创客教育理念下小学人工智能单元教学实践初探—以《智能坐姿矫正器》为例

创客教育理念下小学人工智能单元教学实践初探—以《智能坐姿矫正器》为例

王蒙

北京教育科学研究院大兴实验小学

【摘要】本文聚焦如何在小学课堂落实新课程标准中关于人工智能相关教学内容。教学以《智能坐姿矫正器》为案例，探索人工智能教学内容在小学课堂上的实施路径。教师在创客教育理念的指引下，以小组合作的学习方式，引导学生经历问题分析、方案设计、方案实施以及方案优化的过程，在学习迁移的过程中制作出不同的创意作品，进而解决生活中的问题。

【关键词】课程标准；创客教育；人工智能

在《义务教育信息科技课程标准》中关于课程理念部分强调要构建逻辑关联的课程结构，指出以数据、算法、网络、信息处理、信息安全、人工智能为逻辑主线，按照学生的认知发展规律，统筹安排各

学段学习内容。在小学的中高年级初步学习基本概念和基本原理，并体验其应用。要遴选科学原理和时间应用并重的课程内容，倡导真实性学习。如何将课标中人工智能的教学内容在实际教学中高效落地实施、如何引导学生在“真情境”中解决“真问题”，成为值得研究的问题。综上所述，教师尝试以《智能坐姿矫正器》为内容载体，在创客教育理念的指引下，引导学生通过经历学习过程解决问题，进而理解人工智能对我们生活的影响。

一、创设真实情境，聚焦真实问题。

课标中强调教学过程中以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，构建知识，提升问题解决能力，鼓励“做中学”“用中学”“创中学”，因此在聚焦真实问题时，教师借助问卷星对班级学生做了前期的问题调研，通过问卷数据和班级学生视力检查情况综合分析视力情况不容忽视。

                    图1：学生参与问卷调查填写的视力情况

                   表1：授课班级所在年级的视力检查情况统计表

在明确了视力问题不容忽视的基础上，同学们对造成视力问题的原因以及改进视力的方进行了梳理，如图所示。通过对视力问题产生原因和改善视力的方法分析，在课堂上同学们普遍认为保持良好的坐姿写姿虽然是保护视力的有效途径之一，但也是最容易被大家忽视的，结合在一年级刚刚入学时学校统一安排使用传统坐姿矫正器的真实经历，决定设计一个《智能坐姿矫正器》。

图2：学生结合自身实际填写视力问题产生原因分析

图3：改善视力方法问卷结果

二、项目引领，经历学习过程

1.描述过程，初步了解工作原理。

确定了研究方向，学生描述了传统坐姿矫正器的工作过程，是通过硬件结构确保头到桌面的标准距离，以此来达到保证良好的坐姿写姿的。

2.步骤细化，借助流程图理解关键环节。

借助流程图梳理坐姿矫正器实现“坐姿提示”的过程，也是明确其工作的原理的过程，梳理的过程中可以借助流程图清晰明了的看到“智能坐姿矫正器”关键环节所承担的任务以及需要用到的硬件支撑（如图4所示），从工作的流程中可以看到实现基础功能可以划分为输入——计算——输出三个关键环节。

图4：智能坐姿矫正器工作流程图

2. 思路聚焦，形成具体设计方案

在理解了传统坐姿矫正器的工作原理以及矫正器工作的关键环节基础上，聚焦各个环节的功能实现，思考每个关键环节如何实现，以及要达到什么样的效果。此时教师引导学生从其使用传统坐姿矫正器时的体验感为切入点，分析传统坐姿矫正器存在的不足，如使用场景单一、携带不方便、使用过程中由于材质较硬体验感不好等问题，鼓励学生学生在此基础之上，结合自己理解的“智能”对《智能坐姿矫正器》进行了功能设计。

3.“用中学”，软硬件结合实现“智能坐姿矫正器”基本功能。学生从三个关键环节进行功能设计，通过对学习单的收集与整理，数据如下表所示

表2：学习单数据整理结果

在梳理了学生的设计方案后，结合学生学习原有水平和实际情况，最终确定在输入环节使用超声波传感器获取距离。超声波传感器是学生没有接触过的内容，教师以微课、学习单等形式为学生提供脚手架，让学生理解并学会使用。

4.“创中学”，解决生活中的类似问题。

有了设计制作《坐姿矫正器》的学习经验，学生应用其原理解决了许多其他生活中的问题。

（1）智能小夜灯

     学生想到晚上起夜时开灯的不便在矫正器的基础上做调整制作成了智能小夜灯，解决晚上起夜的问题。制作之前学生对比了市场现有的相关产品，一类产品是插电常亮的，这种小夜灯不安全、不节能，还影响睡眠；一类产品是遥控控制的，学生认为不方便；还有一类产品是声控的，学生认为会影响其他家人休息，综上所述，学生设计的感应小夜灯还是非常实用的，除此之外还可以根据家具布局修改相关参数值，实现个性化服务。

图5：学生作品——超声波感应灯

（2）倒车雷达

 倒车雷达这个作品是学生想要利用所学模拟生活中实际的倒车雷达。制作过程中在模拟距离越近提示音越急促时遇到了问题，学生想要通过划分距离来实现，但是由于传感器是持续不间断测量距离的，需要将距离的范围值划分的非常细，在编写程序时非常繁琐，而且实现效果不好，因此经过探究后通过控制等待时间来实现，将“距离变量*系数”设置为高低电平转换的等待时间，不仅简化了程序，在实现效果上也更加接近实际。

图6：倒车雷达设计方案               图7：学生作品——倒车雷达

（3）智能垃圾桶

  学生发现大多数小区内的垃圾桶有两类：一类没有盖子，异味比较大；另一类需要手动的打开盖子，有时候手里拿着东西不方便，而且也不卫生。在学习制作了坐姿矫正器后，学生将其原理迁移应用到垃圾桶的制作中。当有人扔垃圾时，传感器检测到人在相应的距离范围内，通过舵机带动绳子控制垃圾桶的盖子打开，等待一段时间后，垃圾桶盖关闭。制作过程中，舵机部分的内容学生之前没有接触过，在设定舵机初始位置和舵机旋转角度时进行了探究学习。

图8学生作品——智能垃圾桶

（4）门禁系统

  学生在图书室阅读时，会因为同学的进出开关门收到打扰，因此同学们将学到的内容迁移到解决这个问题中，设计了一个感应的门禁系统。

图9：门禁系统设计方案               图10：学生作品——单向门禁系统

（5）烘手机

   学生在商场等公共场所看到卫生间都有烘干机，看到同学们在学校卫生间洗完手都会简单甩一甩然后就出来了，楼道里会有很多的水渍，所以想要解决这个问题，制作了一个烘干机，使用风扇吹风可以把手吹干。

               图11 学生作品——烘手机

（6）避障小车

   学生设计避障小车的灵感来源于生活中看到的送餐小车，可以灵活的避开障碍并按照指定的路线将餐品送到相应位置，很大程度上节省了人力、物力，受此启发，学生制作了避障小车，可以实现小车在正常行驶过程中遇到障碍停下的效果。

               图12学生作品——避障小车

三、交流分享，激发迭代升级

     学生以小组合作方式经历了问题分析——方案设计——方案实施的学习制作过程，在交流分享环节与班内同学介绍了自己的作品。这个过程不仅是简单的产品分享过程，同时也在同学间的提问与讨论中，激发了学生对作品更新迭代的灵感，其他同学的很多问题都让产品从功能上更加优化了。具体问题提炼如下：

1.关于小夜灯的建议：

学生提出问题：

亮灯时间的长短如何确保使用者能够完成喝水或者上厕所的时间？

如果避免宠物的经过导致的亮灯？

制作者受到的启发：

可以将距离范围进行划分，实现根据范围值调整亮度，既能满足使用时长，还能节能环保。

2.关于倒车雷达的建议：

学生提出问题：

如果障碍物没有在传感器的水平范围或者正前方，怎么实现提示功能？

制作者受到的启发：

可以多安装几个传感器，增加测量范围；想到后期要加入摄像头，实现真正模拟倒车雷达。

3.关于智能垃圾桶的建议：

学生提出问题：

垃圾桶是如何供电的？怎么能保证在小区内正常工作？

制作者受到的启发：

目前使用的是电源供电，如果在小区使用可以将供电方式改为太阳能电池供电，方便环保。同时还可以加入MP3模块，进行垃圾分类知识宣传。借助图像识别技术，识别垃圾分类正确性，对居民进行提示或鼓励。

4.关于门禁系统的建议：

学生提出问题：

如果检测到有人，门打开了，会不会出现人还没走到门口就关门而引起的安全问题？

制作者受到的启发：

可以调整传感器的位置，将传感器安装在闸门附近，可以解决这个问题。同时也在讨论中想到可以在对侧也安装一个传感器，实现双向闸门。同时想到通过刷学生卡来记录学生阅读情况。

5.关于烘手机的建议：

学生提出问题：

学生提出商场里使用的烘手机都是热风，制作的烘手机是自然风，烘干时间长。风扇裸露在外面不是很安全。

制作者受到的启发：

可以加入加热装置，同时将风扇进行封装。

4.关于避障小车的建议：

学生提出问题：

这个避障小车现在只能走直线，不能实现送餐功能，是否有其他用途？

制作者受到的启发：

可以加入光线传感器实现巡线功能。在应用场景上，学生想到可以加入语音模块，实现语音互动，作为学校的电子导游为来校的客人介绍学校情况。

交流展示的环节不光是对作品设计迭代的过程，也是同学间相互学习评价的过程。在展示过程结束后，同学借助问卷星对所有分享同学的作品、表述、小组合作等方面进行评价，实现生生互评的同时，也方便教师了解学生学习情况。

图13 课后评价问卷情况

四、由现象到本质，原理提炼

“通过不同的智能创意分享，可以发现什么共同点呢？”学生通过观察、讨论，发现这些创意作品有相同的硬件，比如超声波传感器、Arduino开发板、舵机等，从其工作原理和作用分析，可以将这些不同的智能创意作品抽象为一个简易的控制系统，它们都有着输入——计算——输出的关键环节。在输入环节，通过传感器实时连续测量距离，计算环节，根据实际需求设定阈值，将测量值与阈值进行比较并执行相应的输出操作，这个实时测量比较的过程就是系统实现反馈的过程，通过反馈让系统达到稳定的工作状态。

                         图14学生对于知识掌握情况问卷结果

五、整体回顾，梳理方法

     在提炼了工作原理后，从发现问题到解决问题进行整体的回顾，梳理出创意智能产品的制作过程。在实际生活中通过一些现象发现了相关问题，对问题进行提炼、聚焦，形成了相应的设计方案，借助不同的支持实施方案形成具体的作品已解决发现的问题，对具象的作品进行讨论，发现可以改进优化的地方，进而再次优化设计方案，循环反复，这个过程不只局限于某个作品或某个项目，可以将其迁移应用到解决其他问题的过程中。

图15 问题解决方法提炼

结语

学生学习的真正意义在于可以面对未来生活中的复杂情境时，具备能够解决问题的能力。本文以创客教育理念为指引，引导学生在真实情境中经历学习的过程，通过智能创意作品设计、制作感受信息科技对生活的影响。

注：本文系北京教育学院课题“创客教育理念下小学人工智能教育教学设计与实践研究”（课题编号：XYJG2022-68）、北京市教育学会创造教育专业委员会“十四五”教育科研课题“大单元教学指引下小学信息科技学科单元作业设计与实践研究”（课题编号：czjykt2022dx003）的研究成果。

参考文献

1. 《新版课程标准解析与教学指导——小学信息科技》2022年版  李峰主编  北京师范大学出版社。
2. 《创客三级跳  Ardunio的项目式学习》 谢作如  吴俊杰  中国工信出版集团 人民邮电出版社