高中人工智能項目活動設計

【摘 要】聚焦信息科技學科核心素養(yǎng)，探討Micro：bit在高中信息技術人工智能、數(shù)據(jù)分析項目教學中的應用。本文結合Micro：bit的項目教學案例“學習環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)”“停車場智能管理系統(tǒng)的開發(fā)”“景區(qū)智能門禁系統(tǒng)的開發(fā)”等設計，探討將算法、數(shù)據(jù)分析、人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術等知識內(nèi)容落實在項目式教學實踐中的過程與方法，從而實現(xiàn)學生在“合作—探究”學習中體驗項目的方案設計、功能實現(xiàn)、數(shù)據(jù)分析、人工智能應用等，完成知識的內(nèi)化、遷移、創(chuàng)新應用，提升信息技術核心素養(yǎng)。

【關鍵詞】人工智能；項目式教學；高中信息技術；Micro：bit

【中圖分類號】G434" 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）012-055-02

建構主義認為學習者的知識是在一定情境下，借助他人的幫助如人與人之間的協(xié)作、交流，或利用必要的信息等等，通過意義的建構而獲得的。理想的學習環(huán)境應當包括情境、協(xié)作、交流和意義建構四個部分。其中，學習環(huán)境中的情境必須有利于學習者對所學內(nèi)容的意義建構。

高中信息技術項目式學習強調(diào)學習情境的真實性，學生應該在真實的情境中建構知識，強調(diào)“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”的學習模式。學生自己動手完成感興趣的、與實際生活相關的項目，在對項目進行科學探究中，將抽象知識和實際問題結合，經(jīng)過動手實踐，發(fā)現(xiàn)與解決問題，從而自主建構知識，開發(fā)潛能。在恰當?shù)膯栴}情境中，學生體驗、感受知識的生成過程，在團隊協(xié)作下掌握新知識，將知識與現(xiàn)實生活相聯(lián)系，在提出新問題、解決問題的不斷迭代中獲得進步。

Micro：bit等開源硬件支持各種傳感器的使用，可以與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術、數(shù)據(jù)采集、分析技術等相結合進行系統(tǒng)設計和開發(fā)。Micro：bit開發(fā)板是一款可用于中小學信息科技教學的開源硬件，自帶藍牙、加速度計、電子羅盤、可編程按鈕、可編程 LED點陣等。相比Arduino、樹莓派等開源硬件，Micro：bit支持Python編程這一特性更加適合高中信息技術的教學，學生在項目中更有積極性，可以更好地開展沉浸式深度學習。學生的成果也更加多元、立體，其創(chuàng)新意識得到鍛煉，思維可以得到更好地發(fā)展。

數(shù)據(jù)采集分析與可視化項目活動設計

1.“學習環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)”項目

義務教育階段的信息科技學科教學強調(diào)科和技并重，提升學生知識遷移能力和學科思維水平。學科思維的培養(yǎng)應當按照學生的認知和發(fā)展規(guī)律落實在教學中，應該是螺旋上升的。

在高中階段，學生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)可以落實在“了解數(shù)據(jù)采集、分析和可視化的基本方法”的教學上，學生能根據(jù)特定問題解決的需要，利用多種途徑對需要的數(shù)據(jù)進行采集和分類，并通過甄別不同數(shù)據(jù)分析的優(yōu)劣，選用合適的方法對采集的數(shù)據(jù)進行分析和整理，最后實現(xiàn)對結果的可視化表達。

對于數(shù)據(jù)采集，我們往往會想到“網(wǎng)絡爬蟲”方式、調(diào)查問卷方式等。其實開源硬件在數(shù)據(jù)采集上為我們提供了明顯的便利。利用開源硬件與傳感器，我們可以獲取直接、真實的數(shù)據(jù)，在此基礎上進行數(shù)據(jù)分析更加有意義。

“學習環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)”項目可以借助Micro：bit與聲音傳感器進行數(shù)據(jù)采集和分析。在項目中，數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)方式如下：設計“實時監(jiān)測”功能，控制聲音傳感器定時獲取外界噪聲數(shù)據(jù)，存儲到文件中，對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析、計算，得出平均值、中位數(shù)等描述集中趨勢特征的數(shù)據(jù)，以及方差、標準差、極差等描述離散程度的特征數(shù)據(jù)。根據(jù)特征數(shù)據(jù)的值，可以以Micro：bit不同點陣圖形的方式表達噪聲等級。學生分組完成“學習環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)”的硬件搭建、程序下載、功能測試、數(shù)據(jù)保存等活動，通過體驗、測試完成系統(tǒng)功能，理解數(shù)據(jù)采集功能的實現(xiàn)原理。

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析及結果顯示環(huán)節(jié)，重點是探究監(jiān)測結果的特征值計算。學生對顯示的兩組噪聲數(shù)據(jù)進行對比分析，通過數(shù)學知識的遷移，說出數(shù)據(jù)的描述方式：集中趨勢——平均值、中位數(shù)，離散程度——方差、標準差。設計相應的算法對存儲在列表中的噪聲數(shù)據(jù)進行計算，通過相應程序得到噪聲數(shù)據(jù)的平均值、中位數(shù)、方差、標準差等。

2.“景區(qū)智能門禁系統(tǒng)的開發(fā)”項目

借助Micro：bit與傳感器，我們可以設計出多種數(shù)據(jù)分析與可視化的項目。例如對傳感器監(jiān)測到的溫度、濕度、空氣質(zhì)量、人數(shù)、水質(zhì)進行可視化分析等。在“景區(qū)智能門禁系統(tǒng)的開發(fā)”項目中，可以模擬疫情期間游客進出景區(qū)的情境。

此項目數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)做了如下設計：當游客進園、出園通過智能門禁時，系統(tǒng)自動記錄存儲入園時間、游覽人次等數(shù)據(jù)，播報當前園內(nèi)人數(shù)等。這一項目環(huán)節(jié)的設置旨在使學生體驗數(shù)據(jù)分析的一般過程，掌握數(shù)據(jù)分析的一般方法和數(shù)據(jù)可視化的呈現(xiàn)形式，了解Python數(shù)據(jù)分析技術的實現(xiàn)。

各小組學生在進行自主探究時，應該有如下的數(shù)據(jù)意識：哪些數(shù)據(jù)需要收集，如何存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以進行什么樣的分析，如何合理地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。

學生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)體現(xiàn)為通過數(shù)據(jù)的分析和呈現(xiàn)可以幫助園區(qū)管理者做決策。例如小組可以篩選出需要的數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)表等形式存儲數(shù)據(jù)，其中一些小組會設計方案對游園人數(shù)進行統(tǒng)計并呈現(xiàn)一段時期游園總?cè)藬?shù)、平均值、峰值；另一些小組設計方案對游客游園時長進行統(tǒng)計，或者統(tǒng)計出進園的黃金時段等等。

結合Micro：bit的人工智能項目活動設計

中小學人工智能教育主要以科普為主，義務教育階段學生注重感知、體驗生活中的人工智能技術應用，暢想未來生活。那么，高中人工智能教育中學生可以通過剖析生活中的人工智能技術案例，了解人工智能原理，借助Python支持的豐富的庫工具實現(xiàn)簡單的人工智能項目。開源硬件在人工智能項目中有著天然的優(yōu)勢。Micro：bit等開源硬件本身就可以通過擴展板、傳感器編程搭建智能機器人，也可以與百度AI等人工智能技術結合實現(xiàn)智能識別等。

“停車場智能管理系統(tǒng)的開發(fā)”“景區(qū)智能門禁系統(tǒng)的開發(fā)”兩個項目中均使用到了百度AI識別技術。

“停車場智能管理系統(tǒng)的開發(fā)”項目包含智能車牌、識別模塊和車位智能管理模塊。當停車場智能門禁感應到車輛進入，攝像頭獲取車牌號，程序?qū)嚺铺栠M行識別，并記錄車牌和駛?cè)霑r間。當車輛駛離時，從數(shù)據(jù)庫中查詢此車輛，計算停留時間。為了更精準地識別車輛，在光線比較暗的時候，系統(tǒng)自動補光。在人工智能環(huán)節(jié)的學習中，筆者以此作為情境主題，組織學生進行案例分析學習。

學生通過案例學習之后，可以將知識遷移到“景區(qū)智能門禁系統(tǒng)的開發(fā)”中智能門禁的設計上來，探究可以智能識別人臉、口罩等關鍵性信息的智能門禁系統(tǒng)。

結" 語

Micro：bit并不只是適合義務教育階段學生體驗和學習。在高中信息技術教學中，可以從數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)、信息社會等學科大概念入手，結合Micro：bit等開源硬件，設計出適合高中學生的項目活動。合理地借助Micro：bit等開源硬件，學生在項目中可以更好地了解信息技術的前沿知識、熱點知識，同時，學生可以有更多途徑實現(xiàn)知識遷移，這在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力方面將起到積極的作用。

作者單位：江蘇南京市江北新區(qū)教育發(fā)展中心