王丹

【摘 要】編程教學(xué)作為人工智能+教育的重要部分，主要是通過編程來讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能，使其更好地適應(yīng)人工智能時(shí)代發(fā)展。本文以“智能入庫機(jī)器人”例探究將人工智能與教育有機(jī)結(jié)合，構(gòu)造有趣有用的編程課程，探索人工智能教學(xué)的開展路徑。

【關(guān)鍵詞】人工智能;人工智能+教育;編程教學(xué)

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2021）02、03-094-04

人工智能時(shí)代的到來，推動(dòng)著各領(lǐng)域智能化發(fā)展的步伐。如何培養(yǎng)學(xué)生的人工智能意識和人工智能素養(yǎng)，也成為教育領(lǐng)域亟待解決的問題。而機(jī)器人能夠?qū)⑷斯ぶ悄艿募夹g(shù)應(yīng)用和學(xué)生的編程設(shè)想直接呈現(xiàn)。人工智能進(jìn)課程的核心問題是如何把人工智能從技術(shù)形態(tài)轉(zhuǎn)換為學(xué)生感興趣、能接受的教育形態(tài)。

人工智能與編程教學(xué)

人工智能是借助計(jì)算機(jī)等設(shè)備模擬人類智能活動(dòng)的技術(shù)，研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的理論、技術(shù)、方法及應(yīng)用系統(tǒng)，目的是探索人類智能的方法和實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出能與人的智能相似的方式作出各種反應(yīng)的智能機(jī)器，從而在各行業(yè)中發(fā)揮作用[1]。

編程教學(xué)作為人工智能+教育的重要部分，主要是通過編程來讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能，使其更好地適應(yīng)人工智能時(shí)代發(fā)展?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中要求學(xué)生能描述人工智能的基本特征，會利用開源軟硬件平臺設(shè)計(jì)搭建簡單智能系統(tǒng);了解人工智能的新進(jìn)展、新應(yīng)用，并能適當(dāng)運(yùn)用于學(xué)習(xí)和生活中;能客觀認(rèn)識人工智能技術(shù)對社會生活的影響?？梢娙斯ぶ悄苷n程教學(xué)的目的不是培養(yǎng)程序員，不是要求人人有高超的編程技術(shù)，而是讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)了解人工智能技術(shù)的基本原理，通過編程體驗(yàn)人工智能技術(shù)應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的人工智能意識與素養(yǎng)。

在中小學(xué)中開展人工智能教育需具備教師、課程、設(shè)備、時(shí)間和環(huán)境五個(gè)基本條件[2]。教師從有機(jī)器人教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、對人工智能感興趣的信息技術(shù)教師中選拔，并為其提供專業(yè)的人工智能理論與實(shí)踐培訓(xùn)。課程可以從人工智能選修教材中選取，或從優(yōu)秀的編程教學(xué)案例或機(jī)器人教學(xué)案例中選取改編，也可以結(jié)合生活實(shí)際開發(fā)新的課程，設(shè)備涉及計(jì)算機(jī)、機(jī)器人等。教學(xué)時(shí)間可以安排在信息技術(shù)學(xué)科課程中，也可以安排在綜合實(shí)踐課程中。教學(xué)環(huán)境最好安排專用教室。

“智能入庫機(jī)器人”教學(xué)案例

高中學(xué)段人工智能能力培養(yǎng)目標(biāo)為理解與實(shí)現(xiàn)專題性人工智能技術(shù)，了解人工智能發(fā)展與應(yīng)用前沿。因此人工智能課程可以采用專題教學(xué)或項(xiàng)目式教學(xué)方法。很多公司都需要將貨物分門別類地存放入倉庫，在“智能入庫機(jī)器人”一課中，學(xué)生要探究如何借助人工智能技術(shù)幫助人們便捷、高效地進(jìn)行入庫工作。這要利用人工智能中的語音識別、圖像識別等技術(shù)。課堂中，我們可以借助圖形化編程軟件DobotBlock及其內(nèi)部嵌入的人工智能模塊接口，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)識別貨物并將其安放到指定位置，即智能入庫。完成這樣的程序設(shè)計(jì)，學(xué)生需要了解分支結(jié)構(gòu)與循環(huán)結(jié)構(gòu)等編程基礎(chǔ)知識及人工智能中的圖像識別、語音識別等技術(shù)。學(xué)生對人工智能很感興趣，有對新科技強(qiáng)烈的探究欲望，但對人工智能了解很少，多數(shù)只是停留在聽說過這個(gè)詞的認(rèn)識上，知道智能家居用了人工智能技術(shù)，但并不了解人工智能的內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)及其基本原理。這一內(nèi)容可以讓學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)直觀地體驗(yàn)到人工智能技術(shù)在生活中的應(yīng)用方法，了解人工智能技術(shù)的基本原理，逐漸樹立起利用人工智能技術(shù)解決問題的意識和思維，提高探究人工智能技術(shù)奧秘的興趣與熱情，為以后學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)課程、適應(yīng)人工智能時(shí)代生活方式打好基礎(chǔ)。

1.視頻導(dǎo)入，明確項(xiàng)目要求

情境再現(xiàn)是抽取實(shí)際生活場景片段以視頻、圖像、文字、表演等方式呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生快速融入學(xué)習(xí)情境中，激發(fā)學(xué)生的探索欲望，并引導(dǎo)學(xué)生從情境中觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題，提高解決問題的積極性。

首先為學(xué)生展示一段某公司倉庫自動(dòng)化入庫的運(yùn)作視頻，讓學(xué)生了解自動(dòng)的、智能的貨物入庫正逐步取代手動(dòng)的、人工的方式，體會人工智能技術(shù)在工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用與影響。引導(dǎo)學(xué)生在觀察視頻內(nèi)容的過程中，思考機(jī)器的運(yùn)作流程，推理機(jī)器所具有的功能，如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、伸縮、識別、記憶，能認(rèn)識不同的貨物，知道入庫的要求，還了解不同貨物在倉庫中存放的不同位置，能夠移動(dòng)貨物位置，可以連續(xù)完成多個(gè)入庫任務(wù)等。設(shè)計(jì)問題時(shí)要結(jié)合學(xué)生對人工智能的了解情況，不要超出學(xué)生的認(rèn)知范圍，適當(dāng)調(diào)整提問方式。如在觀看完上述視頻后，直接問學(xué)生其中用到了人工智能中的哪些技術(shù)，這樣的問題學(xué)生可能很難回答出來，但提問機(jī)器的工作流程、具備功能，學(xué)生在認(rèn)真觀察、思考后能夠較好地回答，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步追問實(shí)現(xiàn)這些功能需要用到什么技術(shù)，層層遞進(jìn)。

緊接著引出學(xué)習(xí)項(xiàng)目“智能入庫機(jī)器人”，介紹項(xiàng)目概況、機(jī)器設(shè)備，提出基本要求。由于課堂教學(xué)所用機(jī)器人不同于現(xiàn)實(shí)工作中的機(jī)器人，工作環(huán)境也大不相同，要結(jié)合實(shí)際情況簡化項(xiàng)目。倉庫場地用圖紙代替，給出關(guān)鍵區(qū)域（機(jī)器人位置、倉庫入口、貨物存放位置），不同貨物用不同顏色的小方塊代替。要求三種貨物隨機(jī)入庫，機(jī)器人能識別貨物種類并將其移動(dòng)至指定位置。

2.問題分析，分解項(xiàng)目任務(wù)

拿到任務(wù)后，應(yīng)該冷靜地分析問題，有利于全面了解項(xiàng)目情況，理清思路，找出問題的關(guān)鍵所在。項(xiàng)目任務(wù)往往是比較復(fù)雜的、綜合的大任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生將其分解成一個(gè)個(gè)小任務(wù)，逐一突破完成。這也體現(xiàn)了“化大為小”“分而治之”的分解思維。

“智能入庫機(jī)器人”項(xiàng)目的總?cè)蝿?wù)是實(shí)現(xiàn)智能入庫，子任務(wù)為識別貨物、移動(dòng)貨物。完成這兩個(gè)子任務(wù)又涉及一系列問題，如何讓機(jī)器人識別出貨物類型（圖像識別或顏色識別）、如何教會機(jī)器識別圖像或顏色（機(jī)器學(xué)習(xí)，建立模型并訓(xùn)練）、機(jī)器人如何移動(dòng)貨物（吸盤吸取或爪子抓?。?、如何讓機(jī)器知道把貨物放在什么位置（根據(jù)不同識別結(jié)果，指定不同的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)）等。這部分要注重引導(dǎo)學(xué)生思考討論，互相交流提出意見，并梳理結(jié)果。同時(shí)，分解任務(wù)也有利于學(xué)生之間開展分工合作，每個(gè)人明確自己負(fù)責(zé)的小任務(wù)，共同完成項(xiàng)目，讓每位學(xué)生都參與到學(xué)習(xí)中，真正地將小組協(xié)作落到實(shí)處。教師在這一環(huán)節(jié)做引導(dǎo)、補(bǔ)充或糾正，尤其是在新知識、新技能方面，如教機(jī)器識別圖像，學(xué)生并不清楚如何實(shí)現(xiàn)，不知道機(jī)器學(xué)習(xí)的原理，這時(shí)就要教師提供講解，解除學(xué)生心中的疑惑。

3.方案設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)解決方案

明確問題與任務(wù)后，學(xué)生討論構(gòu)思方案，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)并將其呈現(xiàn)出來，可以選用文字、圖表、思維導(dǎo)圖、流程圖等形式呈現(xiàn)。在編程教學(xué)中，程序設(shè)計(jì)適合使用流程圖呈現(xiàn)解決方案。

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目要求，結(jié)合視頻演示與任務(wù)分解，梳理“智能入庫機(jī)器人”的工作流程，明確流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)：（1）歸零，機(jī)器人啟動(dòng)位置歸零，進(jìn)入工作準(zhǔn)備狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備迎接即將入庫的貨物;（2）卸貨，人手動(dòng)把貨物放置倉庫入口處;（3）采集，機(jī)器人通過攝像頭獲取貨物的圖像或顏色，可將攝像頭安裝在機(jī)器人末端一側(cè);（4）識別，根據(jù)上一步采集到的信息判斷貨物類型并找到指定位置;（5）入庫，下移抓取貨物，運(yùn)動(dòng)到指定位置放下貨物;（6）歸位，運(yùn)動(dòng)至初始位置，等待下次任務(wù)。其中，識別貨物種類、找到位置需要借助軟件中的AI模塊接口，建立模型，讓機(jī)器學(xué)習(xí)各種貨物類型對應(yīng)的圖像或顏色，并用標(biāo)簽標(biāo)記，學(xué)習(xí)之后要訓(xùn)練模型，直至識別無誤完成訓(xùn)練。確定指定位置用分支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，預(yù)設(shè)多種情況，以保證程序順利進(jìn)行。這一階段只是初步設(shè)計(jì)，后續(xù)實(shí)施過程中可能會發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理或原先沒有考慮到的地方，甚至有了新的靈感或想法，可以邊操作邊修改設(shè)計(jì)。

4.問題解決，編程完成任務(wù)

問題解決需要把原先的設(shè)計(jì)方案變成現(xiàn)實(shí)來完成任務(wù)，是從思考到實(shí)踐的轉(zhuǎn)換，要求學(xué)生明確方案中的每一步需要如何實(shí)現(xiàn)。在編程教學(xué)中，主要可以采用圖形化編程或編寫代碼來完成程序。學(xué)生在信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)了Python編程的基礎(chǔ)知識，掌握算法三大基本結(jié)構(gòu)的語法與簡單實(shí)現(xiàn)，但編程能力不足，程序算法設(shè)計(jì)能力較弱，編寫完整的程序?qū)崿F(xiàn)特定功能比較困難，尤其是智能入庫這類現(xiàn)實(shí)生活中的復(fù)雜問題更為困難。因此，對于初步學(xué)習(xí)人工智能或編程基礎(chǔ)一般的學(xué)生，建議先使用圖形化的編程軟件搭建出框架，理順邏輯關(guān)系，再過渡到用代碼來實(shí)現(xiàn)程序。人工智能的實(shí)現(xiàn)需要有一定的編程能力、算法思想和人工智能應(yīng)用場景體會，也需要一定的硬件設(shè)備輔助實(shí)現(xiàn)。編程軟件中嵌入AI接口，使人工智能快速便捷地走進(jìn)中小學(xué)課堂成為可能。在進(jìn)行人工智能感知的視覺、聽覺等功能中，通過機(jī)器人設(shè)備或電腦上的攝像頭、麥克風(fēng)及相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)，用時(shí)調(diào)用外部的人工智能接口，實(shí)現(xiàn)人工智能的感官功能;當(dāng)產(chǎn)生機(jī)器人認(rèn)知與決策后，機(jī)器人呈現(xiàn)動(dòng)作反饋。

借助圖形化編程軟件，結(jié)合流程圖，學(xué)生逐步搭建程序模塊。學(xué)生邊做邊測試，即每搭建一個(gè)小模塊都測試運(yùn)行，檢查其結(jié)果是否和預(yù)設(shè)一致，相對于全部搭建完再運(yùn)行的方法，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤，容易理清程序找出錯(cuò)誤點(diǎn)，提高編程效率，也能一步步看到成果，提高學(xué)生的成就感和自信心，以更好的心態(tài)進(jìn)行下一步操作。后續(xù)結(jié)合學(xué)生實(shí)際情況，可選擇是否用代碼來實(shí)現(xiàn)程序。

教師要引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中探索，當(dāng)學(xué)生產(chǎn)生疑惑，不知道或無法判斷選擇何種方法更好時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生勇于嘗試，比較分析，在試驗(yàn)與比較中找出更優(yōu)的方案。對于學(xué)生基礎(chǔ)好、程序量少的情況，可以讓學(xué)生自主探究多種方法;學(xué)生基礎(chǔ)一般、程序量大的情況，可以分組探究，對照分析，得出結(jié)論。在實(shí)踐操作中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)雖然吸盤和爪子都可以拿取貨物，但到底哪種方法更適合、更高效呢？吸盤對貨物放置的坐標(biāo)要求很精確，稍有偏差就不容易吸住，爪子在這方面的要求則比較低，作用范圍較大，且吸盤對貨物的重量也有一定要求，只能吸取較輕的物體，重一點(diǎn)的很難吸取，在現(xiàn)實(shí)中不實(shí)用。貨物識別可以采用圖像識別和顏色識別兩種方式，哪種方式效果好、準(zhǔn)確率高呢？圖像識別對貨物擺放角度要求較高，換個(gè)角度很可能識別不準(zhǔn)，可以在學(xué)習(xí)時(shí)錄入多個(gè)角度的圖像以提高準(zhǔn)確率。顏色識別受背景顏色、環(huán)境光線等影響較大，需要多次學(xué)習(xí)背景圖像，最好采用純色背景，環(huán)境光線最好維持穩(wěn)定，避開靠窗位置，或補(bǔ)充固定光源。

即便是教師直接告訴學(xué)生會遇到哪些問題，使用哪種方法較好，學(xué)生如果只是停留在“聽”的階段，并沒有親身體驗(yàn)，也難以真正地理解。而學(xué)生在實(shí)踐摸索中發(fā)現(xiàn)、對比，會受到視覺、聽覺、認(rèn)知等多方面的沖擊，直觀形象，印象深刻。如機(jī)器抓取貨物時(shí)，移動(dòng)到貨物上方，設(shè)置為抓取狀態(tài)接著直接運(yùn)動(dòng)的話，很可能爪子還沒抓穩(wěn)貨物就開始運(yùn)動(dòng)，會導(dǎo)致抓取失敗或途中掉落，這是因?yàn)楹雎粤俗ψ訝顟B(tài)變化所需的時(shí)間。因此運(yùn)動(dòng)前可以設(shè)置1～2秒停留時(shí)間，確保抓好貨物后才開始運(yùn)動(dòng)。再如機(jī)器放下貨物時(shí)的高度，即縱坐標(biāo)的位置，如果高度太高，貨物掉落很可能會翻倒甚至彈出指定區(qū)域，如果高度太低，貨物已接觸到地面而機(jī)器還在向下運(yùn)動(dòng)，可能會損壞貨物或?qū)е聶C(jī)器發(fā)生故障，造成不必要的損失。因此，教師要注意適時(shí)、適量地講，有時(shí)“少言勝多言”。

5.評價(jià)反思，優(yōu)化解決方案

評價(jià)有利于學(xué)生全面地認(rèn)識自己的學(xué)習(xí)成果，了解其他同學(xué)的思想，互相學(xué)習(xí)，及時(shí)反思，不斷提高。反思包括兩個(gè)方面：一是對項(xiàng)目成果的反思，是否很好地完成了項(xiàng)目要求，有哪些可以提升的地方等;二是對項(xiàng)目本身的反思，對項(xiàng)目主題展開思考與討論，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力與社會責(zé)任感，不能為了完成任務(wù)而完成任務(wù)。

這一階段先讓學(xué)生匯報(bào)展示自己或小組的項(xiàng)目成果，介紹程序設(shè)計(jì)思路與框架，重點(diǎn)介紹創(chuàng)意設(shè)計(jì)、遇到的問題與困難、解決方法等，其他學(xué)生認(rèn)真觀察。比較程序的正確性（準(zhǔn)確完成任務(wù)要求）、高效性（運(yùn)行時(shí)間較少）、簡潔性（代碼精簡結(jié)構(gòu)清晰）、創(chuàng)新性（有獨(dú)特的設(shè)計(jì)）、人性化（用戶體驗(yàn)良好）等方面。除此之外，引導(dǎo)學(xué)生思考自己設(shè)計(jì)的程序和真正投入使用的程序存在哪些差距？如果將小程序應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中可能會遇到哪些問題？如貨物的形狀、大小不一，怎樣抓取不損壞貨物？還有哪些方式可以移動(dòng)貨物到指定位置，圖像識別和顏色識別哪個(gè)更準(zhǔn)確、高效？如何設(shè)置貨物的擺放方式？如果在入庫前倉庫里已有部分貨物怎么辦？如何添加模塊實(shí)現(xiàn)入庫完成后反饋總結(jié)入庫貨物種類及數(shù)量的報(bào)告？要求根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況，設(shè)計(jì)問題討論，選擇部分問題改進(jìn)程序進(jìn)行解決。

引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合項(xiàng)目學(xué)習(xí)體會展開專題討論，如這項(xiàng)技術(shù)除了智能入庫，還可以應(yīng)用到哪些場景中？智能入庫和人工入庫各自的優(yōu)勢與弊端？如果你是相關(guān)運(yùn)營管理人員，你會選擇哪種入庫方式，為什么？對于智能入庫機(jī)器人取代人工入庫工作者，將有一部分人面臨失業(yè)的問題，你有什么看法？智能入庫機(jī)器人可能會帶來哪些新的就業(yè)機(jī)會？這些討論有利于拓展學(xué)生的思維，促進(jìn)知識遷移，樹立正確的技術(shù)觀，增強(qiáng)社會責(zé)任感。

小? 結(jié)

人工智能應(yīng)用到教學(xué)中，充分利用編程軟件、AI平臺讓學(xué)生了解、體驗(yàn)、應(yīng)用人工智能，從理論到實(shí)踐，從看、聽、說，到練、試、做，讓學(xué)生在編程中感受人工智能的神奇魅力與強(qiáng)大功能，逐漸提升人工智能素養(yǎng)。人工智能+教育不僅僅指編程教學(xué)，還包括人工智能理論、關(guān)鍵技術(shù)、法律法規(guī)、發(fā)展趨勢等，這些內(nèi)容如何在教學(xué)中開展，教師應(yīng)具備哪些人工智能素養(yǎng)和能力，還需進(jìn)一步的研究與探索。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：江蘇太倉高級中學(xué)