利用水下機器人實施小學人工智能教育的實踐研究

邱莉

【摘 要】國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》提出在中小學階段設置人工智能課程。人工智能屬于交叉學科，具有明顯的技術特征，專業知識較難，基礎教育階段開設人工智能教育難度較大，教學案例較少，如何讓人工智能教育在學校真正落地實施是亟需解決的問題。本文立足區域人工智能教育現狀，將人工智能技術以水下機器人為載體呈現，依托區域環境，立足社會現實問題，對利用水下機器人促進小學人工智能教育的必要性、意義價值和策略進行重點闡述，以期對中小學人工智能教育提供一個切實可行的教學范例。

【關鍵詞】水下機器人;人工智能教育;區域水環境;水文化

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）012-062-04

機器人作為承載、運用、體現人工智能技術的有效媒介，能夠幫助學生認識理解人工智能知識。但機器人教育不等于人工智能教育，兩者屬于不同的技術領域。簡單來說，機器人是一種能夠半自主或者全自主工作的仿人機械裝置，人工智能是一種研究和開發用于模擬、延伸與擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的技術科學。我們可以把機器人作為人工智能的載體，而人工智能是機器人的“大腦”和“血液”，能夠幫助機器人像人一樣思考和運動。

當前，部分學校錯誤地將機器人教學與人工智能教育混為一談。在課堂中，沿襲傳統的講練結合或封閉式任務教學法，以簡單搭建組裝為教學任務，學生按照設定步驟完成機器人制作即可，連編程教學都弱化，僅讓學生按照書本或教師板書體驗完成。還有些學校的機器人教學單純與競賽掛鉤，專門聘請校外培訓機構人員對學生進行賽事輔導，部分校外培訓機構的機器人產品、課程缺乏科學規范，直接導致了機器人教育過于功利化，機器人競賽不公平、不公正。

本研究立足上述問題，嘗試以水下機器人作為推進區域小學人工智能教育的手段，結合區域環境特色，以解決社會現實問題為目標，制定融合人工智能技術的水下機器人教學內容，形成人工智能教育與教學融合方案，提升學生人工智能素養——人工智能鑒賞能力、理解能力和運用能力。

實施小學人工智能教育的必要性

從水環境中探尋“水文化”，創建優質校地共育模式。中華民族緣水而生，依水而存，因水而興。距今3600年前的甲骨文中就有“水文”兩字，足見水文化是中華文化和中華民族精神的重要組成部分。蓮石湖是永定河城市段最大的湖，是石景山區重要的利民工程。前期調研發現，石景山區水務管理部門對蓮石湖有較大的水資源勘測需求和水文化——“河長制”教育宣傳任務。筆者受托以上部門，以解決上述需求為目標，構建水下機器人特色實踐課程。我們組織學生利用水下機器人開展水體勘測，號召學生學習認識蓮石湖地理生態、文史哲、“河長制”等知識，形成學生參與社會生產、承擔社會責任、提升自我價值的有效途徑。

從“海洋強國”夢中汲取教育的力量，厚植愛國主義情懷。目前，海洋科技創新能力缺乏仍然是制約我國海洋強國戰略的關鍵因素。水下機器人作為探索、利用海洋的重要手段，在海洋資源探測、利用乃至未來高科技海洋戰場中都具有不可替代的作用。現階段，我國基礎教育階段水下機器人教育還未開展，還沒有形成課程。筆者認為，應該積極利用環境資源構建水下機器人創新實踐活動，引導孩子認識水下科技，全力培養未來海洋科技人才;在活動中號召學生認識區域生態文明建設規劃，理解國家戰略利益，正確認識個人與國家利益的關系，以強國之志鼓舞學生，以愛國之心感染學生，幫助學生從小樹立用科技報答家鄉、報效祖國的意識，厚植愛國主義情懷。

緊追人工智能發展趨勢，打造水下科技教育特色。在過去70多年，水下機器人與人工智能共同走過了曲折漫長的發展歷程。目前，我國尚未出臺中小學人工智能課程國家標準，中小學人工智能課程體系不完善，急需可落地實施的課程方案。21世紀是信息社會，又是海洋時代，人工智能推動著水下機器人不斷向前發展。故筆者認為，水下機器人可以作為體現人工智能技術，實施人工智能教育教學的有效手段，幫助學生正確認識人工智能，提高人工智能素養，打造區域水下科技教育特色。

實施小學人工智能教育的意義和價值

本研究依托區域地理環境，結合相關職能部門需求，以水下機器人作為承載、運用、體現人工智能技術的有效媒介，探索人工智能與中小學教育教學的融合方式，形成科學、規范、實踐性強的本土化人工智能特色課程。

（1）學術價值。彌補了中小學水下機器人課程開發相關研究的不足，補充和豐富了中小學人工智能課程體系研究，為后續人工智能課程開發、教學方法改進、實施途徑拓展提供一定理論基礎和研究借鑒。

（2）應用價值。為中小學開展水下機器人教育、人工智能教育提供課程方案;依托區域環境特色，從實際問題出發，建立本土化的人工智能課程，創新本土化校地共育模式，形成學生利用人工智能技術解決現實問題、參與社會生產、承擔社會責任、提升自我價值的有效途徑。以“水載科技”“科技助水”的教育理念激發學生人工智能學習興趣，為培養具有中國傳統水文化底蘊，扎實的人工智能知識基礎，具備發展潛力，富有創新意識和立志于科學報國的預備性人才提供策略和模式。為北京母親河——永定河水文化教育提供課程方案，實現永定河育人價值;響應海洋科技強國戰略號召，促進海洋科技啟蒙，提高水下科技在中小學教育中的地位，增強中小學海洋強國意識，形成培養海洋科技人才的有效途徑。

實施小學人工智能教育的策略

本研究以現代教育技術理論為指導，運用系統論和建構主義理論來構建促進小學人工智能教育的水下機器人綜合實踐課程。小學新課改的理念以及核心素養的培養貫穿于研究過程當中，路線實施研究力求兼具校內教學和校外實踐，構建全過程全方位的綜合實踐教學方案（圖1）。

1.課程開發實施策略

課程開發從水務水資源勘測需求出發，結合技術調查，設計開發利用水下機器人開展蓮石湖水體總量測量活動方案;請科研部門水下技術專家論證水下機器人測量水體總量方案的科學性、可行性;制定、講授有關測量活動的教學內容;實地開展利用水下機器人測量蓮石湖水體總量實踐活動;測量蓮石湖水體輪廓、深度、高度，完成數字建模及水體總量計算;將蓮石湖水體勘測數據結果反饋至區水務管理部門評價;學生形成活動報告、蓮石湖水文化作品創作;學生完成學習項目報告。具體流程如圖2所示。

2.課程內容策略

模塊一：此模塊以水下機器人制作的知識技能學習為主，形式以校內課堂教授為主，教學內容包含水下機器人知識技能學習、人工智能知識技能學習等。教學過程融合了勞技、物理、數學、工程、美術等多學科知識，一方面提升學生人工智能的鑒賞、理解能力，另一方面提升學生綜合應用多學科知識解決現實問題的能力，全面提升核心素養。

模塊二：此模塊課程內容以水下機器人、人工智能技術應用與實踐為主，形式以校外綜合實踐為主——利用水下機器人開展水體總量勘測活動。學生完成模塊一的學習，走出課堂，學習運用人工智能技術解決現實生活問題。學生在真實環境中成長、鍛煉，將書本知識運用到社會實踐之中，提升綜合運用各學科知識認識、分析和解決現實問題的能力，從而全面促進核心素養的提升。

模塊三：此模塊為課程延伸內容——水文化探尋與思想政治教育。本研究的水文化是指區內湖泊水體承載的文化形態。其主要包括三種：物質形態，即水環境、水工程、水工具等;精神形態，即水承載的文史哲精神;制度形態，如“河長制”等。本模塊圍繞水文化的三種形式展開，引導學生在水文化探尋的過程中尋根覓源，增強文化自信，從小樹立保護水源、回饋家鄉的意識;從水的制度文化中了解國家有關水資源保護的規劃、法規、基本國策等，形成關心國家政策、服從國家利益、服務國家發展的大局觀，厚植愛國主義情懷。

3.課程實施過程中遇到的問題

本課程內容從構建到實施歷時三個學期，最終完成蓮石湖水域主庫區水體總量測量。整個過程遇到的問題與困難較多。

前期水下機器人搭建學習中遇到很多問題，如機器人結構缺乏科學性，浮力配重不科學;學生第一次設計制作用于水下測量作業的機器人，主體框架PCV管防水密封處理不到位，導致機器人需要定時上岸控水。后期校外實際測量實踐中，機器人在真實水環境下作業時同樣遇到很多問題。如在游泳池的靜態水中調試過的水下機器人進入實際湖水后，面對水流風速、水藻植被、垃圾障礙等干擾因素，需要諸多改進;由于人力物力有限，我們在測量點選取上采用間隔30米的選點方式規劃了377個點位，無法覆蓋整個湖域所有細小點面，對測量結果造成一定誤差;由于經費受限，無法購買使用精準度更高的測量設備，一定程度上影響了測量數據的精準性等。

為方便實施，本次課程最終選定區域內緊鄰蓮石湖水域的某小學開展，小學生由于知識儲備有限，在設計制作水下機器人的時候難度較大，未來計劃在現有的課程基礎上，向區域內的中學推進，期望取得更好的教學實踐成果。此外，課程將制定更加具有科學性的實踐方案，多次分季節、分水位測量環石景山水域水體總量，形成不同時期、不同水位的有效數據對比，提供更精確的測量結果，幫助水務管理部門最終在蓮石湖湖心設立水位標桿，明確標注水位。未來計劃在本區域其他水域開展相同的水資源勘測活動，并加入更多有意義的實踐活動，如打撈湖里垃圾、測量水體水質、檢測湖內物種多樣性等活動，讓學生有更多學習實踐成長的機會。

本次課程成果受到了區水務管理部門、科研部門、教育職能部門的認可。未來我們將繼續依托區域環境，利用水下機器人構建人工智能特色課程，提升本區域學生的人工智能素養。在培訓中不斷地實踐、研討、修改、完善，形成完整的課程體系，為人工智能教育在小學落地實施提供可參考的教學案例和創新實踐課程，期望為中小學人工智能教育略盡微薄之力。

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