小学高年级人工智能教学设计与实施

摘要：作者从生活实际出发，以自动垃圾收集机器人项目为例，开展小学高年级人工智能项目化教学，为人工智能教育提供参考课例。

关键词：计算思维;自动巡线;垃圾收集

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）11-0052-02

2017年国家发布《生活垃圾分类制度实施方案》，要求各地推动垃圾分类，改善人民群众生活环境，促进资源合理回收和利用。各地各小区都配有垃圾房，但垃圾收集需要更多的人力资源，这给当地财政增加了压力。针对这样的矛盾，笔者引导学生思考如何从人工智能角度去化解矛盾，开展自动垃圾收集机器人的项目化教学。

● 项目设计方案

1.设计原则

基础性：开展人工智能教学要关注学生对基础性知识的掌握。教师要引导学生通过基础认知，进一步对项目进行分类和细化，实现各模块的有效衔接。

思维性：项目化教学的核心目标是发展学生计算思维。教师帮助学生理清算理和法则，让学生对自动垃圾收集机器人项目进行有效观察，并选择最佳算法，培养学生思维的发散性和灵活性。

进阶性：开展人工智能教学要关注学生的个性。不同学生的个性是不同的，认知水平也有差异，人工智能项目化教学可通过2～3课时完成一个项目，这样既可让认知水平薄弱的学生有时间思考和消化，也可以深入推进课程的有效开展。

2.教学策略

教师将自动垃圾收集机器人项目模块化细分为自动驾驶和垃圾自动识别收集两部分，由学生针对项目提出问题并解决，教师只做引导，让学生成为学习的主人。

● 项目实施

1.选用机器人

本项目选用某开源机器人，原因有三：一是其程序界面的核心是图形化编程软件，学生有一定的基础，容易上手;二是价格相对实惠，适合开展整班教学;三是拓展性好，学生可以融入自己的创意进行二次开发。

2.项目模块细化

要实现机器人自动垃圾收集，需要分模块进行分析，机器人小车有五个基本操作——自动巡线、主动避障、精确停车、垃圾识别、垃圾收集，在学生理解了各模块的操作后，进行分模块设计。

①自动巡线。要实现机器人自动巡线，需要让学生了解灰度传感器，为机器人小车安装两个传感器，这样机器人就能沿着白色背景上的黑色线条自动行驶。程序自带巡线传感器检测模块，用以检测传感器的数值，左右两个传感器分别检测有四种可能：一是左右传感器都检测到黑，输出值为0，小车前进;二是左传感器检测到黑，右传感器检测到白，输出值为1，小车左转;三是左传感器检测到白，右传感器检测到黑，输出值为2，小车右转;四是左右传感器都检测到白，输出值为3，小车后退。通过这样的讲解，学生对机器人小车的自动巡线有了充分的学习和理解，也为编程条件语句的应用打下了良好的基础。

②主动避障。在现实生活中，如果机器人小车在行驶中遇到障碍物，如何让小车自动躲避呢？这就需要让学生了解超声波传感器，超声波传感器主要由发射器、接收器和控制程序组成，超声波传感器通过发射和反射的时间差来有效检测前方障碍物的距离。程序中也有超声波传感器检测距离的编程模块，如果距离小于安全距离数值就让小车及时左转或右转，如果小于警戒距离就让小车停止并后退。在学生对超声波传感器了解后，可让其自主尝试，安全和警戒距离数值为多少最为合理。在小车及时避障后，如何让小车继续巡线？学生在具体学习中不断地解决问题，在问题解决中又不断地发现新问题，再解决，再发现。这样的过程，让学生的计算思维得到了充分的发展。

③精确停车。要实现垃圾能自动收集，精确停车非常关键，精确停车为下一步骤机器人机械臂的垃圾精确收集提供切实保证。要想实现精准停车，可让学生找准某一参照物，如在垃圾箱中间画一圆点，让机器人小车的车头中心正对该点。机器人小车的轮胎受地面摩擦力的影响，存在一定的误差，即使是同一程序，也可能有不同的停车结果，因此建议使用硅胶轮胎。此外，在实际运行中，要让学生养成及时清洁轮胎表面的习惯，通过细节的关注，让机器人小车更加稳定和精确。

④垃圾识别。不同的垃圾种类由不同颜色的垃圾桶进行收集，以苏州为例，将垃圾分类为可回收垃圾、其他垃圾、有害垃圾和厨余垃圾四类。可回收垃圾用绿色的垃圾桶收集，其他垃圾用蓝色的垃圾桶收集，有害垃圾用红色的垃圾桶收集，厨余垃圾用灰色的垃圾桶收集。对初学的学生，简化难度，本项目只使用绿色可回收垃圾和蓝色其他垃圾两种分类，这也是学生教室里的垃圾桶分类方式。某机器人没有安装颜色传感器，但是可以利用其光线传感器和两个LED灯来实现颜色传感器的功能。不同的波长对应不同的颜色，对于传感器而言，使用某个物体发射和反射的红、绿、蓝三基色分量，就可以判断出它的颜色了。

⑤垃圾收集。要实现垃圾自动收集，需要实现一一对应，对绿色的可回收小垃圾桶进行抓取，再倒入绿色的可回收大垃圾桶内，对蓝色的其他垃圾也是同样操作。这就需要机械手臂的帮助，项目使用的机器人带有机械爪拓展包，可以使用。当检测到前方有绿色的可回收垃圾桶时，用抓手对准绿色垃圾桶，进行抓取。此外，学生还要对机械臂进行设计，搭建机械臂的目的是能让抓手对垃圾桶进行升高和将垃圾精准倾倒，实现垃圾收集的目的。

⑥更多设想。实现自动巡线是靠灰度传感器检测地面黑线或白线的数值，在现实生活中，如果道路上的白线上有污垢，灰度传感器检测不到黑白线，那么机器人小车还能实现自动巡线吗？为了更好地解决问题，可让学生主动探究，如改为机器人小车电磁循迹，把黑白线改成磁线，这样就可以有效解决以上问题。实现垃圾识别是靠传感器识别垃圾桶上的颜色，这个前提是垃圾桶里的垃圾已经分好类了。在现实生活中，如果道路上有零散的垃圾，如何让机器人小车更加智能呢？教师可让学生学习视觉识别技术，明确通过此技术，能让机器人小车精确识别垃圾，并判断出垃圾的类别。这个过程，既关注了学生计算思维的发展，又引导学生初步了解科技前沿，更培养了学生的创新意识和创新能力。

● 项目总结

人工智能技术日新月异，由于该技术比较特殊，教师需要沉下心来探索和学习，并通过具体的项目化课程案例的开展，让人工智能教育真正落地。

参考文献：

[1]李文俊.视觉识别技术之实物智能分类识别案例[J].中国信息技术教育，2021（21）：19-20.

[2]周迎春.面向STEM的mBlock智能机器人创新课程[M].北京：人民邮电出版社，2017.