以機器人創新實踐活動促進人工智能教育開展*

丁吉

（連云港市云臺農場中心小學，江蘇 連云港 222000）

2016年，國家印發《國家創新驅動發展戰略綱要》，針對小學信息技術教學，連云港市海州實驗小學校成立科技社團，通過科技社團以及小學信息技術課堂，實現全方位、立體化的教學轉變，不斷推動信息技術教育模式的創新，提高學生的科學精神和創新思維，讓學生沉浸于豐富多彩的機器人創新實踐活動中，通過編程控制機器人，提高學生的創造能力。小學階段的人工智能教育主要包括數據和算法分析，教師可以通過科技社團開展機器人創新實踐活動，讓學生在實踐活動中接受人工智能教育，完成編程，提高自主學習能力。

一、小學信息技術人工智能教育的主要內容

1.了解機器人的基礎知識

在小學六年級的信息技術教材中，學生需要依靠機器人相關知識掌握人工智能技術，增強對人工智能技術的了解，提高自身的信息素養。首先，學生需要初識機器人，掌握機器人的概念、發展及歷史，主要分類。機器人的三大特征包括“大腦”“身體”和“動作”，其中“大腦”可以自動控制機器人的內部程序，“身體”決定了機器人的外在結構形態，“動作”是指機器人具備完成動作的能力，現代機器人建立在計算機技術和自動化技術的基礎上。

2.熟悉機器人的硬件結構

在學習機器人的過程中，學生必須掌握機器人所包含的硬件結構，例如控制驅動系統、傳感器等。在實踐教學過程中，教師可以引導學生對機器人的基本硬件進行組裝和拆卸，使學生由內而外地了解機器人。在后期的機器人創新實踐活動中，學生需要自主設計機器人的外觀結構，控制機器人，這些都要建立在熟悉硬件結構的基礎上，只有學生掌握了機器人的各個系統，熟悉了各部分功能，才能在外觀設計中融入自己的思想，保證機器人的應用效果。

3.針對機器人進行編程設計

編程設計是人工智能教育的重要內容，學生需要熟練掌握編程環境，了解編程方法和編程原理，對機器人進行編程設計，通過開發程序，控制機器人的動作。“機器人平臺軟件”是學生進行編程設計的基本軟件，只有在計算機上編寫相應的程序，機器人才能按照程序執行。首先，教師需要讓學生繪制流程圖，通過流程圖反映某一問題的解決步驟，然后認識“學生機器人”平臺窗口，體驗不同按鈕的功能，了解各類執行控件。在掌握編程軟件的基礎上，教師可以引導學生開展實踐，通過編程控制機器人。

4.綜合運用人工智能知識

通過學習機器人相關知識以及編程設計知識，學生最終需要應用人工智能原理，在具體的項目中完成實踐，參與機器人競賽、機器人項目制作。

二、機器人創新實踐活動對人工智能教育的促進作用

1.有助于提高學生的動手操作能力

在小學階段開展機器人創新活動，能夠有效增強學生對編程知識的認知，使學生靈活掌握各類機器人編程軟件，明確編程思路，發展學生的邏輯思維，提高學生的信息技術能力。小學階段是人工智能教育的啟蒙階段，教師必須將人工智能教學放在重要位置，一方面要讓學生感受人工智能對現代生活的影響，另一方面還要帶領學生鉆研人工智能技術，通過智能化機器人發掘其“智能”的原理，科學控制機器人，增強學生的創新能力，鼓勵學生將奇思妙想付諸實踐。機器人創新實踐活動具有較強的趣味性和實踐性，在信息技術教學中擁有較高優勢，有利于人工智能教育的開展。

2.有助于提高學生解決問題的能力

機器人創新實踐活動是一種以學生為主體的教學方式，學生可以直接參與到實踐活動當中，針對機器人進行編程，解決機器人程序中存在的問題，并在這個過程中增強自身的創新能力和自主學習能力。機器人創新實踐活動能夠實現STEAM 教育，融合科學、技術、工程、藝術、數學，學生可以打破學科界限，從實際的問題出發，通過自主探究、實驗、小組協作等方法，完成機器人創新實踐活動，在具體項目中優化實踐成果。

三、基于人工智能教育的機器人創新實踐活動的基本模式

1.創建機器人創新實踐活動基地

為更好地開展人工智能教育，學校需要為學生搭建機器人創新實踐活動基地，為學生準備充足的機器人創新實踐活動材料，科普人工智能的知識，營造充滿科技氛圍的校園環境，提高學生對現代科技的學習興趣。在初級階段，機器人的結構是重點教學內容，教師要讓學生掌握機器人的硬件，可以在機器人創新實踐活動基地中開展“簡易機器人制作”項目，鼓勵學生自己動手制作機器人。Arduino 機器人結構簡單，可以作為教學和實踐的工具，它主要包含控制器、傳感器、電機、機械結構等部分，零部件容易購買，價格低廉，教師可以在實踐基地中鼓勵學生邊動手實踐、邊學習機器人的硬件結構原理，引導學生連接電路，組裝機械部分，全面提高機器人制作效果。

2.形成創新型的教師隊伍

機器人創新實踐活動的開展需要融合科技社團、課外實踐活動、現場教學、科普講座等內容，需要全面增強學生對機器人創新實踐活動的興趣，提高學生對人工智能知識的掌握程度。科技社團主要由信息技術教師牽頭，其他學生要在教師的帶領下開展科技探究、知識學習、參觀交流等活動，所以教師的作用非比尋常，教師的信息素養、信息技術應用水平直接影響科技社團的運作。基于此，學校需要構建創新型的教師隊伍，引入相關行業的能工巧匠，聘用人工智能機器人的程序員、設計師，全面提高小學信息技術教師的創新能力和信息素養，提高教師對人工智能教育的重視力度，增強教師在機器人創新實踐活動中的作用。機器人創新實踐活動應該成為學校的特色活動，學校可以對信息技術教師開展培訓，構建機器人創新實踐活動的訓練體系，為教師和學生提供資源，讓學生在機器人創新實踐活動中收獲更多知識和技能。

3.充分發揮科技社團的作用

科技社團是小學生開展科技創新、實施人工智能技術學習的重要組織，在機器人創新實踐活動的開展過程中，教師需要以科技社團為依托，讓學生在玩中學，學中玩，充分激發學生對機器人的興趣，讓學生感受高新技術領域的最新概念。在科技社團中，學生能夠了解豐富的科技知識，為學習人工智能、參加機器人創新實踐活動奠定堅實基礎。基于科技社團，學生還可以和其他同學開展合作，科學分化活動時間和活動地點，共同完成機器人實踐活動項目。

四、機器人創新實踐活動的開展策略

1.連接課內課外“兩個課堂”

機器人創新實踐活動需要與小學信息技術課堂相連接，教師要連接課內課外“兩個課堂”，充分發揮第一課堂的教學作用，同時發揮第二課堂的實踐作用，利用第二課堂開展機器人創新實踐活動，對機器人相關知識進行科普，提高學生的創新能力和實踐能力。在第二課堂中，教師需要讓學生了解機器人的制作原理，引導學生學習機器人的典型算法，提高學生對編程語言的熟練程度，并開展豐富多彩的電子實訓，讓學生獲得動手能力的提高。通過實踐訓練基地和實驗室教學，教師可以讓學生上機操作，做到理論與實踐相結合，全面提高學生對機器人創新實踐活動的熱情。Raspberry-Pi 機器人可以應用于程序開發，支持C++、Python 等編程語言，可以充分融合電腦和單片機的優勢，在機器人創新實踐活動中發揮作用。為了更好地連接課內和課外“兩個課堂”，教師可以在課內教學中講解Python 等編程語言，讓學生掌握人工智能算法，增強學生的信息素養。在第二課堂活動中，教師可以組織學生對RaspberryPi 機器人進行編程，運用Python 編程語言，結合人工智能算法，讓機器人實現智能化。RaspberryPi 廣泛應用于物聯網以及人工智能領域，教師可以指導學生在系統中增加語音識別、圖像識別等功能，通過算法知識讓機器人對外界物體進行檢測，控制機器人對物體進行追蹤，提高機器人的智能化程度。針對小學六年級學生而言，學生已經具備了一定的編程能力，可以運用Python 對機器人進行簡單編程，還可以充分發揮創新思想，運用控制機械手舵的方法讓機器人完成抓取物體的動作，增強對機器人的控制。

2.組織假期活動與技能比賽

在小學信息技術教學中，教師可以充分利用寒暑假時間，開展機器人創新實踐活動，讓家長廣泛參與到活動當中，開展親子技能比賽。家長是學生的引路人，家長在機器人創新實踐活動中的參與可以進一步調動學生的積極性，提高學生的創新思維。在以往傳統的技能競賽中，很多競賽都沒有充分發揮學生的自主性，大多是由教師進行實踐，學生觀看、模仿，這類競賽難以提高學生的動手實踐能力，學生的信息素養和科技創新能力會停滯不前。針對這種情況，教師可以結合興趣小組，讓學生以小組為單位，開展趣味競賽，鼓勵各小組學生自主設計、自主操作，家長和教師負責對學生的比賽結果進行打分，科學評價學生的設計理念、實踐操作成果，全面發揮競賽的價值，讓學生擁有更大的實踐空間。例如在“翻越障礙”的機器人競賽中，教師可以為各個小組制定比賽規則，引導各小組自主設計機器人的外形，通過編程的方法控制機器人行為，讓機器人爬越障礙物。在比賽開始之前，教師和家長需要共同設計比賽場地，用塑料軌道、紙板等材料布置障礙物，塑造出復雜的地形，標注出起始地點、必經路線、終點，各小組的學生需要對機器人進行設計，讓機器人穿越復雜地形，完成抓取任務，并將抓取物體放到指定位置，比賽的評價標準包括所用時間、目標完成程度。通過技能比賽，各小組的學生可以通力合作，發揮自己的一技之長，提高自身的創新能力，在控制機器人、完成比賽的過程中收獲成就感。家長的參與能夠進一步優化競賽氛圍，增強學生的自信心，提高競賽的開放程度，有利于比賽效果的提高。

3.利用校企合作豐富教學內容

在小學信息技術教學中，可以充分利用校企合作，教師在校企合作的基礎上豐富創新實踐教育的形式，讓學生接觸先進的人工智能技術，了解機器人在不同行業中的應用效果。在課余時間，教師可以帶領學生參觀工業制造企業中的人工智能機器人，例如高鐵巡檢智能機器人、倉庫分揀智能機器人、客戶服務智能機器人等。不同類型的機器人擁有不同的功能，例如交互型機器人，這一類機器人可以與操作員或者程序員進行人機對話，操作員可以通過語言的形式對機器人進行控制，而自主型機器人可以完成一些模仿人類的任務，不需要外界人為的干預，具有一定的自主性，能夠對外界進行感知，及時處理問題，對事件進行決策和執行，獨立性較強。除此之外，還有傳感型機器人，這類機器人的智能化程度較低，內部只有感應機構和執行機構，是一種受計算機控制的機器人。通過實地參觀，學生可以親身了解不同機器人的類型，深度掌握機器人的工作原理，提高對機器人相關知識的學習興趣。基于校企合作，教師還可以引導學生在企業內進行實際操作體驗，了解先進機器人的編程過程，達到開闊學生視野、提高學生創新能力的目的。

在新的時代背景下，我國致力于培養創新型人才，旨在提高人才的科技素養，增強人才的實踐操作能力。在小學信息技術教學中，人工智能教育已經成為重點教學內容，作為信息技術教師，需要組織更多開放型、創新型的教育教學活動，讓學生在活動中鍛煉動手能力，提高創新思維，從而樹立探究科學、創造創新的教學目標。機器人創新實踐活動能夠有效促進人工智能教育的發展，學校需要不斷優化師資隊伍，在校內建立機器人創新實踐活動基地，為信息技術教學奠定堅實基礎，為學生開辟廣闊的實踐空間。在機器人創新實踐活動中，教師需要充分利用假期時間，聯合課內課外“兩個課堂”，讓學生掌握更多的編程知識，參與機器人創新競賽，全面提高學生的實踐技能。