STEAM視域下的中學(xué)人工智能機(jī)器人綜合實(shí)踐活動(dòng)課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

黃炳軍 鄭志華

為探索中學(xué)人工智能相關(guān)課程的開設(shè)經(jīng)驗(yàn)，廣州市番禺區(qū)洛溪新城中學(xué)積極開設(shè)面向全校的人工智能機(jī)器人科技實(shí)踐活動(dòng)課程，遵循以活動(dòng)促發(fā)展的原則，旨在提高青少年對(duì)人工智能的認(rèn)知和初步應(yīng)用能力，注重培養(yǎng)學(xué)生的研究和解決實(shí)際問題能力、合作能力、開拓創(chuàng)新能力以及終身學(xué)習(xí)能力。

一、人工智能機(jī)器人綜合實(shí)踐活動(dòng)課程框架

（一）活動(dòng)目標(biāo)

人工智能機(jī)器人綜合實(shí)踐活動(dòng)結(jié)合STEAM 教育，引導(dǎo)學(xué)生通過合作與實(shí)踐，完成主題項(xiàng)目和解決生活中遇到的難題。通過認(rèn)識(shí)人工智能基本理論、機(jī)器人組建理論、機(jī)器人搭建零件，及動(dòng)手搭建簡(jiǎn)單機(jī)器人，體驗(yàn)復(fù)雜的人工智能應(yīng)用，學(xué)習(xí)機(jī)器人控制編程，進(jìn)行小組合作，深入開展人工智能機(jī)器人研究活動(dòng)并參與競(jìng)賽活動(dòng)，拓展學(xué)生視野，取得創(chuàng)新體驗(yàn)。

（二）課程流程

為了更好地貫徹落實(shí)人工智能相關(guān)課程的教育開展，學(xué)校依托人工智能相關(guān)社團(tuán)開展常規(guī)化活動(dòng)，人工智能機(jī)器人綜合實(shí)踐活動(dòng)在各個(gè)社團(tuán)開展的活動(dòng)項(xiàng)目主要有人工智能機(jī)器人、創(chuàng)意闖關(guān)機(jī)器人、演奏機(jī)器人、STEM創(chuàng)意機(jī)器人、無人駕駛機(jī)器人、3D打印培訓(xùn)、創(chuàng)客樂園活動(dòng)等。

為有計(jì)劃地開展各項(xiàng)主題活動(dòng)，學(xué)校先后開發(fā)了智能校車、智能快遞等校本課程，以及人工智能套件課程資源、開源創(chuàng)客校本培訓(xùn)資源等，并積累了大量有價(jià)值的綜合實(shí)踐活動(dòng)課件、微課、活動(dòng)方案與學(xué)習(xí)案例等。這些資源作為開展人工智能機(jī)器人綜合實(shí)踐活動(dòng)的課程體系和重要保障，為學(xué)生提供了寶貴的自學(xué)與探究材料。

綜合實(shí)踐活動(dòng)學(xué)習(xí)注重學(xué)生在真實(shí)情境中，融合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)，進(jìn)行合作探究，解決實(shí)際問題。人工智能機(jī)器人綜合實(shí)踐活動(dòng)的流程可分為選題與設(shè)計(jì)、探究與實(shí)踐、制作與完善、交流與評(píng)價(jià)四個(gè)階段，課程流程如下圖所示。

1. 選題與設(shè)計(jì)

學(xué)生選定項(xiàng)目主題，組建團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行合理分工，開始深入了解項(xiàng)目所涉及的內(nèi)容，初步設(shè)定作品的功能、所需的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)、所用的硬件與軟件，制定初步的項(xiàng)目方案。

2.探究與實(shí)踐

學(xué)生通過小組合作，深入探究項(xiàng)目中的問題，協(xié)作學(xué)習(xí)共同解決問題，進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)試、傳感器等硬件測(cè)試與軟件編程測(cè)試，通過實(shí)踐驗(yàn)證確定項(xiàng)目主題機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)和程序流程的最優(yōu)方案。

3.制作與完善

學(xué)生結(jié)合探究結(jié)果制作作品，對(duì)作品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能優(yōu)化、算法優(yōu)化與整體編程調(diào)試，以及藝術(shù)美化，形成完整的作品。

4.交流與評(píng)價(jià)

制作過程鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行討論交流，組織學(xué)生依據(jù)作品參加各種競(jìng)賽，進(jìn)行小組間作品展示與路演交流活動(dòng)，鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)展示能力和口頭表達(dá)能力，結(jié)合學(xué)生過程性表現(xiàn)、作品以及展示交流等方面進(jìn)行多元評(píng)價(jià)，在活動(dòng)中及時(shí)總結(jié)反思，交流反饋，延長(zhǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)制作耐心，增加學(xué)生的體驗(yàn)感與成就感。

二、人工智能機(jī)器人綜合實(shí)踐活動(dòng)課程實(shí)施

（一）組織形式：社團(tuán)為載體，項(xiàng)目為主線

人工智能機(jī)器人項(xiàng)目活動(dòng)以人工智能社團(tuán)、機(jī)器人社團(tuán)、創(chuàng)客社團(tuán)、創(chuàng)意制作社團(tuán)等多個(gè)社團(tuán)形式開展，各社團(tuán)組織學(xué)生，開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，探索人工智能機(jī)器人制作與程序編寫的方法。

各個(gè)社團(tuán)活動(dòng)有嚴(yán)格的活動(dòng)章程，有統(tǒng)一的社團(tuán)活動(dòng)時(shí)間與固定的活動(dòng)地點(diǎn)，其他時(shí)間開放各個(gè)活動(dòng)場(chǎng)室供學(xué)生活動(dòng)，通過分類探究、分組協(xié)作、以老帶新的方式，學(xué)生在學(xué)習(xí)與探究過程中相互學(xué)習(xí)，共同探討。

人工智能機(jī)器人項(xiàng)目活動(dòng)的各個(gè)社團(tuán)以項(xiàng)目分類學(xué)習(xí)小組，小組主要有簡(jiǎn)易機(jī)器人、人工智能機(jī)器人、創(chuàng)意機(jī)器人、創(chuàng)意闖關(guān)機(jī)器人、WER機(jī)器人、垃圾分類機(jī)器人、Arduino創(chuàng)客、虛擬機(jī)器人等。

（二）項(xiàng)目實(shí)施——無人駕駛機(jī)器人項(xiàng)目案例

1.項(xiàng)目介紹

無人駕駛項(xiàng)目使用無人駕駛套件和創(chuàng)造栗無人駕駛模擬軟件，結(jié)合人工智能教育課程，綜合科學(xué)（開源電子、智能硬件）、技術(shù)（物理學(xué)電路電子、編程、物聯(lián)網(wǎng)）、工程（積木、沙盤、3D模型、激光切割造物）、設(shè)計(jì)（外觀美術(shù)造型）、數(shù)學(xué)（人工智能測(cè)算、微積分、函數(shù)等），把原有復(fù)雜的人工智能算法模塊化，創(chuàng)造發(fā)明各種各樣的作品。讓學(xué)生能接觸人工智能中常見的人臉識(shí)別、物體識(shí)別、巡線追蹤、顏色識(shí)別、標(biāo)簽識(shí)別，擺脫繁瑣的訓(xùn)練和復(fù)雜的視覺算法，使其更加專注于項(xiàng)目的構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)精彩而豐富的無人駕駛和編程的奇妙世界。

2.學(xué)習(xí)目標(biāo)

基于無人駕駛概念與技術(shù)，結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，讓學(xué)生了解和體驗(yàn)無人駕駛技術(shù)。通過無人駕駛教育課程體系，以興趣作為導(dǎo)向，基于項(xiàng)目制學(xué)習(xí)，推進(jìn)教學(xué)活動(dòng)，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，鍛煉動(dòng)手能力、溝通能力、表達(dá)能力，能夠熟練綜合運(yùn)用各項(xiàng)學(xué)科知識(shí)和技能，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮科學(xué)思維和創(chuàng)意想象能力，強(qiáng)化學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的啟蒙和教育培養(yǎng)，為創(chuàng)新型城市建設(shè)儲(chǔ)備優(yōu)秀科技創(chuàng)新后備人才。具體學(xué)習(xí)目標(biāo)見表1。

3.項(xiàng)目開展

無人駕駛項(xiàng)目在原學(xué)習(xí)框架流程上增加一個(gè)環(huán)節(jié)，形成選題與設(shè)計(jì)、探究與實(shí)踐、制作與完善、提高與拓展、交流與評(píng)價(jià)五個(gè)階段。課程設(shè)計(jì)為12個(gè)單元活動(dòng)，共計(jì)20個(gè)課時(shí)，單元活動(dòng)內(nèi)容具體見表2。

三、人工智能機(jī)器人綜合實(shí)踐活動(dòng)課程成效

人工智能機(jī)器人綜合實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生進(jìn)行人工智能機(jī)器人學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、比賽等，活動(dòng)中，學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)主體，逐漸能夠主動(dòng)探索與研究。學(xué)生獨(dú)立思考與解決問題的能力也有了明顯提高，同時(shí)能夠了解自我與發(fā)展的潛能，學(xué)會(huì)欣賞、尊重和關(guān)愛別人，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)、提升表達(dá)、溝通與分享能力水平，以及統(tǒng)籌規(guī)劃能力、組織協(xié)調(diào)能力。

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