以航空航天模型為載體的小學人工智能課程設計與實踐

天津師范大學 李夢瑤 段小江 趙詩源

自從20 世紀80 年代人工智能興起以來，學校中的人工智能教育也逐漸開展。國外將教育作為一種手段來培養能夠擴大和利用知識庫的思維，而人工智能則提供了工具，以開發更準確和詳細的人類思維運作圖景。2017 年7 月，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》對基礎教育提出了“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程”的要求。2018 年4 月，教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》，明確要求完善課程方案和課程標準，為人工智能教育開展提供了堅實的政策支持。依托較為成熟的航空航天模型，拓展人工智能教育的載體，將人工智能語音識別技術、圖像識別、編程等技術運用在航空航天模型運動上，設計出符合不同階段中小學生學習的人工智能課程，進入實踐，有利于加快人工智能教育的普及。

一、人工智能在小學教學中的應用現狀

在我國，中小學人工智能教育還處于比較初級的階段，存在著不少的問題。人工智能在中小學教學中應用的問題主要表現在以下幾個方面：一是普及度不高。中小學生的教育教學依然以傳統學科教學為主，沒有將人工智能融入學校課時中，導致人工智能尚未真正走進中小學課堂。二是缺乏成體系的課程。人工智能技術屬性比較強，這類學科教學對教學資源的需求量相對比較大，但是當前沒有適合中小學開展人工智能教育的體系課程。三是實施載體單一。人工智能教育僅依托編程和機器人的教學開展，人工智能教育開展載體單一。四是缺乏強大的師資力量。當前很多中小學師資力量匱乏，致使人工智能教育教學難以真正發展起來，教學質量也會受到一定的影響。

二、以航空航天模型為載體的小學人工智能課程設計與實踐

開發課程和教具，擴展人工智能載體。將人工智能技術和航空航天模型相結合，開發出適合中小學不同階段使用和活動的課程和教具，再利用線上線下教學手段，進行課程實踐。

（一）課程設計與實踐實施方案

1.課程設計總體思路

航空模型按飛行器類型可以分為固定翼飛行器、多軸飛行器、火箭飛行器。按照這個分類，在每類中加入適合中小學生認識和學習的人工智能的理念和技術。旋翼類：利用現在主流的LiteBeeGo 編程軟件將復雜的程序圖形化、可視化，讓學生可以輕松上手，實現不同類型、規模的編隊飛行表演。水火箭：在已成型的水火箭模型上加入圖像識別模塊、語音播報模塊、測距傳感器、陀螺儀等組件，以實現每發射一次水火箭都能發現這次發射的問題，并通過語音播報模塊表達出來，下次發射時調整對應的參數，如角度、壓強等，從而實現更加精確的水火箭打點。固定翼：設計并制作自穩定裝置，安裝于手擲泡沫滑翔機之上，用來補償手擲泡沫滑翔機副翼、水平尾翼和垂直尾翼的功能，以實現手擲泡沫滑翔機的穩定飛行。

2.針對不同階段的學生采取不同的教學內容

小學低年級：手擲泡沫飛機（初級）、橡筋動力滑翔機、水動力火箭（初級）等。小學高年級：手擲泡沫飛機（中級）、橡筋動力撲翼機、一級牽引滑翔機、水動力火箭（初級）、電動自由飛。

3.以航空航天為載體的人工智能初級課程大綱

（1）無人機（20 學時）：一是初步學習無人機的原理、無人機相關電子設備的使用方法及安全操作。二是初步學習無人機飛行操作方法，使用模擬器、真機體驗飛行。三是在LiteBeeGo 編程的基礎上，讓學生體驗諸如修改簡單的參數、程序拷貝進芯片等易操作的步驟。四是運行程序，體驗無人機自動編隊飛行，對比感受人工智能的魅力。

（2）水動力火箭（10 學時）：一是設計、組裝、發射，完成火箭類航天飛行器發射操作，盡量實現更加精確的打點。二是在水火箭模型中加入語音播報推薦最優路徑模塊，實現以較少的重復次數而達到更精準的水火箭打點的效果。三是與之前的手動校準水火箭的過程相對比，理解用人工智能實現的高效性。

（3）手擲泡沫滑翔機（15 學時）：一是通過手擲泡沫滑翔機了解飛機副翼、水平尾翼和垂直尾的功能，掌握飛機方向調整的方法和花式飛行的技巧。二是組織“誰飛得更遠”的活動，讓學生了解只有在機翼水平的前提下，才能增加航程。三是在泡沫飛機中加入自穩定裝置，再組織一次相同的活動，對比兩次活動的結果，認識到人工智能在改善某些方面的巨大作用。

4.教案開發

以無人機課程方案為例。活動材料準備（每套材料）：無人機套材（穿越機）、遙控器（右手油）、航模常用工具。理論知識講授：理論知識講授環節主要包含航空模型、無人機飛行器相關專有名詞的介紹；飛行操作中所設計的物理知識或常識的講解等。講授樹莓派的有關知識、編程的基礎操作和各種傳感器的功能以及使用方法。

操作流程：①帶領學生進行無人機拼裝；②初步學習無人機飛行操作方法，使用模擬器、真機體驗飛行；③體驗沒有人工智能程序無人機的飛行操作后，帶領學生學習LiteBeeGo 編程；④在LiteBeeGo 編程的基礎上，多次調試達到滿意的效果后，將程序拷入無人機；⑤實戰演練，體驗無人機自動編隊等飛行動作，對比感受人工智能的魅力。在這個過程中，通過前后有無人工智能技術的實踐，讓學生體會人工智能帶來的高效性。

注意事項：第一，“操作流程”③中“帶領學生學習liteBeeGo 編程”，對于小學生，選擇簡單的模塊化圖形化編程學習，這種形式的編程簡單明了易操作。例如，學生通過LiteBeeGo 控制無人機，實現精彩的飛行表演，只需在軟件處于編隊模式下，在界面點擊“預覽”按鈕即可預覽編隊飛行。第二，對于中學生，選擇入門的Python 編程。基本框架已為其搭建好，教過Python 的基礎語法后，在教師的幫助下，學生盡量獨自完成一個無人機編隊飛行的函數。第三，學生通過LiteBeeGo 控制無人機，實現精彩的飛行表演，讓學生能夠切實感受到編程的效果，創造效果更佳直觀。

5.配套資源開發

旋翼類：飛控和樹莓派的開發與結合，學習LiteBeeGo編程軟件。水火箭：搭載樹莓派等配件的水火箭的設計與制作、樹莓派的開發。固定翼：51 單片機的開發與壓力傳感器的結合、增穩器結構的設計與制作。

6.線下線上教學模式設計

線下教學：理論知識在課堂中進行教學，實際操作體驗課程在戶外進行。線上教學：利用互聯網資源進行對線下教學內容的補充和擴展，小學編程利用計算機進行“云”課堂教學。

7.效果評價與反饋

主要采用CIPP 過程評價體系。具體評價過程分為四步：①背景評價。明確評價課程實施對象小學生的需要。明確課程滿足需要的機會：航空航天教育和人工智能教育的時代需要。②輸入評價。課程內容的設計以及教案的開發是否能夠達到提高小學生綜合素質的目的，以及促進航空航天知識普及以及推動人工智能教育發展的目的。③過程評價。通過觀察課程實踐過程中小學生對課程的接受能力、活動參與度以及課程實施后是否達到預期的課程目標，來確定課程設計本身或實施過程中存在的問題，為修正課程內容和實踐提供有效信息。④成果評價。通過展示學習成果，以及舉辦相關比賽活動，測量、解釋和評判課程計劃的成績。

（二）研究技術路線圖

1.無人機自動編隊飛行的技術路徑

由編程軟件（LiteBeeGo）寫好程序，通過樹莓派控制飛控，將帶有飛控的飛機組成無人機，由無人機實現編隊飛行。

2.水火箭精準打點的技術路徑

將火箭帶上樹莓派、加速度傳感器和角度傳感器，在發射臺上安裝樹莓派、測距傳感器和角度傳感器，經過多次的發射進行修正，找到合理的發射參數。

3.固定翼增穩器的技術路徑

在泡沫飛機上搭載51 單片機，通過加速度傳感器、角度傳感器等判斷飛機的姿態，在通過舵機的控制實現飛機姿態的修正，從而實現增穩。

綜上所述，人工智能課程設計與實踐，旨在推進航空航天知識的普及，為科教興國助力。開展航天航空活動可以提高小學生學習能力、動手能力、身體協調能力、運動能力和創新能力，鍛煉青少年的身體素質，培養其耐心、果敢的心理素質和團隊合作、科技創新的能力。拓展人工智能教育在小學階段實施的路徑，結合不同階段小學生的學習能力將人工智能語音播報、圖像識別、自動化等技術與航空航天模型相結合，設計出適合小學階段學生學習的人工智能課程，有利于提高人工智能教育在小學階段的可實施性。