中小学人工智能编程课的教学进阶

黄振余 万锦棠

【摘要】分析不同学段学生的认知基础、兴趣爱好，以项目式学习为导向，开展跨学科学习，以小组合作形式开展项目研究，有针对性地设计与之相匹配的人工智能课程，推进人工智能教育落地。

【关键词】人工智能；编程教学；课程开发

【中图分类号】G633.67【文献标志码】A【文章编号】1005-6009（2020）43-0016-03

【作者简介】1.黄振余，广东省东莞市教育局（广东东莞，523000）教研室副主任，高级教师；2.万锦棠，广东省东莞市松山湖实验小学（广东东莞，523000）教师，高级教师。

近年来，我国越来越重视人工智能的发展，在中小学启动信息素养测评，推动在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。人工智能涉及的知识面比较广，包括认知科学、编程技术、自动化控制、电子技术、大数据、统计学等众多学科领域。如何根据人工智能所涉学科领域的知识、技能，结合中小学各年龄段学生的认知水平和信息技术能力实际，开发人工智能编程系列课程，让人工智能编程课程的实施真正落地，并取得成效，其中关键在于做好人工智能编程相关课程的设计。针对中小学不同学段学生的年龄特点，利用图形化编程软件、虚拟仿真的电路搭建软件以及开源硬件等设备丰富课程教学内容，以项目式教学开展跨学科的学习探究，让不同学段的学生在人工智能编程课程实施过程中有所收獲。

一、小学低学段编程课设计

小学低年级学段的学生有自控能力不强，对新事物的持久关注时间不长，知识积累薄弱等状况。在课堂上如何让学生迅速分配好器材，尽快进入学习状态将成为人工智能编程课程有效开展的关键。为此，我们可以使用集成开源硬件与虚拟场景互动编程相结合的教学，让小学人工智能编程课程变得高效、简单、容易普及。

所谓集成开源硬件，就是把多种常用的传感器和arduino主控芯片集成到一个电路板上。不用学生连接传感器和主控板，避免了接错线和丢失传感器的情况发生，在减轻任课教师压力的同时，也减少学校物资的损耗。我们称这种集成开源硬件为测控板。最近，一些公司和厂商投入了大量的人力开发了很多优秀的开源软件，完全兼容这种测控板，Mind+就是其中一款。它是基于Scratch3.0开发，兼容Arduino、micro：bit等系列主控板。

小学中低年级的学生可以通过实时编程模式设计互动游戏，例如“怕光的蝙蝠”课程，用板载的测光模块来对周围环境的亮度进行检测。学生通过Mind+界面导入蝙蝠角色，然后导入arduino控制组件，拖放几个图标就可以实现功能。因为只需要把USB插入电脑的接口，剩下的任务都能够在软件上完成，所以基于集成开源硬件与虚拟场景互动编程的课程特点就是高效、简单、易普及。不足的地方是学习的深度不够，课程适合小学中低年级采用。

二、小学中高学段编程课设计

人工智能中的统计学、卷积神经网络等概念对中小学师生来说都是有难度的，很难从技术层面进行推广。我们不妨从简单的编程技术和电子技术入手，以基于项目的学习方法引导学生开展跨学科研究。下面以设计“小区感应路灯”为例开展探究。

首先，通过调查和讨论，研究感应路灯的控制方式。课前提供阅读资料介绍传感器和LED（发光二极管）的物理特性，以及这些硬件在现实生活中被应用的场合，增加学生对传感器功能和应用的理解。

其次，强调小组合作探究。在中高学段，培养孩子的合作精神和沟通能力以适应未来社会的需要。在项目学习过程中，让学生通过小组合作，制订研究方案做好分工安排，让小组的每个成员都有担当，建立成员之间的信托。

再次，在电路搭建中，教师指导学生使用linkboy软件搭建虚拟电路，编写程序并且用linkboy的模拟功能测试程序的控制效果。模拟成功后，小组再根据虚拟电路制作采购清单，由教师指导各小组补充清单上的元器件的型号和参数，通过和家长沟通后，购买元器件进行真实电路的搭建和调试。（见图1）

最后，做好分享与评价。虽然项目主题相同，但是学生在制作过程中会加入不同的想法，使用不一样的材料和工具，最后呈现出来的作品也有所差别。学生除了对最终作品的功能和外观进行评价，最重要就是在制作过程中总结学习收获。教师也可以鼓励学生对好的经验进行分享，以鼓励生生之间的交流、互动与合作。

小学高年级学段的学生动手能力还不强，在搭建电路方面和程序设计方面需要由浅入深逐步推进。让学生通过项目学习既可以横向进行学科渗透，也可以向重点内容进行纵向深入研究。项目的主题来源于生活，让学生真正做到所学即所用。

三、中学学段编程课设计

中学阶段随着学生对数学、物理学科学习的深入，易于理解相关编程算法和动手操作电气设备。对此，可以设计一些较为复杂的编程项目。下面以一个基于s2aio开发的测距与定位雷达的案例来说明怎样在中学阶段开展编程课设计。限于篇幅，这里只介绍方案的设计与分析。

在这里，硬件方面的测距雷达与目标自动锁定仪是由开源硬件和图形化编程技术开发出来的。它由红外测距传感器（或者超声波传感器）、舵机、测控板和电脑组成。软件方面需要完成的功能见图2所示的思维导图。

整个项目的设计要求为：（1）数据采集，当系统重启或者测量按钮被按下时，舵机带动测距传感器旋转，测距传感器同时对被测区域进行扫描，对量程范围以内的物体进行数据的收集，存入数据列表；（2）求比例，这些数据同时会通过映射函数（公式）换算，把物理距离转化成虚拟场景的像素化距离；（3）求坐标，假设传感器位置为原点，当它发生旋转时会产生角度，测到的距离就是长度，有了以上的参数就可以求被测物体的坐标了，这些数据可用来实时描绘被测区域的雷达图；（4）排序，用插入排序方法对被测距离数据进行排序，数组的下标用来记录角度，数组的值用来记录被测物体的距离；（5）定位，经过排序后，最短路径就出来了，它存储在以角度为下标的队列里，只要检测到“定位”按钮被按下，瞄准器便会转到最短距离的角度同时启动激光模块锁定目标。

该课程中涉及的硬件不多，而且很容易通过电商平台买到，项目要实现的内容就相对复杂，适合高学段的学生开展研究。

四、总结

中小学的人工智能编程教育综合了计算机、软件工程、机械、电子、通讯和控制等多个学科领域的知识和技能，这也给我们在普通中小学开展人工智能编程课程设计、开发和实施提供了丰富的课程资源，具有广阔课程设计空间。在课程设计上，小学阶段以培养兴趣为主，中学阶段适度加入算法和统计推理课程。在课程实施中，采用项目式学习，以小组合作形式开展项目研究，以梯度推进方式把人工智能与编程课程逐次进阶。在统一的课程设计体系下，我们可以发掘更多具有科学性、富有趣味性又直观易懂的课程设计案例。通过案例，我们可以把人工智能教育思想、理念和知识技能知识传授给学生，培养他们的科学思维和科技创新精神，增强关键能力。

【参考文献】

[1]秦建军，郭艳玫，马福贵.思维素养视角下的中小学人工智能教育[J].中小学信息技术教育，2019（5）：68-71.

[2]邵帅.小学Scratch编程与硬件相结合的实践与探索[J].新课程，2018（25）：118.