基于人工智能的“樹莓派”校本課程設計與實施

沈萍強

隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等新技術迅猛發展，信息科技學科教學內容亟待更新。2020年，浙江省教育廳教研室對初中信息技術教材做了全面修訂，其中《浙江省義務教育教科書信息技術八年級下》新增了物聯網和人工智能課程內容模塊。由于缺少配套的教學器材和數字化工具，學生無法經歷模擬、仿真、驗證等過程，更談不上創新，很多信息科技教師對于新增內容不知如何有效教學。我國某科技公司以“樹莓派”（微型電腦主板）為載體研發了配套的數字化教具（數字設備、平臺）并提供教學資源，支持學生有效管理學習過程與學習資源，開展探究性學習，創造性地解決問題。為此，筆者圍繞物聯網和人工智能課程內容，以“智能車輛管理”項目為例，開展基于“樹莓派”的校本課程教學，引導學生在真實問題情境下參與項目式學習，鼓勵他們“做中學”“用中學”“創中學”，提升數字素養與技能，增強數字化適應力、勝任力、創造力。

一、“樹莓派”校本課程內容設計

《義務教育信息科技課程標準（2022版）》指出：教師要因地制宜地遴選符合教學要求、體現育人價值的資源，并結合學生認知水平對已有案例或素材等進行二次開發與迭代。筆者基于物聯網和人工智能等課程內容，以學生已有的知識、技能和經驗為起點，遵循學生學習規律，按照項目教學流程來設計“樹莓派”校本課程（教學內容及安排見表1），為學生創設真實的學習情境，營造能力與品格融合發展的成長環境。

教師讓學生在“場景分析—原理認知—應用遷移”的項目式學習中，選用合適的“樹莓派”設備與資源，有效地參與數字化學習與合作探究活動，利用信息科技手段創造性解決問題，提升數字素養與技能。

（一）基礎知識講解：走進“樹莓派”與“古德微”

教師將認知和體驗定為教學目標，幫助學生認識“樹莓派”及其部件構成，掌握“樹莓派”的開機方法。從“樹莓派”的連接方式出發，教師引出“古德微”圖形化編程平臺，引導學生認識平臺的基本界面，掌握平臺與“樹莓派”的連接方式，初步了解平臺中的各個指令模塊。學生系統了解并掌握開機連接設備與登錄平臺方法，會激發對新技術的學習興趣和形成信息意識，有利于理解物聯網的基本概念和基本原理，認識新技術對人類社會的貢獻與挑戰。

（二）物聯網創意制作：物聯設計

教師利用“古德微”硬件體系組織學生參與“樹莓派”校本課程的學習與實踐（如圖1），并將各種傳感器知識、積木式編程模塊及編程基礎知識分解到6個具體課程中（見表2）。學生參與編程和實踐活動，在感知、體驗和應用物聯網技術的過程中，其計算思維水平和發現問題、解決問題的能力會得到提升。

（三）人工智能項目創作：智能創作

在學生對編程思想及軟硬件結合有初步了解的基礎上，教師結合先進的人工智能理論和技術，逐步培養學生從感知體驗到理解使用人工智能的能力。課程包含語音識別、語音控制、語音合成、圖片識別、人臉識別與對比以及機器學習和模型訓練等（見表3），涵蓋了當前人工智能的主要應用領域。學生學習課程內容，對人工智能將有充分的認識與理解，能夠使用人工智能實現日常的項目作品創作，解決生活與學習中的問題，在項目活動中了解并掌握人工智能的基本理念和核心原理，提升對人工智能的應用能力。

二、“樹莓派”校本課程的教學方法設計

初中生思維能力逐漸從形象思維向邏輯思維過渡，其辯證邏輯認知能力不斷完善，并且認知活動的自覺性明顯增強。教師在教學中要注重學生對理論知識的學習和掌握，但單純講解理論知識，又不完全符合初中生邏輯思維發展的特點。教師采用以項目教學為主、講授為輔的方法教學。在講解理論知識時，筆者立足于初中生的知識基礎，注重講解“樹莓派”校本課程中關鍵性、基礎性的概念，講解算法與程序設計的基本思想與“樹莓派”和傳感器等硬件的工作原理。在實踐環節，教師則采用項目教學法，與學生共同參與用“樹莓派”解決實際問題的項目活動的完整過程。學生在活動中探究學習，逐步提升核心素養。

學生在小學階段學過Mind+之類的圖像化編程?；诖?，教師在課程伊始先安排1個課時讓學生熟悉“樹莓派”圖形化編程平臺，再根據學生在完成項目任務過程的需求，補充講解算法等編程知識，提高項目作品各項功能的實現率，使項目成果更完善且人性化。

三、“樹莓派”校本課程的教學過程

筆者設計的樹莓派校本課程主要在學校課后服務時段以拓展課形式開展，每周安排2課時，每學期開設16周共32個課時。學生先學習“樹莓派”硬件體系和圖形化程序設計知識，再參與項目實踐，不斷提高分析問題和解決問題的能力，實現基礎知識的遷移。下面，筆者以“智能車輛管理”項目為例，闡述“樹莓派”校本課程教學的實施過程。

（一）確定項目主題

真實情境下的問題涉及多學科知識。教師將真實情境問題作為項目教學的出發點，有利于引導學生分析問題、解決問題并深刻反思，以此提高學生解決問題的能力。筆者所在學校生源來源于周邊的各個拆遷小區。學生注意到小區內亂停車、占道停車等問題非常嚴重。車輛停放者除了小區業主之外，還有許多租住人員、家庭作坊從業人員及周圍商店的顧客等。學生需要設計制作一個能識別本小區內人員車輛并自動放行、禁止非小區車輛進入的車輛管理系統，這樣既能減輕小區安保人員的工作負擔，又能營造安全、有序、暢通的小區內部交通環境。根據上述情況，學生決定利用“樹莓派”校本課程中前期學到的知識來設計小區智能車輛管理系統。

（二）分析項目需求

分析項目需求是學生經過深入細致的調研和分析，確定項目需要實現哪些功能和完成哪些工作的過程。學生經過實地調查，統計小區業主和租戶的居住信息，登記車輛的車牌號碼；采訪車主和安保人員，明確項目需要具有的功能。在調查分析的基礎上，學生根據自身生活經驗或者上網了解現有車牌識別技術的優缺點。結合小區的來往車輛特點，學生決定選擇采用車輛識別系統管理小區車輛?；谡{查結果，學生明確了智能車輛管理需要具有的功能：車輛進入感應區域后，由超聲波傳感器感知并將電平信號傳遞給“樹莓派”控制中心；由“樹莓派”控制攝像頭拍攝照片傳入后臺，與車輛信息庫中登記的車牌號碼數據進行比對，由音箱播報識別結果，決定是否抬桿放行。

（三）設計項目方案

在明確項目需求后，各組圍繞項目主題設計方案，包括項目的各個功能、所需元器件、程序模塊等，用“頭腦風暴”等方法研討項目方案。學生先以實地觀察、網絡搜索等方式了解車輛道閘的設置和安裝等規范要求，再組內交流（思維碰撞），確定智能車輛管理項目方案（見表4）。

（四）實施項目方案

各組根據項目方案，按照連接硬件、設計程序、調試運行、設計模型四個步驟完成智能車輛管理項目的作品制作。學生首先確定每種電子元器件的連接方式，了解每種元器件的工作特性、連接各種電子元器件，并根據項目的解決方案繪制流程圖（如圖2），描述算法，為編寫程序代碼做好準備工作。學生按照流程圖編寫智能車輛管理的程序，其中車牌信息識別程序是核心，也是項目實施的難點。學生可以組內討論，或向教師求教，在完成整個項目程序的編寫過程中提升計算思維能力。參照流程圖，在編程平臺中拖動積木完成程序編寫后，學生對項目功能進行運行調試，觀察其是否達到運行要求，并根據調試區輸出的信息進行修正，在“設計→實踐→反思→改進”的迭代過程中優化功能。在設計模型環節，小組成員設計智能車輛管理的展示模型，并利用中鳴機器人積木零件等完成搭建工作。

（五）評價項目成果

筆者評價學生的項目成果，關注的不僅僅是問題是否被解決，更關注學生探索能力的發展。在展示環節，各組學生將創作的項目作品進行展示（掃碼查看），在展示中分享合作經驗、遇到的難題及解決問題的方法與過程等。筆者借此提升學生的表達能力和審美能力。

建立評價標準是項目活動設計過程中不可或缺的環節，師生應根據項目任務要求，共同建立具體的評價標準。

筆者與學生共同制定了項目作品評價標準：作品創新性（30 分）、作品實用性（30 分）、作品講解（20 分）、作品外觀（20 分）。依據評價標準，各組進行互評并提出優化措施，以便后期迭代、完善智能車輛管理的各項功能，展示成熟的實物作品。

筆者開設“樹莓派”校本課程旨在為學生創設自主、合作、探究的數字化學習情境，讓學生圍繞學習任務協同創新，利用“樹莓派”等數字設備與團隊成員合作思考問題、分析問題和解決問題，設計和創作出個性化作品，提升數字素養與技能，培養科學精神。在今后的教學中，筆者將繼續對教學內容、教學方法和教學過程進行優化和完善，構建成熟的“樹莓派”校本課程體系。

參考文獻

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（作者系浙江省桐鄉市高橋實驗學校教育集團高橋實驗學校教師）

責任編輯：祝元志