小學scratch教學中初探人工智能

關莉莎

研究背景與目標

我們知道現在是信息技術領跑社會，但是對于小學生來說，教師在講解感測技術、控制技術這些知識時會感到比較抽象，僅僅用視頻播放這些技術的使用畫面，學生理解起來較為困難。然而，我們知道抓住了核心素養，也就抓住了教育的根本。2014年教育部將“創客意識”納入中國學生發展的核心素養，旨在通過實踐和探究，激活學生的創造思維和創新意識。如果學生沒有切身感受，僅憑想象怎么能創新？怎么用科學思維來表達自己的想法？

基于此，我們借助小學scratch教學，在小學生現有認知水平的基礎上來初探人工智能。《機器人與SCRATCH的火花》屬于趣味編程軟件和硬件設備互動的課程，力求在模仿中讓學生學會創造。《智能風扇》是《制作電風扇》派生類學習，是校本教材，而校本教材就是讓學生以生活為向導進行創造，通過新舊知識相互作用，使新觀念得以實現。通過學習，學生還提出智能空調、智能電燈等想法，后續會成為我們智能系列的作品。

根據皮亞杰兒童認知發展（7～11歲）的規律可知，兒童認知結構中已經具有了抽象概念，因而能夠進行邏輯推理。也就是說，學生能夠制作電風扇，已經能夠理解電風扇工作原理，并且對智能化的東西有所了解，知道了智能的含義。

◎研究的主要內容◎

本課通過搭建硬件設備（arduino uno 的主板、擴展板、馬達、風扇、超聲波感應器、溫度感應器、液晶顯示塊、P2/P3/P4排線），使用Scratch程序來控制硬件設備（利用溫度模塊采集溫度、超聲波感應模塊讀取距離值，當溫度大于30度且距離小于50厘米時馬達轉動）。初步探究人工智能，切身體驗什么是感測技術，什么是控制技術。

具體學習目標：

1.通過分析生活場景需求，了解智能風扇的功能特點，激發創造欲望;

2.通過完成具體任務、自主實踐，認識變量及其使用，掌握對知識點的整體認知方法;

3.通過分析工作原理，師生提煉出流程圖，并根據流程圖能夠搭建腳本，啟迪學生的思維和智慧;

4.通過綜合實踐，掌握超聲波、溫控感應原件、液晶模塊的使用方法，培養學生的造物能力和團隊協作能力，初步體驗人工智能。

課例實踐

活動一：創設情境

采用情境化策略。情境的設計是基于生活并且內含問題：屋子里沒有人，風扇卻開著，很浪費電，主人忘記關了。

學生會從中思考——浪費電，如果設計一個“聰明的”風扇，是什么樣子呢？學生說，自動檢測到沒有人時，電扇會自動關閉。沒有人時自動關閉，我們需要分析，怎么去檢測有沒有人？然后發現給出的硬件設備中有超聲波感應器，可以檢測沙發上是否坐了人。

教學中結合家用汽車尾部的倒車雷達，來介紹超聲波感測器——通過發射頭發射出聲波后，接收頭接收到聲波的時間，來計算物體是否在距離值范圍內。

初步設想：我們把超聲波裝置安裝在沙發附近，通過檢測沙發附近距離值內是否有人來控制風扇的轉動，然后設計流程圖，根據流程圖搭建腳本程序。

設計意圖：采用情境化策略實現目標，通過分析生活場景需求，了解智能風扇的功能特點，激發學生的創造欲望。

活動二：溫度感測

我們在天氣特別熱的時候才會使用電風扇，那么怎么檢測溫度值呢？通過情境引出溫度模塊后，將與溫度有關的所有的知識點進行整合學習。通過找、數、辨、試四個環節鞏固知識，思考并實踐三個問題：1.怎么新建溫度變量？2.怎么讀取溫度變量的值？3.怎么連接溫度感應模塊？

思考完三個問題后，將溫度檢測值賦值給溫度變量，據此判斷溫度值是否大于某一值時決定馬達是否轉動。

設計意圖：學生對于電風扇工作原理很熟悉——通電后馬達轉動，但是對于智能風扇感覺很陌生。這時，我們引入溫度感測模塊，讓學生初步了解感測技術，并能根據實際情景判斷出，當溫度大于30度時馬達轉動。這種操作既使學生學習了知識，又幫助其解決了實際問題。

活動三：綜合設計

通過討論，我們得出：“聰明的”風扇是滿足在有人并且溫度大于30度時，馬達開始轉動的條件的。這時學生需要動手搭建腳本，同時連接感測器到主板上面。

活動四：外觀設計

我們設計一個智能產品，程序和硬件搭建是一方面，另一方面產品的外觀也很重要。經過同學們的創意設想，我們設計出了一款智能玩具——小熊家的智能風扇，本玩具屬于純手工制作。當小熊回到家坐到沙發上面，溫度大于30度時，風扇開始自動轉動。

設計意圖：通過采用活動化策略，在這一環節實現了目標4，且使學生的綜合能力得到了鍛煉，并對于感測技術、控制技術以及人工智能有了一個形象化的認識。

課后反思

在四年級第一課介紹什么是信息技術時，給學生講到感測技術、控制技術，學生感覺很陌生;跟他們講裝有感測器的機器人能模擬人的觸覺、聽覺、視覺，可代替人完成許多工作，學生對于這句話的理解很抽象。但當我使用scratch教學中的溫度感測模塊和超聲波模塊，形象化地把人工智能詮釋后，學生對于感測技術和控制技術及人工智能才有了一個可視化的認識。當我用scratch為例進行教學時，學生對于人工智能的喜愛之情和求知若渴的表現讓我深深感動。雖然小學生的認知水平和認知能力有限，我們講一些人工智能對他們而言是陌生的，但我以智能風扇為例，打開小學生探索人工智能的大門是符合他們的認知規律的。因而借助小學scratch教學，對小學生人工智能的學習是有意義的。