鍵能力。