基于人工智能項目式學習主題作品在小學創(chuàng)客教育中的探索

梁建宏

【摘要】本案例以人工智能主題作品“智能洗手液擠壓器”項目式學習方式為例，提出在人工智能技術(shù)加持下，后疫情期，如何制作創(chuàng)客作品提高學生的衛(wèi)生意識，養(yǎng)成勤洗手的好習慣！從而使人工智能在小學創(chuàng)客教育的道路在探究前行。

【關(guān)鍵詞】人工智能;創(chuàng)客教育;項目式學習;開源硬件

人工智能教育的真正內(nèi)涵在于學習人工智能大學科背景下的各個門類的知識，并加以融會貫通，形成具體的制造智能硬件，改善智能程序，推動智能生活的技術(shù)能力與素養(yǎng)。它的意義在于對各行各業(yè)的滲透和影響，即使不從事專業(yè)的人工智能領(lǐng)域，也需要對其有認知、有感覺。項目式學習方式提供了很好的途徑。項目式學習的重點是以學生為中心，通過情境設(shè)計或問題導向，引導學生組建團隊，開展合作學習，在探究中完成學習任務(wù)

人工智能教育是一個廣義的概念，就目前來說，凡是將教育與AI結(jié)合起來的就可以算是人工智能教育，用通俗的話來描述人工智能教育就是：將人工智能與傳統(tǒng)教育相融合，借助人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)，打造一個智能化教育生態(tài)，通過線上和線下結(jié)合的學習方式，讓學生享受到個性化教育。

一、人工智能、圖形化編程與開源硬件的結(jié)合

隨著人工智能教育的不斷推廣與普及，人工智能在小學創(chuàng)客教育中也漸顯身影。當前，小學人工智能教學基本以圖形化編程教育為主體，以動手實踐為輔助，以身邊事物為研究方向。Mixly（米思齊）、Mind+、mPython、編程貓源碼編輯器、海龜編輯器以及騰訊扣叮這一類的圖形化編程類工具，能夠極大地提高自己的興趣，并且便于伙伴之間的相互交流，達成自己的成就。開源硬件類器材的成本比較接地氣，降低了學生學習的使用成本，讓人工智能教育的難度降低，對它的推廣也變得容易。學生是比較容易做出一些題材作品如：智能樓道燈、智能風扇、智能門禁等實例，功能簡單，實用性強，易于操作實踐。因此，在小學課堂要大膽地嘗試借助開源硬件開展人工智能實驗教學，在社團課程中構(gòu)建的探索。

二、題材選定與實施過程

根據(jù)當前學生的年齡特征和認知能力特點，選定題材范圍設(shè)計了這個“智能洗手液擠壓器”案例。先創(chuàng)設(shè)情境：在后疫情期，學生們已經(jīng)養(yǎng)成勤洗手的好習慣，學生洗手時，為了避免學生在擠壓洗手液造成二次細菌傳播的出現(xiàn)，而制作出非接觸、無壓感的“智能洗手液擠壓器”作品，只要在洗手時，把手靠近洗手液瓶子，洗手液就能自動被擠壓出來了。

這樣，我以此巧妙的設(shè)立情境去引導學生，讓他們自主探究出一個明確的方向和目標，在研究問題、分析問題解決方式的過程中感受和掌握相關(guān)的知識和技能。然后著手引出相關(guān)所需的開源硬件和人工智能模塊跟孩子一起探究如何使用。

1.所需的軟、硬件環(huán)境

1.1硬件：

掌控板、掌控I/O擴展板、非接觸式紅外溫度傳感器、超聲波測距傳感器、舵機和各類數(shù)據(jù)線。

1.2軟件：Mind+ 圖形化編程軟件

1.2.1 打開Mind+軟件（1.6及以上版本），選擇“上傳模式”。

1.2.2 打開“擴展”，在“主控板”“擴展板”“傳感器”和“執(zhí)行器”項目添加掌控板、micro：bit掌控I/O擴展板、非接觸式紅外溫度傳感器、超聲波測距傳感器和舵機等項目。

1.3實現(xiàn)的功能要求：

1.3.1當有人靠近人洗手時，伸手接近擠壓器，洗手液就自動擠壓出來，并顯示使用次數(shù)。

1.3.2實現(xiàn)對使用者的測溫并在掌控板上顯示體溫數(shù)據(jù)。

1.3.3實現(xiàn)溫度超過37.3℃警報。

2.各種傳感器的連接

2.1舵機連線：使用P0引腳注意關(guān)閉擴展板上蜂鳴器開關(guān)。

2.2超聲波連線：TRIG→P1、ECHO→P2、+5V→電源引腳、GND→GND引腳。

2.3 非接觸式紅外溫度傳感器連線：通信接口都采用I2C接口。

3.繪制工作流程圖

學生們在我的啟發(fā)誘導下，讓他們自主探尋出一個明確的方向和目標，去研究問題、分析問題并思考如何解決。接下來繼續(xù)引導學生根據(jù)設(shè)備的工作原理和工作流程繪制簡單的思維導圖或程序流程圖。讓學生更好的通過邏輯思維來思考學習、在編寫程序的過程中鍛煉邏輯思維能力。只有理清了問題解決的思路，才能對探究的問題、研究的作品進行下一步的開發(fā)與實踐。

4.搭建程序

根據(jù)皮亞杰建構(gòu)主義學習理論，讓學生理解人工智能和開源硬件教學目標設(shè)計，促進學生主動學習。然后引導學生們積極思考、探究目標并搭建出對應(yīng)的程序。通過項目式探究完成人工智能的作品制作后，程序的編寫是最終的蛻變環(huán)節(jié)，經(jīng)過此環(huán)節(jié)的探究學習，加強學生的邏輯思維、編程思維的培養(yǎng)，

5.創(chuàng)意造物

創(chuàng)客教育倡導以項目學習的方式，使用數(shù)字化工具，倡導造物，鼓勵分享，培養(yǎng)跨學科解決問題能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。這種項目式和跨學科的學習，必然要求在教學中跳出項目本身，從宏觀和整體角度看待要完成的作品。

我們這個智能洗手液擠壓器的材料，除了用鋁合金構(gòu)件，還可以采用3D打印、激光切割板材等用不同物料制作出各種結(jié)構(gòu)件進行創(chuàng)意造物。這方面涵蓋的知識內(nèi)容，包括學生最感興趣的 3D 創(chuàng)意建模、圖形化創(chuàng)意編程、開源硬件和動手制作、搭建等，并涉及科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學，是一種典型的STEAM 學習項目。讓學生在探索、研究、實踐、分享的過程中，也自然地將不同的知識整合起來，融會貫通，改變了以往被動學習的低效課堂模式。

三、項目式學習活動設(shè)計

LACID 理論認為教學系統(tǒng)由學習活動組成。學習目標是學習活動的重要屬性，學習活動的其他成分包括：活動任務(wù)、交互過程、學習工具、學習資源、學習成果和活動規(guī)則，其中交互過程包含學習方法和學習方式，學習資源包括信息組織和媒體形態(tài)。學習活動設(shè)計的核心是活動任務(wù)設(shè)計，并且所有設(shè)計的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)就是知識建模圖。

開展項目式學習的價值在于圍繞挑戰(zhàn)性的學習主題，提出問題，深度參與探究，從而獲得發(fā)展，提升核心素養(yǎng)和能力。項目式學習實施的理論基礎(chǔ)有建構(gòu)主義學習理論以及認知學習理論等。開展項目式學習，學生們通過自行探究，在具體的實踐情境中共同完成自己的主題作品。

四、結(jié)語

項目式學習方式同樣可以賦予學生更多主動探究學習的機會，圍繞擬解決的項目問題，在經(jīng)歷收集信息、獲取知識、探討方案、同伴協(xié)作、動手實踐等環(huán)節(jié)后，可有效促進學生的知識建構(gòu)、技能與能力的發(fā)展。

我們將通過項目式學習探究中進行實踐驗證，圖形化編程、開源硬件的搭建方式無疑是學習人工智能最佳的解決方案。

【參考文獻】

[1]李偉忠 基于項目式創(chuàng)客教育模式的教學探究[J]. 《中小學信息技術(shù)教育》 2019（5）.

[2]蘇曉靜，王曦廷，劉夢.基于開源硬件的中學人工智能課程設(shè)計與實踐[J]. 《中國信息化》2019（9）.

（責任編輯：周炎平）