基于“圖形化編程+開源硬件”的人工智能校本課程開發與研究

【摘 要】隨著世界科學和技術的快速發展，人工智能也逐漸從科學家神秘的實驗室走進了學校的課堂。在中小學校本課程中融入人工智能，能夠加深學生對信息技術、科學、機械工程、數學思維等知識的了解和運用，培養學生的思維創新與動手能力。學生不僅可以學習現成的人工智能基礎知識，還可以嘗試設計和制造出自己的人工智能作品。學校可以利用“圖形化編程+開源硬件”的方式開展人工智能校本課程開發引導學生在人工智能的世界里不斷學習新的知識，尋找更多的樂趣，表達自己的創意，展示自己的才能。

【關鍵詞】圖形化編程 開源硬件 人工智能

人工智能是現代科技尤其是信息技術發展的最好體現，也是中小學信息技術課程的良好載體。

Arduino是世界上最受歡迎的開源硬件之一，其簡單的開發方法使學生能夠更多地關注創造力和實現方式，從而更容易完成自己的項目。鑒于Arduino的優勢，越來越多的中小學校已經開始利用Arduino開設人工智能校本課程。鑫園小學開發了“鑫創空間——走進人工智能”的人工智能校本課程，課程基于人工智能理念，以Arduino開源硬件為載體，通過Scratch、Mind+、Mixly等軟件進行圖形化編程，綜合科學、技術、工程、藝術、數學等學科知識，通過模仿創造、遷移創造、AI創造，構建學校人工智能教學模式。

一、小學人工智能校本課程的開發策略

此課程分為三個階段，第一個階段為熟悉Scratch、Mind+、Mixly等圖形化編程軟件。第二個階段為簡單應用，了解Arduino開發板、傳感器的基礎知識。通過圖形化編程，結合Arduino開源硬件，對生活中的產品進行改進，讓其增加特定的功能。第三個階段是人工智能造物階段，運用舵機，以及光敏、燈光、聲音、溫濕度等各類傳感器進行創新造物。學校將在課堂上掌握較好的學生吸收到校創客、機器人社團中，并帶領學生參加相關比賽。

本課程的開發旨在培養學生對人工智能的興趣，讓學生了解和掌握以人工智能為載體的通用技術與信息技術的基本知識和技能，了解技術的發展及其應用對人類生活和科學的深刻影響。通過人工智能課程培養學生良好的信息素養、創新精神和實踐能力，教育學生正確認識和理解技術與文化、倫理和社會等問題，樹立正確的技術觀。引導學生通過觀察、思考、設計、制作、實驗等活動獲得豐富的學習體驗，在生活中發現問題，在實踐中解決問題，在活動中獲得知識。

根據課程目標的三個維度的劃分，本課程的目標細分如下：

（一）知識與能力

讓學生掌握開源硬件Arduino主板的基本結構，并了解生活中常見傳感器的應用。學生可以通過學習到的基礎知識來解決生活中的實際問題。

（二）探究與實踐

讓學生在教師的指導下，通過對現成作品的模仿，提出自己的創意，并完成諸如簡單的硬件拼裝、程序編寫、場景制作、改進調試等任務，以便Arduino開源硬件可以簡單地解決問題。在實踐中培養學生對人工智能課程學習的興趣以及動手解決實際生活問題的能力。

（三）責任與態度

讓學生體驗人工智能技術的進步和Arduino開源硬件平臺的便捷，進而理解人工智能對學習、生活和工作的各種影響，培養學生的人工智能素養以及促進學生全面的發展。

二、小學人工智能教學校本課程內容安排

義務教育信息科技課程旨在培養學生的信息素養和科技能力，包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新以及信息社會責任等方面。而基于“圖形化編程+開源硬件”的人工智能校本課程，則更加注重學生實踐能力和創新思維的培養。通過圖形化編程和開源硬件的結合，學生能夠更直觀地理解人工智能的原理和應用，從而增強科技創新能力和解決問題的能力。這種課程目標的一致性，使得校本課程能夠成為義務教育信息科技課程的有益補充和拓展。本課程內容設置見表1。

基于“圖形化編程+開源硬件”的人工智能校本課程與義務教育信息科技課程之間存在著緊密且相互促進的關系。校本課程的實施，可以更好地實現義務教育信息科技課程的目標，滿足學生的個性化學習需求，推動信息科技教育不斷創新和發展。

三、基于開源硬件的人工智能案例解析

如何利用“圖形化編程+開源硬件”來進行人工智能教育，激發學生的創造力，并將他們的想法變成現實，以產生社會效益？筆者認為，教師應與生活結合，根據項目設計特定的活動，并以案例的形式來組織和實施。

如蘇教版信息技術五年級“彈奏音樂”中，需要讓學生測量出超聲波傳感器的數值范圍以及如何運用超聲波傳感器去測量地與障礙物的距離。學生通過小組合作學習，編寫程序去觀察超聲波數值變化，發現超聲波傳感器到障礙物距離顯示為 255 cm，學生根據實際測量結果得出距離不止255 cm的結論，小組進行討論、不斷嘗試并發現超聲波的測量值在0 cm至255 cm之間。學生通過“做中學”得出超聲波的測量范圍，在此教學過程中，學生對知識點的掌握也更加深刻。

通過這一課的學習，學生開始思考超聲波傳感器在生活中的應用，從而引出項目案例“智能倒車雷達項目”。教師要引導學生運用跨學科知識以及解決問題的辦法來探究此項目，見表2。

在明確該項目的要求后，小組內的成員分工合作，分別用元器件搭建硬件設備和用Mind+ 編寫程序。該項目的硬件搭建和軟件部分都比較難。在學生制作的過程中，教師要巡視各小組制作情況并及時輔導，要求組員之間相互合作，共同完成項目制作的任務。

智能雷達倒車項目的設計制作說明了基于“圖形化編程+開源硬件”的人工智能校本課程開發與研究的可行性，其將編程所描繪的虛擬世界與我們現實生活中涉及的客觀世界建立聯系，實現了人機交互。以此案例為人工智能教育的出發點，符合學生的認知過程——掌握、運用、分析、綜合提升，學生的思維過程從簡單使用符號的計算階段過渡到使用符號進行邏輯具體運算的階段，再推進到使用抽象概括提出合理假設并從具體形象事物進行驗證的階段，進而到理解事物有多種可能性的正式運算階段。

四、人工智能校本課程的評價方式

根據課程的特點，評價應該強調參與過程，評價標準要合理，評價方法和手段要多樣化。因此，本課程的評價應堅持以下原則：

（一）參與原則

關注學生在課堂上的參與以及與同伴合作的表現，記錄學生的參與情況。

（二）綜合原則

評價內容要兼顧學生對Arduino開源硬件知識的理解和綜合運用各學科知識解決實際問題的能力。

（三）激勵原則

對小學生而言，Arduino開源硬件是比較新奇的事物，他們會遇到各種問題，教師可以通過激勵性的評價，發揮學生特長，引導學生大膽接受挑戰，創作出令人滿意的作品，提升其創造力和實踐能力。

基于“圖形化編程+開源硬件”的人工智能課程中的設計活動主要以圖形化編程和構建為主。課程評價采用過程性評價和終結性評價相結合的形式，按照“平時作品（40%）+最終作品（30%） +表現（30%）”的計算方式給出學生的期末考核成績。

五、結語

小學中高年級學生創造性思維的發展進入了從具體思維向抽象思維轉變的重要階段。他們可以在計算機軟件的幫助下，根據設計圖完成項目草圖設計和模型制作。迭代思維在整個創新過程中起著重要的作用，整個創新過程是在不斷創造、實現、查錯、改進的過程中發展起來的。

基于“圖形化編程+開源硬件”的人工智能校本課程教學，通過實際情境激發學生的學習積極性，教學過程中運用探究式、小組合作等學習方式，引導學生學習人工智能相關知識點，并體驗設計、編程、制作及調試的過程。本課程根據學校的實際情況和學生的需求，對信息科技課程內容進行拓展和深化，為學生提供更多動手實踐的機會，幫助他們更好地理解和掌握信息科技知識。這種內容選擇的互補性，使得本課程成為義務教育信息科技課程的有益補充。本課程的實施，可以更好地實現義務教育信息科技課程的目標，滿足學生的個性化學習需求，推動信息科技教育的不斷創新和發展。

【參考文獻】

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