小學高年級人工智能教學設計與實施

吳月敏

摘要：作者從生活實際出發，以自動垃圾收集機器人項目為例，開展小學高年級人工智能項目化教學，為人工智能教育提供參考課例。

關鍵詞：計算思維;自動巡線;垃圾收集

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）11-0052-02

2017年國家發布《生活垃圾分類制度實施方案》，要求各地推動垃圾分類，改善人民群眾生活環境，促進資源合理回收和利用。各地各小區都配有垃圾房，但垃圾收集需要更多的人力資源，這給當地財政增加了壓力。針對這樣的矛盾，筆者引導學生思考如何從人工智能角度去化解矛盾，開展自動垃圾收集機器人的項目化教學。

● 項目設計方案

1.設計原則

基礎性：開展人工智能教學要關注學生對基礎性知識的掌握。教師要引導學生通過基礎認知，進一步對項目進行分類和細化，實現各模塊的有效銜接。

思維性：項目化教學的核心目標是發展學生計算思維。教師幫助學生理清算理和法則，讓學生對自動垃圾收集機器人項目進行有效觀察，并選擇最佳算法，培養學生思維的發散性和靈活性。

進階性：開展人工智能教學要關注學生的個性。不同學生的個性是不同的，認知水平也有差異，人工智能項目化教學可通過2～3課時完成一個項目，這樣既可讓認知水平薄弱的學生有時間思考和消化，也可以深入推進課程的有效開展。

2.教學策略

教師將自動垃圾收集機器人項目模塊化細分為自動駕駛和垃圾自動識別收集兩部分，由學生針對項目提出問題并解決，教師只做引導，讓學生成為學習的主人。

● 項目實施

1.選用機器人

本項目選用某開源機器人，原因有三：一是其程序界面的核心是圖形化編程軟件，學生有一定的基礎，容易上手;二是價格相對實惠，適合開展整班教學;三是拓展性好，學生可以融入自己的創意進行二次開發。

2.項目模塊細化

要實現機器人自動垃圾收集，需要分模塊進行分析，機器人小車有五個基本操作——自動巡線、主動避障、精確停車、垃圾識別、垃圾收集，在學生理解了各模塊的操作后，進行分模塊設計。

①自動巡線。要實現機器人自動巡線，需要讓學生了解灰度傳感器，為機器人小車安裝兩個傳感器，這樣機器人就能沿著白色背景上的黑色線條自動行駛。程序自帶巡線傳感器檢測模塊，用以檢測傳感器的數值，左右兩個傳感器分別檢測有四種可能：一是左右傳感器都檢測到黑，輸出值為0，小車前進;二是左傳感器檢測到黑，右傳感器檢測到白，輸出值為1，小車左轉;三是左傳感器檢測到白，右傳感器檢測到黑，輸出值為2，小車右轉;四是左右傳感器都檢測到白，輸出值為3，小車后退。通過這樣的講解，學生對機器人小車的自動巡線有了充分的學習和理解，也為編程條件語句的應用打下了良好的基礎。

②主動避障。在現實生活中，如果機器人小車在行駛中遇到障礙物，如何讓小車自動躲避呢？這就需要讓學生了解超聲波傳感器，超聲波傳感器主要由發射器、接收器和控制程序組成，超聲波傳感器通過發射和反射的時間差來有效檢測前方障礙物的距離。程序中也有超聲波傳感器檢測距離的編程模塊，如果距離小于安全距離數值就讓小車及時左轉或右轉，如果小于警戒距離就讓小車停止并后退。在學生對超聲波傳感器了解后，可讓其自主嘗試，安全和警戒距離數值為多少最為合理。在小車及時避障后，如何讓小車繼續巡線？學生在具體學習中不斷地解決問題，在問題解決中又不斷地發現新問題，再解決，再發現。這樣的過程，讓學生的計算思維得到了充分的發展。

③精確停車。要實現垃圾能自動收集，精確停車非常關鍵，精確停車為下一步驟機器人機械臂的垃圾精確收集提供切實保證。要想實現精準停車，可讓學生找準某一參照物，如在垃圾箱中間畫一圓點，讓機器人小車的車頭中心正對該點。機器人小車的輪胎受地面摩擦力的影響，存在一定的誤差，即使是同一程序，也可能有不同的停車結果，因此建議使用硅膠輪胎。此外，在實際運行中，要讓學生養成及時清潔輪胎表面的習慣，通過細節的關注，讓機器人小車更加穩定和精確。

④垃圾識別。不同的垃圾種類由不同顏色的垃圾桶進行收集，以蘇州為例，將垃圾分類為可回收垃圾、其他垃圾、有害垃圾和廚余垃圾四類。可回收垃圾用綠色的垃圾桶收集，其他垃圾用藍色的垃圾桶收集，有害垃圾用紅色的垃圾桶收集，廚余垃圾用灰色的垃圾桶收集。對初學的學生，簡化難度，本項目只使用綠色可回收垃圾和藍色其他垃圾兩種分類，這也是學生教室里的垃圾桶分類方式。某機器人沒有安裝顏色傳感器，但是可以利用其光線傳感器和兩個LED燈來實現顏色傳感器的功能。不同的波長對應不同的顏色，對于傳感器而言，使用某個物體發射和反射的紅、綠、藍三基色分量，就可以判斷出它的顏色了。

⑤垃圾收集。要實現垃圾自動收集，需要實現一一對應，對綠色的可回收小垃圾桶進行抓取，再倒入綠色的可回收大垃圾桶內，對藍色的其他垃圾也是同樣操作。這就需要機械手臂的幫助，項目使用的機器人帶有機械爪拓展包，可以使用。當檢測到前方有綠色的可回收垃圾桶時，用抓手對準綠色垃圾桶，進行抓取。此外，學生還要對機械臂進行設計，搭建機械臂的目的是能讓抓手對垃圾桶進行升高和將垃圾精準傾倒，實現垃圾收集的目的。

⑥更多設想。實現自動巡線是靠灰度傳感器檢測地面黑線或白線的數值，在現實生活中，如果道路上的白線上有污垢，灰度傳感器檢測不到黑白線，那么機器人小車還能實現自動巡線嗎？為了更好地解決問題，可讓學生主動探究，如改為機器人小車電磁循跡，把黑白線改成磁線，這樣就可以有效解決以上問題。實現垃圾識別是靠傳感器識別垃圾桶上的顏色，這個前提是垃圾桶里的垃圾已經分好類了。在現實生活中，如果道路上有零散的垃圾，如何讓機器人小車更加智能呢？教師可讓學生學習視覺識別技術，明確通過此技術，能讓機器人小車精確識別垃圾，并判斷出垃圾的類別。這個過程，既關注了學生計算思維的發展，又引導學生初步了解科技前沿，更培養了學生的創新意識和創新能力。

● 項目總結

人工智能技術日新月異，由于該技術比較特殊，教師需要沉下心來探索和學習，并通過具體的項目化課程案例的開展，讓人工智能教育真正落地。

參考文獻：

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[2]周迎春.面向STEM的mBlock智能機器人創新課程[M].北京：人民郵電出版社，2017.