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基于开源硬件的项目式教学实践

来源:用户上传      作者:仇大成 商艳

  摘要:基于开源硬件的“人工智能初步”单元教学,通过创设交互式趣味学习项目,引导学生在体验、连接、编程、调试开源硬件的过程中,主动探索人工智能技术并适度创新。本文以“智能风扇”项目活动为例,探讨在小学信息技术课堂中开展开源硬件教学、实现智能化应用的途径和方法,以模拟解决生活实际问题,发展学生的计算思维。
  关键词:开源硬件;计算思维;智能化应用;项目式教学
  中图分类号:G434 文献标识码:A 论文编号:1674-2117(2023)01-0062-03
  苏科版小学信息技术“人工智能初步”单元重点围绕开源硬件和传感器的学习应用,搭建创意与现实生活的桥梁,将学生领进“智能创新设计”的世界。笔者根据苏科版小学信息技术“人工智能初步”教材和配套的OSTD开源实验箱(以下简称实验箱)设计了“智能风扇”微项目课(2课时),引导学生了解一种新的交互方式――智能控制,并在体验“定速风扇―变速风扇―多功能风扇”设计与开发的过程中,学会利用计算思维解决生活中的实际问题。
  项目背景分析
  1.项目名称的由来与指向
  根据前测可知,学生能从生活经验中分辨出常规风扇的使用场景、控制运行的方式、影响转速的因素。由于常规风扇在开关控制、使用安全等方面存在改进空间,因此,教师提出“智能风扇”项目,旨在拓展教学内容,培养学生的实践能力和创新意识,以适应学生未来发展的需要。
  2.学习内容的选择与设计
  在学习内容的选择上,笔者参考了苏科版中小学信息技术教材(五年级《弹奏音乐》、六年级《机器人传感器》和九年级《智能风扇》),通过对教材进行综合和拓展,提出了学习内容――超声波传感器工作原理。
  3.学生情况的分析与思考
  本课的学习者是六年级学生,他们善于思考,勤于设想,乐于探索,对智能化项目的学习始终保持着探究欲望,逻辑思维能力较中低年级有较大提高。经过一学期对机器人单元的学习,学生已经掌握机器人基本知识,对常见传感器的应用和价值有了具体直观的认识,但是对常见传感器的工作原理理解不深入。在学习本课之前,学生已经能设计简单的个性化智能作品,如智能灯等,但是结合流程图梳理算法的能力还较为薄弱,从具体现实问题中抽象出计算机能解决的问题的能力还有所欠缺。
  由于风扇主体结构的设计与制作并非本课所要研究的内容,因此笔者在课前准备了半成品程序、实验器材、可视化工具,便于在有限的课时内,利用开源硬件使项目式教学更可行、有效。
  “智能风扇”项目教学设计
  1.创设趣味感知活动,体验传感控制
  如下图所示,笔者播放《风扇给宠物降温》的视频,引导学生发现“传统风扇不够节能且存在安全隐患”的问题,启发学生尝试应用实验箱解决问题。笔者通过距离控制智能风扇模型的开关,激发学生探究“传感控制方式”的求知欲。项目聚焦真实问题和生活需求,结合现有的软硬件环境,通过xDingAI软件控制实验箱实现智能风扇,具有实际应用价值。
  2.解构智能风扇模块,探究传感控制
  根据“距离”这一要素,学生不难猜测出是“超声波传感器”在起作用。笔者紧接着提出核心问题:“超声波传感器是如何测量距离的呢?”引导学生将这个问题拆解为两个小问题:“超声波传感器测距的工作原理是什么?”“超声波传感器测距的范围是多少?”
  (1)了解超声波传感器的工作原理。在前面的学习中,学生虽已了解超声波传感器的功能,但并不明确了解其工作原理。因此,本活动通过类比动物测量距离的方式,帮助学生理解超声波传感器的工作原理,并通过阅读材料进行数学运算,帮助学生理解超声波传感器的工作机制:根据发出超声波与接收到超声波的时间差t,计算出自己与障碍物之间的距离(s=1-2vt)。
  (2)测一测超声波传感器的检测范围。本项目选取常见的9个测试物,分3类进行测试:Ⅰ类带曲面的测试物(铁罐、纸杯、塑料杯)、Ⅱ平直测试物(木板、塑料板、信息书)、Ⅲ类混合测试物(毛巾、铁罐、信息书)。由于需要观察程序参数和测试物距离,因此笔者对小组成员进行分工:汇报员领取实验包,程序员和操作员完成软硬件环境的搭建,程序员协助操作员的实验操作。在小组合作时,可先让学生自己尝试操作,遇到问题再通过讨论解决。通过对比刻度值、记录超声波传感器获取值,学生发现超声波传感器获取值表示的是距离信息。
  本课应让学生学会区别比较设计值与获取值,以此发现超声波测距的影响因素,进而选用一种合适的测试物,规范地测量出超声波传感器的检测范围,最后自定义临界值,实现智能风扇脚本的编写。
  本活动目标是测量超声波传感器的检测范围,这也是本节课的重点。通过小组分工与合作、表格支架等方式记录实验过程数据,学生在解决问题的过程中既动手又动脑。一方面,亲历传感控制的全过程,在不断试误、调整、优化中规范了操作行为,提高了信息素养;另一方面,进一步理解了生活中存在的控制现象,通过构建智能产品实现从认识硬件到编程控制的全过程。
  3.拓展智能风扇需求,运用传感控制
  由于定速风扇并不能完全满足降温的需要,结合生活经验,学生自然想要增添软硬件,在原有项目基础上做修改。
  (1)设计“温控变速风扇”,理解条件嵌套结构。在构造“定速风扇”的活动中,学生已经掌握传感器的工作原理,学会测量并设置传感器参数。借助规划单改变智能风扇的控制方式,学生将“定速风扇”的实现过程迁移到“温控变速风扇”中去,实现对风扇功能的创新设计。通过实现类似的应用场景,学生掌握了条件嵌套的编程方法,突破学习难点,为进一步实现个性化的智能风扇和其他智能应用打好了基础。
  当学生遇到生活中的真实问题或者提出某些创意想法时,教师应引导学生创造性地使用各电子元器件,甚至可以鼓励学生用不同元器件实现相同的功能,以达到培养学生创新意识的目的。学生围绕提出和聚焦的问题改进流程,尝试测试和分析数据,再通过交流获得探究结果和想法,以此形成一种立足整体的科学的解决问题思路。

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  (2)拓展已有程序,实现个性化风扇。学生只有H历超声波传感器测距的过程,反思背后的原理,才能在评价和交流中理解他人的行为,最终提炼出学习经验。在实现温控变速风扇、多功能风扇的过程中,学生会发现,当遇到类似项目时,只需要在原有项目基础上做修改,在知识迁移中升级创意,而不需要从零开始。
  (3)综合应用多种传感器,实现其他智能场景。教师通过拔高问题,引导学生思考“怎样综合利用传感器解决更多的生活实际问题”,由浅入深,层层递进,让学生体会程序设计的迭代思维。
  教学实践的思考
  本课通过xDingAI软件控制实验箱,帮助学生快速掌握项目设计的全过程,并通过人工智能作品的6个环节――情境分析―确定项目―项目实现―测试与优化―拓展与应用―评价与总结,充分激发学生的学习兴趣,增强了学生的动手实践能力,让学生体会到技术在生活中的运用。
  1.聚焦关键问题,促进学生理解
  本课依据“传统风扇不够节能且存在安全隐患”这一问题展开,引导学生在xDingAI中设置传感器检测环境,实现对风扇的智能控制。其中最值得关注和解决的问题在于理解和运用传感器。虽然超声波传感器有测距功能,但是学生并不清楚距离是如何测量出来的、测量时的注意点有哪些。教师需要引导学生理解前因后果,帮助学生主动建构知识,促进思维的发展。首先,通过问题情境,调动学生已有认知经验,引发认知冲突,通过多种感官加深对问题的理解,这也是思维产生的基础和动力。其次,要引导学生基于问题合理地进行猜想与假设、推理与证实。最后,坚持培养学生的计算思维,引导学生在遇到类似问题情境时能采用科学的方法收集证据,验证自己的猜想,在迭代的过程中进一步发展思维及认识。
  2.搭建学习支架,助力思维可见
  在有限的教学情境下,为了帮助学生顺利穿越“最近发展区”,本课注重引导学生将思考的过程可视化。依据学生已有认知经验,搭建学习支架,帮助学生进行知识与技能的学习,提升综合应用能力和实践创新能力,以便做出正确的价值判断和行动选择。
  3.基于学习视角,落实小组合作
  本课采取“软硬配对”的学习模式,即一位学生作为程序员,负责软件操作和程序编写,一位学生作为操作员,负责观察记录和搭建调试硬件。其间小组成员会及时交换角色,以防止角色的固化和低效。配对学习方式有助于学生全面思考,理顺设计思路,并更早地发现问题,减少错误。
  参考文献:
  [1]刘佳宜,杨琳玲.基于开源硬件的项目式教学――以“智能火情警报装置的开发”教学设计为例[J].中小学信息技术教育,2022(01):54-56.
  [2]卢庆广.核心素养时代下高中信息技术学科课堂教学的实践与探索[J].中国现代教育装备,2019(22):51-53.
  [3]王振强,洪亮.高中开源硬件技术教学实践与思考――以基于Arduino的智能音箱项目教学为例[J].中国信息技术教育,2018(18):45-47.
  [4]钟柏昌,王艳霞.配对学习模式在机器人教育中的有效性[J].现代远程教育研究,2018(03):66-74.

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