開設人工智能教育，提升小學生科技素養

摘要：加強小學生科學素養教育，是培養未來創新型人才的重要途徑之一，在科技進步與社會需求的共同促進下，人工智能的發展日新月異，成為如今最熱門的一項科技。人工智能走進中小學的課堂，對于提高中小學生科技素養有極大的推動作用。通過學習創客教育和編程，不僅掌握計算機基本知識與技能，更能培養學生的邏輯思維和解決問題的能力，對小學生科技素養的提升尤為重要。

關鍵詞：人工智能；科技素養；創客教育

一、引言

人工智能（Artificial Intelligencn），英文縮寫AI，它主要是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。現如今不僅在各大高校開設人工智能相關專業，而且在中小學階段也設置人工智能相關課程，并逐步推廣編程教育。編程對于鍛煉學生的思維能力，激發學生的學習興趣，培養學生的學習綜合能力，鍛煉邏輯思維、創造性思維，提高小學生科技素養的重要作用。在實際生活中如何引導孩子們接觸編程，喜歡編程，并對培養學生的科技素養有什么幫助？如何發展和普及人工智能教育進行個人意見闡述。

二、人工智能對小學生科技素養的培養

（一）引發學生科技素養的興趣愛好

孔子曾說：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”“樂之”就是興趣，當學生對人工智能產生濃厚的興趣，就能產生強大的內驅力，就可以充分發揮學生主體的聰明才智，而興趣的產生往往要以相應的知識技能作為基礎。對于初次接觸編程的三四年級學生，我們應該怎么培養他們對人工智能的興趣呢？科技發展就是為我們的生活服務的，例如我們每天上下學，在十字路口或者學校門口都會遇到交通信號燈，想必是學生非常熟悉的東西，交通信號燈通常由紅、黃、綠三種顏色燈組成，按照設定好的時間節點順次運行來指揮交通。小學生就會產生很多的疑問：紅燈、黃燈、綠燈是按照什么順序依次閃爍的？閃爍的時間有什么樣的規律？能不能調節時間？當學生對這些現象產生疑問以后，我們就引導學生了解人工智能中的編程，并讓學生自己猜想假設某個紅綠信號燈的亮滅次序為：綠燈點亮30秒然后熄滅，接著黃燈點亮3秒然后熄滅，最后是紅燈點亮30秒再熄滅，并循環完成。那么學生先搭建紅綠燈結構架模型，然后組裝控制器、LED燈和電源，然后編寫程序：在“控制”列表中找到“程序開始”指令，添加到編輯區，然后添加外設模塊“LED燈”當“外設”列表中出現與LED相對于的指令時，編寫：打開“綠燈”端口電燈，延時30秒，關閉。打開“黃燈”端口電燈，延時3秒，關閉；打開“紅燈”端口電燈，延時30秒，關閉；打開“黃燈”端口電燈，延時3秒，關閉；添加“循環”模塊。然后點擊“上傳程序”，就可以看到綠燈、黃燈、紅燈順序點亮。

當學生看到自己編程就能控制紅綠燈的信號燈閃爍時間和順序，滿滿的自豪感，不知不覺中就會引發學生對人工智能的興趣。其中有些愛思考的學生會想到在紅綠燈的編程上加以改進，縮短紅黃綠燈的時間設置，都設定為5秒，就可以形成彩燈循環模式，學生忽然發現晚上高樓大廈周圍循環閃爍的彩燈原來是這么簡單的原理，只是人工智能中的初級應用就能解決，從而產生對人工智能繼續探索的興趣。同時引發學生再次思考：在現有的紅綠交通燈樣式和功能基礎上，想一想有沒有辦法能夠改良傳統的交通燈，讓色盲人群也可以正常的開車出行？學生通過自己動手組裝模型，自己動手編寫小程序，親自控制交通燈，感覺到成就感和自豪感，并對人工智能產生很高的興趣，想學習更多關于人工智能的知識來解決更復雜的問題。

（二）培養學生科技素養的探究能力

科學素養中需要小學生培養出科學探究的能力，重視培養學生獨立解決問題的能力。在人工智能的學習中會綜合學習到許多機械、電子、自動化、計算機軟硬件等知識，同時會運用許多傳感設備來實現，對學生拓寬視野，提高科學素養有很大幫助。走在馬路上，我們會發現路上鋪著黃色凸起的地磚，這是專門為盲人設計的盲道。盲人獨自出門的時候，都會使用拐杖探路，但是遇到前方有障礙物時，只有拐杖碰上障礙物才能知道，不小心碰上就會導致受傷，學生發現這個問題以后，就想幫助盲人解決難題，有的學生建議盲人出行時帶一個呼啦圈，有的學生建議拐杖前面水平安裝一節探測的木棍，各種意見如果實施起來，雖然可以解決問題但是也增加了盲人出行的負擔。這時有幾位機器人小組的學生提出：“如果拐杖能提前檢測前方是否有障礙物，就可以讓盲人出行更安全。”那么如何讓拐杖能夠檢測前方有無障礙物呢？善于細心觀察的學生就發現，汽車在倒車的時間，車上的倒車雷達會根據后方障礙物的距離而發出不同的聲音，來提示停車的距離。能不能把這個原理應用到拐杖呢？學生發現可以采用超聲波傳感器來檢測，利用超聲波遇到障礙物會反射的原理，只需要反復判斷拐杖距離前方障礙物的距離，如果小于安全距離，就發出提示音，提醒盲人。那么學生利用動手客控制板，超聲波測距器，蜂鳴器及結構件。

首先把控制器和測距儀、蜂鳴器固定安裝到拐杖，然后自己設計程序：在“控制”列表中找到“程序開始”指令，添加到編輯區，然后添加外設模塊“超聲波測距器”，當“外設”列表中出現與超聲波測距器相對的指令時，編寫：當條件從超聲波測距器到障礙物之間距離小于20厘米，成立時執行打開拐杖上的蜂鳴器，蜂鳴器發出急促的提示音，延時500毫秒；當條件從A到障礙物之間距離大于20厘米，關閉蜂鳴器，反復條件循環。然后點擊“上傳程序”，學生利用程序和結構件巧妙地完成導盲拐杖，并組裝完成進行測試，發現效果非常好。整個過程中，學生們獨立發現問題、猜想、假設、設計程序、實驗驗證、總結經驗，很大程度提高了科學探究能力，激勵學生在科技道路上繼續探究的信心。

（三）培養學生科技素養的創造能力

創造性思維是一種打破慣性思維從而解決問題的新方式，對同一個問題采取打破常規重新組合，實驗探究并探索規律，得到新思維成果的思維過程。要求小學生在掌握人工智能的基本知識和基本技能的同時，對身邊的事物采取改進措施，大膽創新，并可以把自己天馬行空的想法親手制作出來。

例如，①智能過馬路神器：在十字路口，行人過馬路時，當對面的綠燈還剩一秒鐘，總有一些人急急忙忙趕最后的一秒搶著跑過馬路，這樣的情況很容易出現車禍，所以很多城市都在十字路口安排志愿者服務，指揮行人過馬路，可是總有個別人好像看不見聽不見，等到出現危險才后悔莫及。我們的學生發現這個現象后，積極動腦思考：怎么樣才能采用人工智能解決行人過馬路的問題？善于觀察思考的學生發現小區門口指揮汽車進出的起落桿，于是學生利用動手客控制板、計時器、結構件。首先搭建模型，安裝結構件，然后自己設計程序：在“控制”列表中找到“程序開始”指令，添加到編輯區，然后添加外設模塊“計時器”當“外設”列表中出現與計時器相對于的指令時，編寫：打開“舵機”端口為“開”旋轉，升起起落桿，延時30秒，關閉舵機端口為“關閉”降落起落桿；延時3秒，關閉；添加“循環”模塊。然后點擊“上傳程序”。這樣只需要在馬路的兩端都放置一組起落桿裝置，配合紅綠燈的時間就可以起到智能指揮作用，這個發明不僅能有效地指揮行人，還能夠節約人力資源。

②智能藥品快遞器。當我們生病了需要到藥店里面買藥時，藥品超市，目前還是采取人工超市模式，品種繁多的藥品擺放在不同的貨架上，全靠工作人員的腦子記憶各種藥品放置的位置，如果遇到工作經驗不足或者比較少見的藥品或者藥品名稱相近的，尋找起來比較的麻煩，耽誤病人寶貴的時間，學生發現這個現象以后，積極的動腦思考：“能否應用人工智能解決這個問題？”最終找到合適的方法：首先對藥品貨架進行改進，采用車站自動售貨架的模式，并將每種商品按照分類編寫順序貼上電子二維碼，比如設置三九醫藥的999復方感冒靈顆粒為0001號藥品，然后采用結構件搭建轉運小車，并安裝數碼傳感器和機械手臂，然后編寫程序：在“控制”列表中找到“條件”添加到編輯區，然后添加外設模塊“數碼傳感器”，當“外設”列表中出現與數碼傳感器相對于的指令時，編寫：輸入程序藥品編號：0001，數量：1，設置舵機“機械手臂”端口為開，添加“循環”模塊。然后點擊“上傳程序”，執行程序，返回。當轉運小車運行到相對于的藥品時，數碼傳感器掃描藥品二維碼，然后伸出機械手臂取來放置在小車上，返回到柜臺進行結算。如何需要多個藥品可以一次性輸入，轉運小車一次性全部取來，也可以多部轉運小車同時工作，快捷方便，節約人工成本，更好地為病人服務。

三、在小學校園普及人工智能的困難及建議

（一）缺乏人工智能相關的配套設施

人工智能在西北地區的發展很不均衡，城市學校最早接觸并積極投入資金開設機器人、創客、編程等課程，但是更多的縣城學校和農村學校，由于資金投入不足，教師配備缺少，根本無力開設編程課程。希望教育行政部門能夠加大對薄弱學校資金和師資力量的投入，采取專項資金專用，采購設備，加強對教師的培訓，使更多的教師能夠勝任簡單的編程教學。

（二）缺乏專業的教師。

縣城辦學規模較大的學校，還能配備1-2名專業的計算機教師，但是這些教師要擔任全校的信息技術課程，課時量早就滿負荷，很難有多余的課時來上編程等課程，更多的鄉村學校很少有計算機專業的教師，很多學校的教師都沒有接觸過編程，更別說人工智能專業的教師。因此也特別希望人工智能專業的畢業生，能夠走進基層教育，學校加強對專業人才的引進，可以相應提高這些專業教師的待遇和福利，讓更多優秀的人工智能人才進入小學，讓更多的學生能夠接觸編程，感受人工智能帶來的方便快捷。

（三）缺乏參加國內比賽的機會

近幾年來，國內外已經舉辦了很多人工智能相關的比賽，例如全國青少年人工智能創新挑戰賽、世界機器人大會、青少年電子信息智能創新大賽等，但是縣城、農村小學由于受設備、相關培訓等限制，沒有機會參加此類比賽獲取知識和經驗。希望國家級、省級的比賽面向更多的縣城、農村小學發出邀請函，讓他們有機會參加或者觀摩比賽，面對面地向優秀團隊的隊員虛心請教，互相探討人工智能的知識和技能，以此來增加學生的見識和經驗。

四、在小學校園普及人工智能的策略

（一）開設人工智能相關的課程。

人工智能學習是一個完全靠自己動手搭建、編程、調試、操作和運行的過程，在小學階段主要開設Wedo系列、EV3系列、（阿爾法套裝—初級）、Scratch圖形界面編程、Python人工智能編程、Nol 系列課程等。少兒編程教育由于接觸的知識還不夠，并不是學習如何寫代碼或者直接編制應用程序，而是通過軟硬件設施，直接使用可視化的圖形編程課程，通過融合編程游戲，培養學生的邏輯思維能力。比如學生想獨立完成一個動畫設計，就需要獨立分析問題，拆分任務，思考圖形模塊的排列順序，控制進度進程，理解“并行”“時間處理”“目標實現”等概念。

（二）開設人工智能相關的興趣班

人工智能在青少年領域包含少兒機器人、少兒編程、創客教育和STEAM等，主要融合了物理基礎知識、機械基礎原理、電子傳感器教學、計算機軟硬件等。學校里面開設計算機基礎知識，讓學生學會了計算機的理論知識和基礎使用技能，但是對于編程還沒有正式教，個別感興趣的學生除了在家自學以外應該積極參加校外機器人輔導班，在校外輔導班里面就可以接觸最新的設備和知識，有專業的輔導教師，并能夠自己動手動腦進行實踐活動，鼓勵學生創造與創意的互相分享，從而更注重多重能力，多重思考能力，追求科學知識與跨學科的能力，培養學生全面發展。

（三）積極參加人工智能相關的比賽

教育部發布的2022-2025學年面向中小學生的全國性競賽活動名單中，和人工智能有關的比賽有很多，省教育廳、少工委等部門也經常舉辦各級各類的比賽。因此我們積極組織教師和學生參加全國青少年人工智能創新挑戰賽、全國青少年科技教育成果展示大賽等一系列比賽，并在甘肅省教育廳承辦的第二屆（2021-2022學年）少年硅谷——全國青少年人工智能教育成果展示大賽火星環境探測挑戰賽中取得一等獎、二等獎的好名次。

五、結束語

總之，在小學校園開設人工智能課程，不僅對小學生科技素養的提高有切實的幫助，也是為未來培養科技創新型人才夯實基礎，小學教師要與時俱進，刻苦鉆研，重視人工智能人才培養，為全民智能教育的發展努力奮斗。

作者單位：羅小偉 甘肅省臨洮縣金澤小學

參? 考? 文? 獻

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羅小偉（1983.03-），男，漢族，甘肅臨洮，本科學歷，中小學一級教師，研究方向：數學教學、小學計算機教學等。