項目式學習在小學人工智能課程中的實踐

鐘春蘭

摘 要：文章以“遙控機械手”為項目式學習的主題，開展小學人工智能項目式教學。學生通過掌握遙控機械手活動的基本原理以及紅外傳遙控器的工作原理，逐步建立遙控機械手的感知模式，并學習動手搭建機械手，同時利用ScratchPi可視化程序軟件，進行編寫機械手檢測物品、進行數據處理等程序，并通過運行調試與整理程序，進而完成對機械手的抓取、擺放、抬升和推動的功能。

關鍵詞：項目式學習;人工智能課程;“遙控機械手”課程

一、項目主題內容分析

“遙控機械手”課程選自“基于STEM理念的智能桌面實驗盒”的人工智能教學的自編教材，設計意圖是拓展ScratchPi可編程電子積木與樂高結合的應用，幫助學生了解學生機器人的“拓展積木”和“輔助設備”，同時要求學生能選擇合適的擴展模型來構建所需要的機械手結構，并完成編程、調試與整合。

二、項目教學目標

掌握機械手活動的基本原理;掌握紅外傳遙控器的操作基本原理;動手搭建機械手;編寫程序實現機械手檢查物品并進行適當處理的標準操作。

三、項目任務

本項目的主要教學對象為學校五六年級學生，他們在常規教學課堂上已經掌握計算機中常見的應用軟件，對電腦的實際運用較為熟悉，同時他們也有著ScratchPi課程的學習經歷，已經掌握傳感器的基本含義和有關的活動方法，并熟悉使用ScratchPi的應用軟件進行程序設計。本項目式學習根據學生已經有的知識技能，制定以下項目任務。

（一）了解機械手的結構功能

對機械手的設計與制作進行分解，把本課要創作的機械手分解成：了解機械手的結構;分析機械手的主要功能;拼裝機械手并使用軟件實現其功能。

（二）動手搭建機械手

1. 器材準備：直流電機控制器、主控器、電機、紅外收發器、紅外遙控器和積木配件;

2. 根據搭建手冊，小組合作動手搭建機械手。

（三）編寫程序與測試

1. 了解機械手的功能需求：①當紅外遙控器上鍵被按下，機械手上移;②當紅外遙控器下鍵被按下，機械手下移;③否則（不按外遙控器），機械手懸停;④當紅外遙控器左鍵被按下，機械手收攏;⑤當紅外遙控器右鍵被按下，機械手張開;⑥否則（不按外遙控器），機械手懸停;

2. 學習條件判斷程序塊：①機械手要對遙控器的哪個按鍵被按下做出準確的判斷，依靠的是“條件判斷程序塊”。當偵測條件成立時，執行“如果”框內的程序腳本模塊;②可以添加程序塊，實現多個條件的判斷;③思考如何用程序實現機械手的功能需求呢？與教師一起書寫程序流程圖;

3. 動手編寫程序;

4. 上傳程序與測試。

四、項目實施過程及學生學習成果

（一）器材材料

直流電機控制器、主控器、電機、紅外收發器、紅外遙控器和積木配件。

（二）實施模式

從教學目標來看，“遙控機械手”項目學習不是從研究機械手的形狀與結構方面切入，而是側重于讓學生借助編程思維理解機械手的工作原理，工程設計和技術應用所占的比例相對較低。

（三）將項目分為前期準備、實施過程和后續活動三個環節

在項目實施過程中，學生主要經歷“理解原理—需求分析—硬件搭建—程序設計—交流展示—反思總結”的過程。教師給學生設置合理且有趣的探究任務，引導全體學生積極參與，指導他們獲取有價值的信息，同時有效地控制課堂氣氛和秩序，幫助學生達成每一個學習目標。

（四）具體過程

在整個項目執行階段，教師設計了“初建—反思—再建—交流”四個環節。每個環節涵蓋“合理預期”“促進參與”“引導發現”“控制秩序”“歸納總結”五個項目實施要點，讓學生運用數學方法與信息技術進行數據分析和匯總。

1. 了解機械手的結構和功能

教師播放珠江啤酒廠的自動化生產視頻，引導學生講述與機械手有關的背景知識，如機器雙臂是一個能夠模擬人手和臂的某種動態控制功能，用于按定程式抓取、移動物體以及操縱工具的手動操縱裝。這一活動的目的在于讓學生把課堂知識與實際相聯系，激發學生的學習興趣和積極性。

當學生的激情被調動起來后，教師向學生展示機械手的功能：上移、下移、收攏和張開。隨后教師給學生布置任務：“請你們討論機械手的功能，書寫需求分析和程序流程圖（如下圖）。”教師將學生分成4人一組進行簡短的討論，確定機械手需要實現的功能，并商討如何搭建機械手。鑒于這是學生第一次搭建機械手，教師需要給學生提供完備的器材和詳細的搭建手冊。

2. 動手搭建機械手

學生按團隊所討論的搭建方法參與搭建活動，在搭建的過程中，可以加入自己的創意，使得機械手盡可能簡單又實用。這個過程中教師要注重觀察學生的一些活動細節并給予及時的指導，對于遇到困難的學生，教師要輔助他們找到所搭建機械手存在的各種問題，并通過與其他團隊互動獲取有用的信息，為后續的改進和測試積累經驗。

3. 程序編寫與測試

學生完成搭建任務之后，教師隨即引導他們進行程序編寫。教師首先詳細講授本程序需要用到的程序塊：條件判斷程序塊。

使用條件判斷語句可以在執行某個語句之前進行判斷，當偵測條件成立則執行“如果”框內的程序腳本模塊。條件不成立則執行“否則”框內的程序腳本模塊。學生根據教師的講解與前面書寫的程序流程圖，完成機械手程序的編寫。程序編寫完后，將程序上傳到控制器，打開電源開關，拿出遙控器，按“上、下、左、右”鍵位，觀察機械手是否聽指令。

4. 展示與交流，聚焦搭建與編程中的心得

教師組織學生互相介紹他們的機械手。教師提前準備主要教學內容、與有關知識的鏈接等，并指導學生通過機械手實物進行的分步法演示作業與講解，讓學生進行集中反思和總結交流，力求使全體學生既能對知識獲得情況進行真實客觀的評估，也能加入到其他小組學生的知識評價中。

五、項目教學反思

本項目學習的宗旨是使學生掌握遙控機械手的基本構造并通過軟件編輯實現其遙控功能，能利用各種方法和配件積極地創新遙控機械手的結構設計，并培養學生獨立思考和共同探究的習慣。

（一）合理分配項目小組人員

項目式學習能否有效開展，主要取決于學生。項目式學習的合作小組的人員組成可由教師根據學生已經具備的能力、興趣愛好、性格差異等來安排，不太建議由學生自主選擇合作伙伴。項目學習的各項任務要考慮獨立完成和合作完成的比例，合適的比例有利于培養學生自主、合作、探究的合作學習能力。

（二）重視教學中的問題設計

“學起于思，思起于疑”，學生的思考總是從疑問出發。正確地指出問題和恰當地指導學生回答問題，是教學取得成功的關鍵。所以在本節課中，筆者重視緊扣教學目標，以領會知識和運用知識為前提，從分析作品功能需求到編輯程序代碼，一共設置五個問題，引導學生挖掘每個知識點之間的關鍵點，幫助學生理解和掌握重難點。

（三）注重培養程序開發意識

程序教學最關鍵的是程序設計思維的訓練，并從程序設計知識點中訓練學生運用程序設計解決實際問題的能力。培養學生的程序設計邏輯思維，實際上并不只是讓他們學會編程語言，而是在于訓練他們的邏輯思維能力，使他們明白編程語言背后的邏輯原理與方法。課堂上帶領學生一起分析用戶需求，結合所學提出設計方案并實施，培養學生在解決問題中形成可計算化的思維，形成利用編程工具解決實際問題的意識和習慣。

參考文獻

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