人工智能與科技創新融合的教學策略

人工智能技術的迅猛發展給現階段教育工作提出了新的要求。實踐表明，深入開展人工智能與科技創新教育融合的研究，是促進學生全面發展的重要內容。科學教師要重視將人工智能與科技創新教育相結合，有效培養學生的創新精神與實踐能力。

策略一：問題導向+3D建模與打印

“問題導向+3D建模與打印”主要是發揮學生的自主性。教師引導他們先在生活中發現問題，再通過頭腦風暴討論、分析問題，并嘗試用軟件進行3D建模，最后用3D打印將設計的作品物化，制作出創新小發明（流程如圖1）。

有一節創新課的內容是“找需要”，教師讓學生填寫“找需要”的創意單。班上的喻同學認為這很簡單：之前學習了這么多案例，還想不出一個小發明嗎？可到了真正下筆的時候，她卻不知所措。看看其他同學，發現很多人也有類似的情況。

這時，教師對她說：“是不是想不出？沒關系，老師這里有絕招。”教師向她介紹了事件回顧法，一起回顧這一天中經歷了哪些事件。這時，她才發現自己的學習和生活中有著各種不便和困難，要用心去發現。

通過這次回顧，喻同學想到了自己課桌上的筆經常不翼而飛，于是想發明一款只有自己可以取出的鎖筆裝置。她將創意單填好交給了教師。

課后，教師讓她留下來一起研究創意的細節，也就是將創意物化的具體辦法。師生一起確定了材料、結構、工具，設計了具體方案，重新繪制了設計圖。隨后，教師拿著新的設計圖去創客中心進行3D建模與打印，做好了零件。喻同學收到零件后開始馬不停蹄地制作。

“好難啊！比課堂上的小發明作品難多了！”這是她心里的感受。這時，教師借給她一些工具，比如錘子、銼刀、砂紙、膠水等。利用這些工具，她總算是將作品組裝完成了。效果怎樣呢？她找來不同的筆進行了多次實驗，效果還不錯，出現的一些小問題也很快得到了解決。最終，她給作品命名為自鎖筆具筆筒，由筆筒主體、安裝蓋板、滑槽、阻尼泡棉、彈簧座、滑扣、阻尼橡膠、彈簧導桿、彈簧、插銷鑰匙組成（如圖2）。

使用時，將筆垂直插入筆筒，筆的尾端會推動滑扣沿滑槽向下移動，由于滑槽向外側傾斜，滑扣下滑時與筒壁之間的間距會增大。當間距超過筆的直徑時，筆會快速下落直至觸碰筒底。此時，滑扣在彈簧的作用下迅速回彈鎖緊筆具。若是強行拔筆，由于摩擦力的存在，筆會帶動滑扣沿滑槽上移，滑扣和筒壁間距縮小，摩擦力進一步增大，導致筆會越拔越緊。若要順利地取出筆，只需將所配的插銷鑰匙插入活動蓋板的滑槽，然后往下按，滑扣松脫，便可輕松取出筆。

通過這次的創新活動，喻同學認識到發明并不是表面上那么簡單，創新不僅僅是提出設想，更需要物化！

策略二：引疑探究+人工智能

“引疑探究+人工智能”符合學生的思維發展及認知邏輯（流程如圖3），教師通過創設情境，引出問題，激發學生的探究興趣。教師引導學生先篩選有價值的研究問題，再對問題進行設計，找到解決問題的方法，看能否用人工智能的方式來解決，最后物化成發明創新成果。

在一次課堂中，教師創設了一個情境：“人臉識別門禁可以根據人臉自動開門，安全又高效。但如果家里有獨立的小院子（別墅、疊層），當狗要出入小院時，主人就需單獨設置狗洞或親自為其開門。這樣就會存在安全隱患，給主人的生活帶來不便。”

針對這個問題，李同學嘗試運用機械的知識來解決，但效果不好，沒能徹底解除安全隱患。考慮到人工智能編程有比較好的解決途徑，他便與人工智能編程社團合作，在教師的幫助下設計制作出“AI智能圖形識別寵物開門器”（設計流程如圖4）。該裝置采用寵物圖像識別功能，當寵物出現在攝像頭前時，電動門會驅動電機旋轉將門打開，經計時器延時后，再驅動電機旋轉將門關閉。

“AI智能圖形識別寵物開門器”由攝像頭模塊、主控制芯片模塊、電機驅動模塊和供電模塊組成（如圖5）。該裝置通過前置高清紅外線攝像頭采集圖像信息，先運用AI圖形識別技術提取寵物獨有的圖像特征，再通過AI算法精準地將寵物信息傳送給主控芯片，最后由主控芯片給驅動電機發出指令，電機開始工作。

策略三：實驗探究+機器人搭建

發現一個問題往往比解決一個問題更重要，問題是創新的源泉，也是學生成長的動力。如何讓學生養成問題意識，并且有解決問題的動力呢？“實驗探究+機器人搭建”為這一問題的解決提供了思路，其流程是：首先，教師提出一個項目問題，讓學生通過實驗探究這個問題產生的原因和一般的解決方法，并找到這些方法的不足之處及可以改進的點；然后，學生針對這些點，結合機器人搭建模塊找到簡便實用的解決方法；最后，教師引導學生搭建機器人，通過加裝一些功能模塊，實現問題的解決（流程如圖6）。

在執教機器人搭建課時，教師先提出項目問題：“駕駛員在行車過程中如果注意力不集中，可能會闖紅燈。針對這個問題，你有什么好的解決方案呢？”明晰問題后，學生開始模擬實驗，對實驗現象進行討論，了解目前常用的解決方法是怎樣的。他們發現，目前導航里有紅綠燈的時間提示，但沒有語音提醒。要想有語音提醒，導航軟件必須獲得打開語音的授權，且要求網絡良好。據此，學生利用光傳感器、聲音傳感器和速度傳感器來解決上述問題。他們通過搭建機器人模型，添加功能模塊，設計出“基于Arduino的紅綠燈提醒器”。該裝置通過攝像頭不間斷地采集紅綠燈信息，經主控制芯片分析后，實時提示車主停車或通行，解決闖紅燈的問題。

“基于Arduino的紅綠燈提醒器”由攝像頭模塊、單片機、電源模塊、語言模塊和指示燈模塊等部分組成（如圖7），采用12伏鋰電池供電。電源模塊將5伏供給攝像頭模塊、電源模塊、語言模塊和指示燈模塊，3.3伏供給單片機，使整個系統穩定工作。

[課題：湖南省教育信息技術研究課題“基于人工智能與科技創新教育融合的學生創新能力培養的實踐研究”，立項號：HNETR21049]