小學(xué)人工智能課程“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)施

【摘 要】本文構(gòu)建了“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”教學(xué)模式，即學(xué)生通過(guò)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，使用人工智能技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)課程。“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”教學(xué)模式分為五個(gè)環(huán)節(jié)，分別是需求分析、構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和評(píng)估。本文通過(guò)“智能盲杖”的課程開(kāi)發(fā)過(guò)程，展示了“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”教學(xué)模式在人工智能實(shí)踐課上的應(yīng)用，為廣大教師使用“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”教學(xué)模式提供有益參考。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)；人工智能課程；教學(xué)模式；構(gòu)建與實(shí)施

【中圖分類號(hào)】G434" "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）05-061-02

人工智能“五環(huán)節(jié)”教學(xué)模式通常指“情境引入、知其原理、知曉其應(yīng)用、體驗(yàn)其方便強(qiáng)大、雙刃劍”五個(gè)環(huán)節(jié)。為了彌補(bǔ)“五環(huán)節(jié)”教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)施的不足，我們構(gòu)建了一個(gè)“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”教學(xué)模式，使學(xué)生通過(guò)經(jīng)歷產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，利用人工智能技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)[1]。

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提到，信息科技（含人工智能）應(yīng)創(chuàng)新教學(xué)方式，以真實(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，使其能對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象、分解、建模、設(shè)計(jì)算法，能嘗試模擬、仿真、驗(yàn)證解決問(wèn)題的過(guò)程，采用新穎的視角思考和分析問(wèn)題，設(shè)計(jì)和創(chuàng)作具有個(gè)性化的作品。因此，“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”即為教學(xué)五環(huán)節(jié)的閉環(huán)關(guān)鍵，“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”教學(xué)模式分五個(gè)環(huán)節(jié)，分別是需求分析、構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和評(píng)估。

環(huán)節(jié)一：需求分析

需求分析是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的重要活動(dòng)，在這一階段，有教師設(shè)置情境與學(xué)生遭遇情境兩種情況。這個(gè)環(huán)節(jié)教師需幫助學(xué)生了解用戶需求的重要性和產(chǎn)品定位的必要性。

教師設(shè)置情境，給學(xué)生拋出一個(gè)生活情境。學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并分析要解決的問(wèn)題，明確產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的目標(biāo)和用戶需求[2]。例如，在讓學(xué)生完成智能盲杖產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，出示一個(gè)需要盲人出行的情境，但是盲人在途中“處處受限”，行動(dòng)極其不便。此時(shí)讓學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，分析這個(gè)場(chǎng)景的需求是什么，用思維導(dǎo)圖進(jìn)行整理并呈現(xiàn)出來(lái)，明確產(chǎn)品的核心需求和次級(jí)需求，后面的環(huán)節(jié)圍繞核心需求來(lái)展開(kāi)。在本課中，核心需求就是盲人要知道周邊路況以及使路人避讓盲人。

若學(xué)生主動(dòng)代入情境，則需引導(dǎo)學(xué)生指出情境中的問(wèn)題實(shí)質(zhì)，了解產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)目標(biāo)和用戶需求。如學(xué)生在生活中看到盲人出行需要有人陪同或?qū)と龑?dǎo)或持盲杖出行，發(fā)現(xiàn)盲人出行時(shí)存在以下問(wèn)題：①普通盲杖需要盲人自己手動(dòng)不斷地橫掃地面這種方式來(lái)探路，這種探路方式存在探測(cè)范圍近、探測(cè)角度小的問(wèn)題；②盲人使用普通的盲杖，很難精準(zhǔn)快速地辨別出周圍是否有盲道；③盲人在晚上出行時(shí)，很容易被路人誤撞。有問(wèn)題即有需求。因此，盲人在三種出行方式中都需要一件能即時(shí)反饋周邊信息的物品。在可預(yù)見(jiàn)范圍內(nèi)，學(xué)生認(rèn)為智能化盲杖是盲人急切所需，幫助盲人了解實(shí)時(shí)路況，至此，對(duì)于盲人的需求已明確。

環(huán)節(jié)二：構(gòu)思

在明確了用戶需求后，在本環(huán)節(jié)中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)情境的需求選定用什么硬件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，并用簡(jiǎn)單圖例表示各個(gè)模塊之間的關(guān)系。在智能盲杖產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，需要實(shí)現(xiàn)測(cè)距、測(cè)光、盲道識(shí)別等輸入功能，也需語(yǔ)音、震動(dòng)、發(fā)光等反饋輸出功能。因此，需要用到的硬件是超聲波傳感器（用于測(cè)距）、震動(dòng)模塊（用于觸覺(jué)提示）、MP3播放器（用于聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)音提示）、顏色傳感器或形狀傳感器（用于識(shí)別盲道）、光敏傳感器（用于識(shí)別環(huán)境亮度）、燈帶（用于亮燈給他人提示）、主控模塊（用于執(zhí)行邏輯控制）等。

環(huán)節(jié)三：設(shè)計(jì)

在前面構(gòu)思的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要思考如何把構(gòu)思轉(zhuǎn)化為具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這包括繪制外觀設(shè)計(jì)圖紙、繪制程序流程圖。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，繪制外觀設(shè)計(jì)圖紙需要注重各個(gè)模塊的放置位置，同時(shí)考慮產(chǎn)品的易維護(hù)性。繪制流程圖需要把各部分操作單獨(dú)設(shè)計(jì)成模塊，方便后續(xù)進(jìn)行模塊編程。流程圖的繪制要特別注意執(zhí)行模塊、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)以及箭頭方向等基本元素的使用，這是學(xué)生重點(diǎn)要學(xué)習(xí)的地方。在本課中，MP3播放語(yǔ)音提示、震動(dòng)、燈帶發(fā)光是執(zhí)行模塊，判斷距離范圍與環(huán)境亮度范圍是一個(gè)分支結(jié)構(gòu)，把執(zhí)行模塊、判斷距離范圍與環(huán)境亮度范圍分支結(jié)構(gòu)用箭頭鏈接起來(lái)，就形成了一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)。

環(huán)節(jié)四：實(shí)現(xiàn)

本環(huán)節(jié)是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)階段，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的兩個(gè)部分。第一部分是作品搭建，需要按照設(shè)計(jì)好的外觀圖紙，選擇合適的器材進(jìn)行搭建。這部分可以幫助學(xué)生了解組裝工藝和管理等方面的知識(shí)，同時(shí)也可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。第二部分是進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)與編寫。程序的編寫需要根據(jù)組裝好的硬件模塊進(jìn)行，按照程序環(huán)節(jié)三設(shè)計(jì)的程序流程圖進(jìn)行編寫即可。

在作品制作特別是使用多個(gè)元器件的作品搭建過(guò)程中，不同學(xué)生可能會(huì)由于元器件的放置方式與位置而產(chǎn)生不同看法。這就需要教師引導(dǎo)學(xué)生從作品的實(shí)用性、美觀程度等方面要求學(xué)生選擇較為合適的搭建方式，同時(shí)要重點(diǎn)考慮作品功能的實(shí)現(xiàn)方式。在此過(guò)程中教師可提供熱熔膠、雙面膠、502快干膠水等，幫助學(xué)生完成搭建。

在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與編寫時(shí)，學(xué)生已經(jīng)初步學(xué)習(xí)過(guò)模塊化編程的基礎(chǔ)知識(shí)，但是要完整地編寫程序還是有不小的難度，所以學(xué)生應(yīng)熟悉Arduino的基本指令集，以便能夠快速地根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能選擇相應(yīng)的程序模塊，較好地完成程序的編寫，實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能。

環(huán)節(jié)五：評(píng)估

本環(huán)節(jié)主要是對(duì)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。學(xué)生需要對(duì)產(chǎn)品的功能、穩(wěn)定性、易用性等方面進(jìn)行測(cè)試。除了根據(jù)紙面數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)分外，還可參考以下四種測(cè)評(píng)方式。

一是以路演的方式展示開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，接受眾人的評(píng)估。學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的不足之處并加以改進(jìn)，同時(shí)也可以給產(chǎn)品添加新的功能進(jìn)行迭代，為今后的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

二是以展板的方式展示作品，在宣傳作品的同時(shí)長(zhǎng)期接受觀眾評(píng)價(jià)。在此過(guò)程中，學(xué)生需要將自己作品的制作過(guò)程以及創(chuàng)新之處以宣傳展板的方式打印并粘貼到指定的宣傳欄。作品制作人獲得所有學(xué)生的評(píng)價(jià)，并篩選出有效意見(jiàn)為后續(xù)作品的改進(jìn)與完善提供思路。

三是積極參與各級(jí)部門組織舉辦的相關(guān)競(jìng)賽活動(dòng)，在活動(dòng)中提升自我[3]。在人工智能崛起的浪潮中，各級(jí)教育行政部門大都組織舉辦學(xué)生的人工智能作品展評(píng)活動(dòng)，學(xué)生可根據(jù)自己的作品情況積極報(bào)名參加。在大賽中認(rèn)識(shí)自我，認(rèn)識(shí)他人，找到差距，取長(zhǎng)補(bǔ)短。學(xué)生在眾多優(yōu)秀作品的欣賞與對(duì)比中，完成自我評(píng)價(jià)與相互評(píng)價(jià)。

四是真實(shí)用戶需求評(píng)價(jià)。學(xué)生可以尋找相關(guān)用戶需求人群或模擬需求用戶，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全方位的測(cè)評(píng)，真實(shí)展現(xiàn)產(chǎn)品的價(jià)值，更直觀地為改進(jìn)與完善作品提供思路。

參考文獻(xiàn)

郭金杰，裘國(guó)永. 人工智能課程中創(chuàng)客教學(xué)模式的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐[J]. 科學(xué)與信息化，2023（3）： 152-155.

劉瑞芳，孫勇. 基于問(wèn)題導(dǎo)向的人工智能應(yīng)用案例式教學(xué)[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2023（6）： 203-208.

周愛(ài)民，馮新雅.“以賽促學(xué)”的《產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)》教學(xué)模式探討[J]. 中國(guó)包裝，2022，42（12）： 86-89.