基于人工智能的“樹(shù)莓派”校本課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

沈萍強(qiáng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)迅猛發(fā)展，信息科技學(xué)科教學(xué)內(nèi)容亟待更新。2020年，浙江省教育廳教研室對(duì)初中信息技術(shù)教材做了全面修訂，其中《浙江省義務(wù)教育教科書(shū)信息技術(shù)八年級(jí)下》新增了物聯(lián)網(wǎng)和人工智能課程內(nèi)容模塊。由于缺少配套的教學(xué)器材和數(shù)字化工具，學(xué)生無(wú)法經(jīng)歷模擬、仿真、驗(yàn)證等過(guò)程，更談不上創(chuàng)新，很多信息科技教師對(duì)于新增內(nèi)容不知如何有效教學(xué)。我國(guó)某科技公司以“樹(shù)莓派”（微型電腦主板）為載體研發(fā)了配套的數(shù)字化教具（數(shù)字設(shè)備、平臺(tái)）并提供教學(xué)資源，支持學(xué)生有效管理學(xué)習(xí)過(guò)程與學(xué)習(xí)資源，開(kāi)展探究性學(xué)習(xí)，創(chuàng)造性地解決問(wèn)題。為此，筆者圍繞物聯(lián)網(wǎng)和人工智能課程內(nèi)容，以“智能車(chē)輛管理”項(xiàng)目為例，開(kāi)展基于“樹(shù)莓派”的校本課程教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)問(wèn)題情境下參與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)他們“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能，增強(qiáng)數(shù)字化適應(yīng)力、勝任力、創(chuàng)造力。

一、“樹(shù)莓派”校本課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022版）》指出：教師要因地制宜地遴選符合教學(xué)要求、體現(xiàn)育人價(jià)值的資源，并結(jié)合學(xué)生認(rèn)知水平對(duì)已有案例或素材等進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)與迭代。筆者基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等課程內(nèi)容，以學(xué)生已有的知識(shí)、技能和經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn)，遵循學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律，按照項(xiàng)目教學(xué)流程來(lái)設(shè)計(jì)“樹(shù)莓派”校本課程（教學(xué)內(nèi)容及安排見(jiàn)表1），為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，營(yíng)造能力與品格融合發(fā)展的成長(zhǎng)環(huán)境。

教師讓學(xué)生在“場(chǎng)景分析—原理認(rèn)知—應(yīng)用遷移”的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，選用合適的“樹(shù)莓派”設(shè)備與資源，有效地參與數(shù)字化學(xué)習(xí)與合作探究活動(dòng)，利用信息科技手段創(chuàng)造性解決問(wèn)題，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。

（一）基礎(chǔ)知識(shí)講解：走進(jìn)“樹(shù)莓派”與“古德微”

教師將認(rèn)知和體驗(yàn)定為教學(xué)目標(biāo)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)“樹(shù)莓派”及其部件構(gòu)成，掌握“樹(shù)莓派”的開(kāi)機(jī)方法。從“樹(shù)莓派”的連接方式出發(fā)，教師引出“古德微”圖形化編程平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)平臺(tái)的基本界面，掌握平臺(tái)與“樹(shù)莓派”的連接方式，初步了解平臺(tái)中的各個(gè)指令模塊。學(xué)生系統(tǒng)了解并掌握開(kāi)機(jī)連接設(shè)備與登錄平臺(tái)方法，會(huì)激發(fā)對(duì)新技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣和形成信息意識(shí)，有利于理解物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和基本原理，認(rèn)識(shí)新技術(shù)對(duì)人類(lèi)社會(huì)的貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)。

（二）物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)意制作：物聯(lián)設(shè)計(jì)

教師利用“古德微”硬件體系組織學(xué)生參與“樹(shù)莓派”校本課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐（如圖1），并將各種傳感器知識(shí)、積木式編程模塊及編程基礎(chǔ)知識(shí)分解到6個(gè)具體課程中（見(jiàn)表2）。學(xué)生參與編程和實(shí)踐活動(dòng)，在感知、體驗(yàn)和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的過(guò)程中，其計(jì)算思維水平和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力會(huì)得到提升。

（三）人工智能項(xiàng)目創(chuàng)作：智能創(chuàng)作

在學(xué)生對(duì)編程思想及軟硬件結(jié)合有初步了解的基礎(chǔ)上，教師結(jié)合先進(jìn)的人工智能理論和技術(shù)，逐步培養(yǎng)學(xué)生從感知體驗(yàn)到理解使用人工智能的能力。課程包含語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音控制、語(yǔ)音合成、圖片識(shí)別、人臉識(shí)別與對(duì)比以及機(jī)器學(xué)習(xí)和模型訓(xùn)練等（見(jiàn)表3），涵蓋了當(dāng)前人工智能的主要應(yīng)用領(lǐng)域。學(xué)生學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，對(duì)人工智能將有充分的認(rèn)識(shí)與理解，能夠使用人工智能實(shí)現(xiàn)日常的項(xiàng)目作品創(chuàng)作，解決生活與學(xué)習(xí)中的問(wèn)題，在項(xiàng)目活動(dòng)中了解并掌握人工智能的基本理念和核心原理，提升對(duì)人工智能的應(yīng)用能力。

二、“樹(shù)莓派”校本課程的教學(xué)方法設(shè)計(jì)

初中生思維能力逐漸從形象思維向邏輯思維過(guò)渡，其辯證邏輯認(rèn)知能力不斷完善，并且認(rèn)知活動(dòng)的自覺(jué)性明顯增強(qiáng)。教師在教學(xué)中要注重學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握，但單純講解理論知識(shí)，又不完全符合初中生邏輯思維發(fā)展的特點(diǎn)。教師采用以項(xiàng)目教學(xué)為主、講授為輔的方法教學(xué)。在講解理論知識(shí)時(shí)，筆者立足于初中生的知識(shí)基礎(chǔ)，注重講解“樹(shù)莓派”校本課程中關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性的概念，講解算法與程序設(shè)計(jì)的基本思想與“樹(shù)莓派”和傳感器等硬件的工作原理。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，教師則采用項(xiàng)目教學(xué)法，與學(xué)生共同參與用“樹(shù)莓派”解決實(shí)際問(wèn)題的項(xiàng)目活動(dòng)的完整過(guò)程。學(xué)生在活動(dòng)中探究學(xué)習(xí)，逐步提升核心素養(yǎng)。

學(xué)生在小學(xué)階段學(xué)過(guò)Mind+之類(lèi)的圖像化編程。基于此，教師在課程伊始先安排1個(gè)課時(shí)讓學(xué)生熟悉“樹(shù)莓派”圖形化編程平臺(tái)，再根據(jù)學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)過(guò)程的需求，補(bǔ)充講解算法等編程知識(shí)，提高項(xiàng)目作品各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)率，使項(xiàng)目成果更完善且人性化。

三、“樹(shù)莓派”校本課程的教學(xué)過(guò)程

筆者設(shè)計(jì)的樹(shù)莓派校本課程主要在學(xué)校課后服務(wù)時(shí)段以拓展課形式開(kāi)展，每周安排2課時(shí)，每學(xué)期開(kāi)設(shè)16周共32個(gè)課時(shí)。學(xué)生先學(xué)習(xí)“樹(shù)莓派”硬件體系和圖形化程序設(shè)計(jì)知識(shí)，再參與項(xiàng)目實(shí)踐，不斷提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)的遷移。下面，筆者以“智能車(chē)輛管理”項(xiàng)目為例，闡述“樹(shù)莓派”校本課程教學(xué)的實(shí)施過(guò)程。

（一）確定項(xiàng)目主題

真實(shí)情境下的問(wèn)題涉及多學(xué)科知識(shí)。教師將真實(shí)情境問(wèn)題作為項(xiàng)目教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，有利于引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題并深刻反思，以此提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。筆者所在學(xué)校生源來(lái)源于周邊的各個(gè)拆遷小區(qū)。學(xué)生注意到小區(qū)內(nèi)亂停車(chē)、占道停車(chē)等問(wèn)題非常嚴(yán)重。車(chē)輛停放者除了小區(qū)業(yè)主之外，還有許多租住人員、家庭作坊從業(yè)人員及周?chē)痰甑念櫩偷取W(xué)生需要設(shè)計(jì)制作一個(gè)能識(shí)別本小區(qū)內(nèi)人員車(chē)輛并自動(dòng)放行、禁止非小區(qū)車(chē)輛進(jìn)入的車(chē)輛管理系統(tǒng)，這樣既能減輕小區(qū)安保人員的工作負(fù)擔(dān)，又能營(yíng)造安全、有序、暢通的小區(qū)內(nèi)部交通環(huán)境。根據(jù)上述情況，學(xué)生決定利用“樹(shù)莓派”校本課程中前期學(xué)到的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)小區(qū)智能車(chē)輛管理系統(tǒng)。

（二）分析項(xiàng)目需求

分析項(xiàng)目需求是學(xué)生經(jīng)過(guò)深入細(xì)致的調(diào)研和分析，確定項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)哪些功能和完成哪些工作的過(guò)程。學(xué)生經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查，統(tǒng)計(jì)小區(qū)業(yè)主和租戶(hù)的居住信息，登記車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)碼；采訪(fǎng)車(chē)主和安保人員，明確項(xiàng)目需要具有的功能。在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)自身生活經(jīng)驗(yàn)或者上網(wǎng)了解現(xiàn)有車(chē)牌識(shí)別技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合小區(qū)的來(lái)往車(chē)輛特點(diǎn)，學(xué)生決定選擇采用車(chē)輛識(shí)別系統(tǒng)管理小區(qū)車(chē)輛。基于調(diào)查結(jié)果，學(xué)生明確了智能車(chē)輛管理需要具有的功能：車(chē)輛進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域后，由超聲波傳感器感知并將電平信號(hào)傳遞給“樹(shù)莓派”控制中心；由“樹(shù)莓派”控制攝像頭拍攝照片傳入后臺(tái)，與車(chē)輛信息庫(kù)中登記的車(chē)牌號(hào)碼數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，由音箱播報(bào)識(shí)別結(jié)果，決定是否抬桿放行。

（三）設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案

在明確項(xiàng)目需求后，各組圍繞項(xiàng)目主題設(shè)計(jì)方案，包括項(xiàng)目的各個(gè)功能、所需元器件、程序模塊等，用“頭腦風(fēng)暴”等方法研討項(xiàng)目方案。學(xué)生先以實(shí)地觀察、網(wǎng)絡(luò)搜索等方式了解車(chē)輛道閘的設(shè)置和安裝等規(guī)范要求，再組內(nèi)交流（思維碰撞），確定智能車(chē)輛管理項(xiàng)目方案（見(jiàn)表4）。

（四）實(shí)施項(xiàng)目方案

各組根據(jù)項(xiàng)目方案，按照連接硬件、設(shè)計(jì)程序、調(diào)試運(yùn)行、設(shè)計(jì)模型四個(gè)步驟完成智能車(chē)輛管理項(xiàng)目的作品制作。學(xué)生首先確定每種電子元器件的連接方式，了解每種元器件的工作特性、連接各種電子元器件，并根據(jù)項(xiàng)目的解決方案繪制流程圖（如圖2），描述算法，為編寫(xiě)程序代碼做好準(zhǔn)備工作。學(xué)生按照流程圖編寫(xiě)智能車(chē)輛管理的程序，其中車(chē)牌信息識(shí)別程序是核心，也是項(xiàng)目實(shí)施的難點(diǎn)。學(xué)生可以組內(nèi)討論，或向教師求教，在完成整個(gè)項(xiàng)目程序的編寫(xiě)過(guò)程中提升計(jì)算思維能力。參照流程圖，在編程平臺(tái)中拖動(dòng)積木完成程序編寫(xiě)后，學(xué)生對(duì)項(xiàng)目功能進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，觀察其是否達(dá)到運(yùn)行要求，并根據(jù)調(diào)試區(qū)輸出的信息進(jìn)行修正，在“設(shè)計(jì)→實(shí)踐→反思→改進(jìn)”的迭代過(guò)程中優(yōu)化功能。在設(shè)計(jì)模型環(huán)節(jié)，小組成員設(shè)計(jì)智能車(chē)輛管理的展示模型，并利用中鳴機(jī)器人積木零件等完成搭建工作。

（五）評(píng)價(jià)項(xiàng)目成果

筆者評(píng)價(jià)學(xué)生的項(xiàng)目成果，關(guān)注的不僅僅是問(wèn)題是否被解決，更關(guān)注學(xué)生探索能力的發(fā)展。在展示環(huán)節(jié)，各組學(xué)生將創(chuàng)作的項(xiàng)目作品進(jìn)行展示（掃碼查看），在展示中分享合作經(jīng)驗(yàn)、遇到的難題及解決問(wèn)題的方法與過(guò)程等。筆者借此提升學(xué)生的表達(dá)能力和審美能力。

建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)，師生應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)要求，共同建立具體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

筆者與學(xué)生共同制定了項(xiàng)目作品評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：作品創(chuàng)新性（30 分）、作品實(shí)用性（30 分）、作品講解（20 分）、作品外觀（20 分）。依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，各組進(jìn)行互評(píng)并提出優(yōu)化措施，以便后期迭代、完善智能車(chē)輛管理的各項(xiàng)功能，展示成熟的實(shí)物作品。

筆者開(kāi)設(shè)“樹(shù)莓派”校本課程旨在為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主、合作、探究的數(shù)字化學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生圍繞學(xué)習(xí)任務(wù)協(xié)同創(chuàng)新，利用“樹(shù)莓派”等數(shù)字設(shè)備與團(tuán)隊(duì)成員合作思考問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，設(shè)計(jì)和創(chuàng)作出個(gè)性化作品，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能，培養(yǎng)科學(xué)精神。在今后的教學(xué)中，筆者將繼續(xù)對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化和完善，構(gòu)建成熟的“樹(shù)莓派”校本課程體系。

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（作者系浙江省桐鄉(xiāng)市高橋?qū)嶒?yàn)學(xué)校教育集團(tuán)高橋?qū)嶒?yàn)學(xué)校教師）

責(zé)任編輯：祝元志