人工智能在創客教育教學中的應用
——以“零錢機器人”作品為例

江蘇蘇州市敬文實驗小學校（215000） 毛新悅

《新一代人工智能發展規劃》要求：“要實施全面智能教育項目，在小學階段開設人工智能與相應課程，推廣編程教育、創新創造教育。”基于此種背景，創客教育落地生根，逐漸滲透于小學各個年級段課程體系中，通過軟、硬、智、造四大媒介構成創客課程。開源機器人是創客課程中的主要內容之一，機器人制作活動靈活，能夠融入人工智能技術，為學生的機器人制作提供更多技術素材，啟蒙學生的人工智能意識，鍛煉學生的創客操作能力，為學生今后的成長與發展奠定堅實基礎。

一、設置課前任務，激發學生探索興趣

創客課程中應用人工智能，涉及較多的學科內容，且制作過程較為復雜，需要耗費大量的時間，若在課堂上展開教學全過程，則會影響學生的實踐創作活動，壓縮學生的動手操作時間。教師根據開源機器人“零錢機器人”課程內容，提出“課前+課上+課后+課終”的課程結構，引入翻轉課堂教學方法，提出明確具體的課前任務，讓學生借助互聯網平臺、微課視頻獲取關于人工智能、機器人制作方面的資料，以豐富資源激發學生興趣，為課上機器人的創作與實操做好準備。

【課前環節】

教師根據學校的創客機器人學習條件——具備多媒體教室、有現成的創客機器人微課視頻資源、機器人制作工具豐富，搭建翻轉課堂模式，讓學生在課前通過線上平臺觀看微課視頻——“創客零錢機器人”，并布置課前學習任務：（1）了解人工智能存錢罐結構；（2）理解機器人的語音識別系統工作原理；（3）掌握機器人中傳感器的設置及其工作原理；（4）了解更多的人工智能機器人成果。通過布置課前學習任務，學生的課前自主學習就有了明確的目標任務，為達成教學目標做好了充分的準備。

微課視頻生動有趣地講解了“零錢機器人”的功能、作用與創意思想，為學生演示了智能存錢罐機器人操作的全過程，激發了學生的好奇心與學習興趣。學生紛紛記錄視頻中機器人創作的重點步驟，得到結論為：（1）創作機器人，需要設計機器人的功能，每項功能都要有相應的軟硬件支撐，不能盲目加功能，以防現有條件難以實現；（2）需要根據不同功能選擇合適的傳感器，編輯不同的人機對話系統，需要對可視化編程語言進行初步學習了解；（3）機器人制作完成后，需要進行多次反復的實驗操作，以驗證機器人的功能和運行功能，對不完善的地方進行改進和提高。至此，學生初步形成設計思路，剩下的只待學生在課堂活動中實踐與操作。

教師設置課前任務，學生根據教師提供的微課視頻展開課前線上的自主學習，在觀看視頻的過程中大致了解了開源機器人制作的過程與思路，同時對“零錢機器人”產生一定的設想與設計想法，對不懂不清楚的地方，能夠自行上網進行資料查詢和問題解決，積累了一定的相關知識和經驗，有的甚至動手進行了某個功能的試驗性搭建，這些準備工作都為之后的課堂創客實踐奠定基礎。在本階段中，學生能夠在課前就了解人工智能的有關元器件：傳感器，初步形成人工智能認知，能夠更好地投入到創客活動的自主創作中。

二、課上提出假設，支持學生設計方案

課堂環節主要是尊重學生的學習主體地位，讓學生根據課前學習成果，結合自己對人工智能、智能機器人及其原理的認知，展開分析、設計、實踐操作的過程。教師根據班級學生的課前學習情況，考慮到創客課程探索性、實踐性的特征，提出“以小組為單位完成項目任務”的課上活動形式，明確這一環節的活動需求，提醒各小組分好工，各司其職、各盡其能，共同合作完成任務。至此，教師將課堂空間讓給學生，自己扮演引導者、激勵者的角色，使學生在課堂中能夠發揮主觀能動性，通過交流、互助，在教師的指導下自主操作完成項目。

【課上環節】

開源機器人“零錢機器人”是本校創客課程教材的主要內容，目的是提高學生在制作AI 人工智能實用器具方面的動腦和動手綜合能力。學生需要在完成課前學習之后，經歷課堂互動設計實驗方案和分組制作作品這兩個環節。教師可以設計以下的教學活動：提出機器人假設—小組設計實驗方案。

教師為學生準備充足的器材與設備，包括3D打印機、美工刀、鉗子、螺絲刀、手鋸、兒童電鉆、松木板、瓦楞紙、打印材料、掌控板、ARDUINO、核心板拓展板、RGB 燈帶、超聲波傳感器、減速電機、舵機、輪子、電腦等，并提出要求：“請大家根據課前的微課學習結果，以小組為單位，提出你的‘零錢機器人’設想。”這一要求的目的是鼓勵學生拓展思路，設想“零錢機器人”的功能，為之后形成系統的設計方案儲備材料。學生紛紛思考與交流，根據自己對存錢罐的認知及微課視頻中的作品展示，提出設想。

教師提出創客活動要求：“請大家根據自己的設想，以小組為單位，交流設計實驗方案，完善你的存錢罐功能，思考人工智能技術將要如何滿足你的存錢罐功能。”之后，學生紛紛投入到實驗設計中。

在設計環節，一些學生小組難免遇到問題，如不確定設計功能是否能夠實現、軟件編輯受技術水平難以達到理想狀態等，此時教師要給予學生最大的發揮空間，不要肆意干擾學生，而是在學生“求援”的時候適當給予提點、引導，讓學生自主完成設計環節，突破自我局限，實現課程教學目標。

三、加強理論培訓，形成AI智能思維體系

基于AI 人工智能的創客團隊，不僅需要擁有將AI 人工智能融入生活、解決實際問題的能力，還需要完成能夠融合AI 人工智能的創客作品。對學生而言，在教學的課后加強理論培訓是在完成創客作品后的一項重要任務，其不僅是對創客理論下AI 人工智能理論的總結，還是幫助形成AI 人工智能思維體系的必經之路。因此，鼓勵創客團隊成員集思廣益，充分發揮自己的聰明才智，將創客作品中所學習到的理論知識形成一定的體系，指導實踐，提升技術，是創客教學課堂學習人工智能的一個重要環節。

【課后環節】

在學生形成設計方案后、最終動手制作之前，教師需要進行必要的理論輔導，讓創客團隊“既知其然，更知其所以然”，達到腦、手一體的目標。就“零錢機器人”這個項目而言，可以將STEAM 教育理念滲透其中，從以下幾個方面由淺入深、從易到難地進行講解。

一是知識層面，講解學生比較感興趣的3D 打印技術和應用、ARDUINO 開源平臺的基本原理和發展趨勢、Scratch 圖形化編程的來源和演進等。形式上可以采取微課分板塊進行，圖文并茂、視頻展現，比單純的板書講述效果更好一些。對小學生而言，這部分內容主要是激發興趣，讓他們對即將用到的軟硬件產品有個直觀的認知，增強探索和動手的欲望。此外，還要對應用過程中可能遇到的問題進行預先分析，讓學生對淺顯的AI 人工智能設備有初步的認識，并對于實踐中遇到的困難也能樹立攻堅克難的決心。

二是理論層面，稍微加深一點，概略性講解“零錢機器人”的功能設計原理、造型搭建方法、語音識別要素、LED 發光原因、程序邏輯運算方式，及AI深度學習、機器自行學習、采用合適算法、各種高級編程語言（如Python Flask、C++、JavaScript）等，讓學生不僅能夠從外觀上了解AI 人工智能的構成，更加理解AI 的內涵，明白制造一個智能機器人決不像表面看到的那樣簡單，而是涉及多學科、多領域的融合與合作，這就是創客需要團隊的原因。通過這樣的輔導，讓學生明白機器人功能的實現需要厚實的理論儲備，激發他們努力學習、向知識高峰沖擊的決心，也為做好項目打下硬實的心理支撐。

三是應用層面，要講究深入淺出，在知識和理論鋪墊的基礎上，重點講述如何將理論與實踐緊密結合起來，充分發揮學生自主創造力。為了確保項目能夠順利進行，教師要進行手把手的培訓輔導，讓學生邊聽講邊動手；同時，應當采用合適的硬件強度以降低設計的技術門檻，重在學生的創新而非技術性環節的設計。這樣能讓學生在創造中體會到更多的樂趣，從其中感受到成功的喜悅。

通過這樣簡明扼要的課后培訓，學生既能從理論層面初步弄清AI 人工智能的來龍去脈和底層邏輯，又能非常直觀地體會即將落地的機器人項目，從知識掌握到動手制作，形成了比較系統的AI 智能思維體系，其影響力不僅是做好一個“零錢機器人”，更是學會了一套有益的思想方法，提升了小學生的科學素養。

四、課終展開操作，展示學生制作成果

課終操作指的是在課堂教學的后半階段，即成品制作和展示階段，讓學生根據已經完成的實驗設計方案，采用實驗室中的材料，以小組為單位進行操作，在機器人制作完成之后展示制作成果，旨在實現對學生人工智能技術認知的培養，鍛煉提高學生的動手操作能力。

【課終環節】

教師提出要求：“根據你們設計的機器人實驗方案，選擇自己需要的實驗器材與傳感器設備，開始制作機器人吧。”學生小組展開制作，學生根據上一環節展示的實驗設計方案，選擇實驗器材，具體操作過程如下。

1.學生1解讀開源機器人說明書，提出“要安裝編碼器、連接片與雙孔梁，制作底盤支架與存錢罐主體”。

2.學生2表示要根據自己對機器人的設想（見圖1），設定多啦A夢這一卡通形象，使用3D打印機打印“外包裝”。

圖1 瓦力零錢機器人概念設計圖

3.學生小組共同操作，負責連接各個結構，安裝底盤與主體，在零錢機器人的頂面開口，在存錢罐內部設置觸感裝置，每次投入一枚硬幣，皆可以感知到，自動累計數量，實現計算額度的功能。

4.在存錢罐中安裝小時鐘，使用掌控板、ARDUINO、核心板拓展板等技術編輯程序，設定72 小時一提醒，提醒學生每隔3 天存一次錢。其中，注意提醒的時間須是自己能感知到，且不受打擾的時間。

5.為“瓦力”穿衣服，利用遙控控制板操控機器人。

完成機器人安裝之后，學生小組紛紛展開“試運行”的環節。一名學生利用遙控板操作，讓“瓦力”在教室中移動，每個小組“收集硬幣”；這名學生為“瓦力”設定的硬幣獲取周期是30s，因此每過30s，“瓦力”就會發出“滴滴”的聲音，提醒大家“該存錢了”；可以看出，在“搜集硬幣”的過程中，“瓦力”身體上的顯示板出現數字變化，每次投入一枚硬幣，都會顯示“+1”的數字，且顯示累計硬幣數量。在學生展示“零錢機器人”之后，教師提出拓展引導：“大家的想法都通過實驗實現了，那你們能夠讓‘零錢機器人’儲蓄更多不同形式的錢嗎？可以讓機器人識別紙幣面額嗎？非錢幣能被識別出來嗎……”通過一系列問題引起學生的思考與探究，進一步深化學生的創客思維，強化本節課活動成果。

在本次活動中，學生通過課前學習、課堂交流與實驗設計、機器人制作操作等環節，自主選擇了自己想要實現的機器人功能，且通過動手操作一一實現這些功能，進一步鍛煉了學生動手操作的能力，讓學生對人工智能的應用形成深刻印象。

綜上所述，創客教育是小學教育中的重要內容，隨著創客教育的逐漸普及，各小學校開設了智能機器人教學活動，引入人工智能，目的在于拓展有關學科知識和學生的知識面。在本次開源機器人“零錢機器人”創作教學活動研究中，學生根據教師設置的創客活動流程，分別在課前、課上、課尾和課終參與不同環節，創作了屬于自己的“零錢機器人”。該活動實現了“在玩中做，在做中學，在學中創”的教育目標，提升了學生對人工智能、現代化技術的認知水平。