AI編程與學科融合課程探究

張銳

人工智能課程不妨以學科融合為切入點，進行一場AI編程與學科融合課程的探究活動。本節課就是基于AIcode圖形化編程軟件與AISTEAM硬件，以“孔融讓梨”為主題，結合數學和語文知識，設置一定的場景，引導學生進行場景化學習，在發現問題、探究問題、提出假設、實踐驗證等環節中學習與運用數學、語文和編程知識，訓練學生的編程思維，提升人工智能綜合素養，提高創新實踐能力。

教學實施

情景導入：孔融讓梨

教師講述孔融讓梨的故事。在東漢的時候，有一個名叫孔融的孩子，他有5個哥哥和1個弟弟。在孔融4歲那年，父親的一位學生前來家中看望老師和師母，還帶來了一籃子梨。父親發話讓孔融先拿著吃，孔融沒有挑大的，卻拿了一個最小的梨。父親看見孔融的行為，心里很高興，卻故意問孔融：“籃子里那么多梨，又讓你先拿，你怎么不拿大的？”孔融回答道：“我年紀小，應該拿最小的，大的要留給哥哥們吃。”父親接著問：“你的弟弟比你小，照你這么說，他應該拿最小。”孔融搖搖頭說：“我是哥哥，我應該把大的留給弟弟吃。”

講完故事后，教師讓學生討論孔融讓梨這個故事給我們什么啟發，故事里蘊含了什么數學問題，并討論一個數字的多種加法算式，例如，7有幾種分法？

設計意圖：運用成語故事引入，讓學生感受謙讓的良好品德，同時引出數學問題——同一個數為和的不同加法算式有幾種？加強學生發散思維的能力，引出編程場景——摘梨。

項目搭建

本課的場景化是“摘梨”，項目是搭建全向移動小車，并設計路線以便“摘”到更多的梨。所需材料為：主控器（運行程序）1個、電池（供電）1個、拓展電機（執行器）4個、拓展模塊（連接主控與電機）1個、麥克納姆輪（全向移動）4個。

搭建全向移動小車的核心部件是麥克納姆輪。這種全方位移動方式是基于有許多位于機輪周邊輪軸的中心輪的原理，這些成角度的周邊輪軸把一部分機輪轉向力轉化為機輪法向力。麥克納姆輪使用不同的搭建方法需要不同的受力計算，這里為了適配軟件算法，對麥克納姆輪的安裝方向作了統一規定。

將4個拓展電機以就近原則接在拓展模塊上，將拓展模塊接入主控，主控連接電池，將麥克納姆輪按照規定方向接在拓展電機上。

設計意圖：組織學生在組裝硬件的同時，理解每一部分在項目實現過程中所發揮的作用，從而在接下來的案例編程中更加合理地使用這些硬件。

角度設置

組裝完機器之后，我們需要了解如何使小車進行全向移動。雖然使用了4個電機，但是我們可以把它們當成一個整體進行控制。麥克納姆輪的控制模塊有3個參數：速度、時間、角度。速度范圍是0?100，正向越來越快，反向加上“-”。時間指的是機器運行到停止的時間。這兩項比較好理解，我們需要了解的重點是角度設置。全向指的是0?360°，可以通過圖2了解麥克納姆輪的角度設置規則（注：這里的移動方式都是平移）。

可以通過簡單舉例協助記憶，把角度圖想象成方位圖，太陽東升西落，東的位置0就像太陽，由東到西依次增加角度，反向則是把同一條線的兩端角度對換。

解決角度設置問題，我們只需要在AIcode圖形化編程軟件中通過模塊對機器進行控制就可以了。例如，圖3所示模塊的運行情況是以50的速度向前進，1秒鐘后停止。

設計意圖：通過了解運動模塊的角度設置規則，加深對編程模塊的理解，為場景式項目編程作鋪墊。

場景式項目

場景式項目可以在同一有趣場景設置下，通過改變設置或者有依次遞進的多種不同難度。

教師進行場景項目講解

果園摘摘摘：不同數量的梨的卡片被隨機安排在場地中組成地圖。機器輪子覆蓋的卡片上梨的數量為每輪的得分，學生可運用編程模塊設計機器路線，盡可能獲得更高的分數。可以設置競爭機制激發學生的競爭意識，也可設置團隊分組進行小組對決。

地圖示例（圖4）

教師與學生分享路線（圖5）

●如何獲得全部得分？

●如何設置角度？

學生依據地圖自行設計路線

提升難度

加入動物選項，動物是減分項，壓到1只動物減2分。你會怎么設計地圖？怎么設計最優路線呢？你還有什么可以提升難度的想法？

設計意圖：通過難度循序漸進的案例，讓學生逐步掌握全向運動模塊的使用。場景式教學主要提供場景和知識點，給予學生最大程度的自由進行編程設計，不設置標準答案，每個學生都可以自由編程。教師主要起引導作用，引導學生探索問題的多種解法，引導學生進行深入地思考。通過讓學生計算得分練習數學計算，用一種較為有趣的方式將數學與編程結合起來。

拓展延伸

在前面的環節中，學生會獲得不同的積分。在這個環節可再設置一個加分項，請他們通過依次說出帶數字的四字詞語獲得加分。

設計意圖：通過前面的項目挑戰，學生練習了數學計算與編程，獲得了不同的積分。但是，有的學生比較擅長數學，積分就會比較高。通過拓展環節，可鼓勵學生綜合發展，也能更好地實踐學科融合。

項目展示

教師挑選部分學生的作品進行展示與評價。作品的挑選與評價可以參考以下幾方面。

●項目要求的完成度：是否實現了項目描述的基本功能？

●個人創新程度：加入了哪些具有特色的變化？

●是否反映了編程過程中學生普遍存在的問題？

設計意圖：讓學生對作品進行展示與講解，分享自己項目的優點與不足，并在教師評價與組內討論中尋找解決方式與靈感。對自身進行反思，汲取經驗，進一步提升自我。同時，也在分享之中獲得認同與快樂。