人工智能+教育：構(gòu)造有趣有用的編程課

王丹

【摘 要】編程教學(xué)作為人工智能+教育的重要部分，主要是通過編程來讓學(xué)生體驗人工智能，使其更好地適應(yīng)人工智能時代發(fā)展。本文以“智能入庫機器人”例探究將人工智能與教育有機結(jié)合，構(gòu)造有趣有用的編程課程，探索人工智能教學(xué)的開展路徑。

【關(guān)鍵詞】人工智能;人工智能+教育;編程教學(xué)

【中圖分類號】G434 【文獻標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2021）02、03-094-04

人工智能時代的到來，推動著各領(lǐng)域智能化發(fā)展的步伐。如何培養(yǎng)學(xué)生的人工智能意識和人工智能素養(yǎng)，也成為教育領(lǐng)域亟待解決的問題。而機器人能夠?qū)⑷斯ぶ悄艿募夹g(shù)應(yīng)用和學(xué)生的編程設(shè)想直接呈現(xiàn)。人工智能進課程的核心問題是如何把人工智能從技術(shù)形態(tài)轉(zhuǎn)換為學(xué)生感興趣、能接受的教育形態(tài)。

人工智能與編程教學(xué)

人工智能是借助計算機等設(shè)備模擬人類智能活動的技術(shù)，研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人類智能的理論、技術(shù)、方法及應(yīng)用系統(tǒng)，目的是探索人類智能的方法和實質(zhì)，并生產(chǎn)出能與人的智能相似的方式作出各種反應(yīng)的智能機器，從而在各行業(yè)中發(fā)揮作用[1]。

編程教學(xué)作為人工智能+教育的重要部分，主要是通過編程來讓學(xué)生體驗人工智能，使其更好地適應(yīng)人工智能時代發(fā)展。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中要求學(xué)生能描述人工智能的基本特征，會利用開源軟硬件平臺設(shè)計搭建簡單智能系統(tǒng);了解人工智能的新進展、新應(yīng)用，并能適當(dāng)運用于學(xué)習(xí)和生活中;能客觀認(rèn)識人工智能技術(shù)對社會生活的影響。可見人工智能課程教學(xué)的目的不是培養(yǎng)程序員，不是要求人人有高超的編程技術(shù)，而是讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)了解人工智能技術(shù)的基本原理，通過編程體驗人工智能技術(shù)應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的人工智能意識與素養(yǎng)。

在中小學(xué)中開展人工智能教育需具備教師、課程、設(shè)備、時間和環(huán)境五個基本條件[2]。教師從有機器人教學(xué)經(jīng)驗、對人工智能感興趣的信息技術(shù)教師中選拔，并為其提供專業(yè)的人工智能理論與實踐培訓(xùn)。課程可以從人工智能選修教材中選取，或從優(yōu)秀的編程教學(xué)案例或機器人教學(xué)案例中選取改編，也可以結(jié)合生活實際開發(fā)新的課程，設(shè)備涉及計算機、機器人等。教學(xué)時間可以安排在信息技術(shù)學(xué)科課程中，也可以安排在綜合實踐課程中。教學(xué)環(huán)境最好安排專用教室。

“智能入庫機器人”教學(xué)案例

高中學(xué)段人工智能能力培養(yǎng)目標(biāo)為理解與實現(xiàn)專題性人工智能技術(shù)，了解人工智能發(fā)展與應(yīng)用前沿。因此人工智能課程可以采用專題教學(xué)或項目式教學(xué)方法。很多公司都需要將貨物分門別類地存放入倉庫，在“智能入庫機器人”一課中，學(xué)生要探究如何借助人工智能技術(shù)幫助人們便捷、高效地進行入庫工作。這要利用人工智能中的語音識別、圖像識別等技術(shù)。課堂中，我們可以借助圖形化編程軟件DobotBlock及其內(nèi)部嵌入的人工智能模塊接口，實現(xiàn)機器人自動識別貨物并將其安放到指定位置，即智能入庫。完成這樣的程序設(shè)計，學(xué)生需要了解分支結(jié)構(gòu)與循環(huán)結(jié)構(gòu)等編程基礎(chǔ)知識及人工智能中的圖像識別、語音識別等技術(shù)。學(xué)生對人工智能很感興趣，有對新科技強烈的探究欲望，但對人工智能了解很少，多數(shù)只是停留在聽說過這個詞的認(rèn)識上，知道智能家居用了人工智能技術(shù)，但并不了解人工智能的內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)及其基本原理。這一內(nèi)容可以讓學(xué)生在較短的時間內(nèi)直觀地體驗到人工智能技術(shù)在生活中的應(yīng)用方法，了解人工智能技術(shù)的基本原理，逐漸樹立起利用人工智能技術(shù)解決問題的意識和思維，提高探究人工智能技術(shù)奧秘的興趣與熱情，為以后學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)課程、適應(yīng)人工智能時代生活方式打好基礎(chǔ)。

1.視頻導(dǎo)入，明確項目要求

情境再現(xiàn)是抽取實際生活場景片段以視頻、圖像、文字、表演等方式呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生快速融入學(xué)習(xí)情境中，激發(fā)學(xué)生的探索欲望，并引導(dǎo)學(xué)生從情境中觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題，提高解決問題的積極性。

首先為學(xué)生展示一段某公司倉庫自動化入庫的運作視頻，讓學(xué)生了解自動的、智能的貨物入庫正逐步取代手動的、人工的方式，體會人工智能技術(shù)在工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用與影響。引導(dǎo)學(xué)生在觀察視頻內(nèi)容的過程中，思考機器的運作流程，推理機器所具有的功能，如移動、旋轉(zhuǎn)、伸縮、識別、記憶，能認(rèn)識不同的貨物，知道入庫的要求，還了解不同貨物在倉庫中存放的不同位置，能夠移動貨物位置，可以連續(xù)完成多個入庫任務(wù)等。設(shè)計問題時要結(jié)合學(xué)生對人工智能的了解情況，不要超出學(xué)生的認(rèn)知范圍，適當(dāng)調(diào)整提問方式。如在觀看完上述視頻后，直接問學(xué)生其中用到了人工智能中的哪些技術(shù)，這樣的問題學(xué)生可能很難回答出來，但提問機器的工作流程、具備功能，學(xué)生在認(rèn)真觀察、思考后能夠較好地回答，在此基礎(chǔ)上進一步追問實現(xiàn)這些功能需要用到什么技術(shù)，層層遞進。

緊接著引出學(xué)習(xí)項目“智能入庫機器人”，介紹項目概況、機器設(shè)備，提出基本要求。由于課堂教學(xué)所用機器人不同于現(xiàn)實工作中的機器人，工作環(huán)境也大不相同，要結(jié)合實際情況簡化項目。倉庫場地用圖紙代替，給出關(guān)鍵區(qū)域（機器人位置、倉庫入口、貨物存放位置），不同貨物用不同顏色的小方塊代替。要求三種貨物隨機入庫，機器人能識別貨物種類并將其移動至指定位置。

2.問題分析，分解項目任務(wù)

拿到任務(wù)后，應(yīng)該冷靜地分析問題，有利于全面了解項目情況，理清思路，找出問題的關(guān)鍵所在。項目任務(wù)往往是比較復(fù)雜的、綜合的大任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生將其分解成一個個小任務(wù)，逐一突破完成。這也體現(xiàn)了“化大為小”“分而治之”的分解思維。

“智能入庫機器人”項目的總?cè)蝿?wù)是實現(xiàn)智能入庫，子任務(wù)為識別貨物、移動貨物。完成這兩個子任務(wù)又涉及一系列問題，如何讓機器人識別出貨物類型（圖像識別或顏色識別）、如何教會機器識別圖像或顏色（機器學(xué)習(xí)，建立模型并訓(xùn)練）、機器人如何移動貨物（吸盤吸取或爪子抓取）、如何讓機器知道把貨物放在什么位置（根據(jù)不同識別結(jié)果，指定不同的目標(biāo)點坐標(biāo)）等。這部分要注重引導(dǎo)學(xué)生思考討論，互相交流提出意見，并梳理結(jié)果。同時，分解任務(wù)也有利于學(xué)生之間開展分工合作，每個人明確自己負(fù)責(zé)的小任務(wù)，共同完成項目，讓每位學(xué)生都參與到學(xué)習(xí)中，真正地將小組協(xié)作落到實處。教師在這一環(huán)節(jié)做引導(dǎo)、補充或糾正，尤其是在新知識、新技能方面，如教機器識別圖像，學(xué)生并不清楚如何實現(xiàn)，不知道機器學(xué)習(xí)的原理，這時就要教師提供講解，解除學(xué)生心中的疑惑。

3.方案設(shè)計，呈現(xiàn)解決方案

明確問題與任務(wù)后，學(xué)生討論構(gòu)思方案，進行方案設(shè)計并將其呈現(xiàn)出來，可以選用文字、圖表、思維導(dǎo)圖、流程圖等形式呈現(xiàn)。在編程教學(xué)中，程序設(shè)計適合使用流程圖呈現(xiàn)解決方案。

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)項目要求，結(jié)合視頻演示與任務(wù)分解，梳理“智能入庫機器人”的工作流程，明確流程中的各個環(huán)節(jié)：（1）歸零，機器人啟動位置歸零，進入工作準(zhǔn)備狀態(tài)，隨時準(zhǔn)備迎接即將入庫的貨物;（2）卸貨，人手動把貨物放置倉庫入口處;（3）采集，機器人通過攝像頭獲取貨物的圖像或顏色，可將攝像頭安裝在機器人末端一側(cè);（4）識別，根據(jù)上一步采集到的信息判斷貨物類型并找到指定位置;（5）入庫，下移抓取貨物，運動到指定位置放下貨物;（6）歸位，運動至初始位置，等待下次任務(wù)。其中，識別貨物種類、找到位置需要借助軟件中的AI模塊接口，建立模型，讓機器學(xué)習(xí)各種貨物類型對應(yīng)的圖像或顏色，并用標(biāo)簽標(biāo)記，學(xué)習(xí)之后要訓(xùn)練模型，直至識別無誤完成訓(xùn)練。確定指定位置用分支結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，預(yù)設(shè)多種情況，以保證程序順利進行。這一階段只是初步設(shè)計，后續(xù)實施過程中可能會發(fā)現(xiàn)設(shè)計不合理或原先沒有考慮到的地方，甚至有了新的靈感或想法，可以邊操作邊修改設(shè)計。

4.問題解決，編程完成任務(wù)

問題解決需要把原先的設(shè)計方案變成現(xiàn)實來完成任務(wù)，是從思考到實踐的轉(zhuǎn)換，要求學(xué)生明確方案中的每一步需要如何實現(xiàn)。在編程教學(xué)中，主要可以采用圖形化編程或編寫代碼來完成程序。學(xué)生在信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)了Python編程的基礎(chǔ)知識，掌握算法三大基本結(jié)構(gòu)的語法與簡單實現(xiàn)，但編程能力不足，程序算法設(shè)計能力較弱，編寫完整的程序?qū)崿F(xiàn)特定功能比較困難，尤其是智能入庫這類現(xiàn)實生活中的復(fù)雜問題更為困難。因此，對于初步學(xué)習(xí)人工智能或編程基礎(chǔ)一般的學(xué)生，建議先使用圖形化的編程軟件搭建出框架，理順邏輯關(guān)系，再過渡到用代碼來實現(xiàn)程序。人工智能的實現(xiàn)需要有一定的編程能力、算法思想和人工智能應(yīng)用場景體會，也需要一定的硬件設(shè)備輔助實現(xiàn)。編程軟件中嵌入AI接口，使人工智能快速便捷地走進中小學(xué)課堂成為可能。在進行人工智能感知的視覺、聽覺等功能中，通過機器人設(shè)備或電腦上的攝像頭、麥克風(fēng)及相應(yīng)軟件實現(xiàn)，用時調(diào)用外部的人工智能接口，實現(xiàn)人工智能的感官功能;當(dāng)產(chǎn)生機器人認(rèn)知與決策后，機器人呈現(xiàn)動作反饋。

借助圖形化編程軟件，結(jié)合流程圖，學(xué)生逐步搭建程序模塊。學(xué)生邊做邊測試，即每搭建一個小模塊都測試運行，檢查其結(jié)果是否和預(yù)設(shè)一致，相對于全部搭建完再運行的方法，可以及時發(fā)現(xiàn)并改正錯誤，容易理清程序找出錯誤點，提高編程效率，也能一步步看到成果，提高學(xué)生的成就感和自信心，以更好的心態(tài)進行下一步操作。后續(xù)結(jié)合學(xué)生實際情況，可選擇是否用代碼來實現(xiàn)程序。

教師要引導(dǎo)學(xué)生在實踐中探索，當(dāng)學(xué)生產(chǎn)生疑惑，不知道或無法判斷選擇何種方法更好時，鼓勵學(xué)生勇于嘗試，比較分析，在試驗與比較中找出更優(yōu)的方案。對于學(xué)生基礎(chǔ)好、程序量少的情況，可以讓學(xué)生自主探究多種方法;學(xué)生基礎(chǔ)一般、程序量大的情況，可以分組探究，對照分析，得出結(jié)論。在實踐操作中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)雖然吸盤和爪子都可以拿取貨物，但到底哪種方法更適合、更高效呢？吸盤對貨物放置的坐標(biāo)要求很精確，稍有偏差就不容易吸住，爪子在這方面的要求則比較低，作用范圍較大，且吸盤對貨物的重量也有一定要求，只能吸取較輕的物體，重一點的很難吸取，在現(xiàn)實中不實用。貨物識別可以采用圖像識別和顏色識別兩種方式，哪種方式效果好、準(zhǔn)確率高呢？圖像識別對貨物擺放角度要求較高，換個角度很可能識別不準(zhǔn)，可以在學(xué)習(xí)時錄入多個角度的圖像以提高準(zhǔn)確率。顏色識別受背景顏色、環(huán)境光線等影響較大，需要多次學(xué)習(xí)背景圖像，最好采用純色背景，環(huán)境光線最好維持穩(wěn)定，避開靠窗位置，或補充固定光源。

即便是教師直接告訴學(xué)生會遇到哪些問題，使用哪種方法較好，學(xué)生如果只是停留在“聽”的階段，并沒有親身體驗，也難以真正地理解。而學(xué)生在實踐摸索中發(fā)現(xiàn)、對比，會受到視覺、聽覺、認(rèn)知等多方面的沖擊，直觀形象，印象深刻。如機器抓取貨物時，移動到貨物上方，設(shè)置為抓取狀態(tài)接著直接運動的話，很可能爪子還沒抓穩(wěn)貨物就開始運動，會導(dǎo)致抓取失敗或途中掉落，這是因為忽略了爪子狀態(tài)變化所需的時間。因此運動前可以設(shè)置1～2秒停留時間，確保抓好貨物后才開始運動。再如機器放下貨物時的高度，即縱坐標(biāo)的位置，如果高度太高，貨物掉落很可能會翻倒甚至彈出指定區(qū)域，如果高度太低，貨物已接觸到地面而機器還在向下運動，可能會損壞貨物或?qū)е聶C器發(fā)生故障，造成不必要的損失。因此，教師要注意適時、適量地講，有時“少言勝多言”。

5.評價反思，優(yōu)化解決方案

評價有利于學(xué)生全面地認(rèn)識自己的學(xué)習(xí)成果，了解其他同學(xué)的思想，互相學(xué)習(xí)，及時反思，不斷提高。反思包括兩個方面：一是對項目成果的反思，是否很好地完成了項目要求，有哪些可以提升的地方等;二是對項目本身的反思，對項目主題展開思考與討論，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力與社會責(zé)任感，不能為了完成任務(wù)而完成任務(wù)。

這一階段先讓學(xué)生匯報展示自己或小組的項目成果，介紹程序設(shè)計思路與框架，重點介紹創(chuàng)意設(shè)計、遇到的問題與困難、解決方法等，其他學(xué)生認(rèn)真觀察。比較程序的正確性（準(zhǔn)確完成任務(wù)要求）、高效性（運行時間較少）、簡潔性（代碼精簡結(jié)構(gòu)清晰）、創(chuàng)新性（有獨特的設(shè)計）、人性化（用戶體驗良好）等方面。除此之外，引導(dǎo)學(xué)生思考自己設(shè)計的程序和真正投入使用的程序存在哪些差距？如果將小程序應(yīng)用到現(xiàn)實中可能會遇到哪些問題？如貨物的形狀、大小不一，怎樣抓取不損壞貨物？還有哪些方式可以移動貨物到指定位置，圖像識別和顏色識別哪個更準(zhǔn)確、高效？如何設(shè)置貨物的擺放方式？如果在入庫前倉庫里已有部分貨物怎么辦？如何添加模塊實現(xiàn)入庫完成后反饋總結(jié)入庫貨物種類及數(shù)量的報告？要求根據(jù)學(xué)生實際情況，設(shè)計問題討論，選擇部分問題改進程序進行解決。

引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合項目學(xué)習(xí)體會展開專題討論，如這項技術(shù)除了智能入庫，還可以應(yīng)用到哪些場景中？智能入庫和人工入庫各自的優(yōu)勢與弊端？如果你是相關(guān)運營管理人員，你會選擇哪種入庫方式，為什么？對于智能入庫機器人取代人工入庫工作者，將有一部分人面臨失業(yè)的問題，你有什么看法？智能入庫機器人可能會帶來哪些新的就業(yè)機會？這些討論有利于拓展學(xué)生的思維，促進知識遷移，樹立正確的技術(shù)觀，增強社會責(zé)任感。

小? 結(jié)

人工智能應(yīng)用到教學(xué)中，充分利用編程軟件、AI平臺讓學(xué)生了解、體驗、應(yīng)用人工智能，從理論到實踐，從看、聽、說，到練、試、做，讓學(xué)生在編程中感受人工智能的神奇魅力與強大功能，逐漸提升人工智能素養(yǎng)。人工智能+教育不僅僅指編程教學(xué)，還包括人工智能理論、關(guān)鍵技術(shù)、法律法規(guī)、發(fā)展趨勢等，這些內(nèi)容如何在教學(xué)中開展，教師應(yīng)具備哪些人工智能素養(yǎng)和能力，還需進一步的研究與探索。

參考文獻

馬秀麟，劉靜靜，范晨雨. 教育人工智能發(fā)展?fàn)顩r分析及趨勢思考[J].中國教育信息化，2020（13）： 1-7.

王長華. 中小學(xué)人工智能教育存在的問題與對策[J]. 中小學(xué)信息技術(shù)教育，2020（10）： 63-65.

作者單位：江蘇太倉高級中學(xué)