基于“图形化编程+开源硬件”的人工智能校本课程开发与研究

【摘 要】随着世界科学和技术的快速发展，人工智能也逐渐从科学家神秘的实验室走进了学校的课堂。在中小学校本课程中融入人工智能，能够加深学生对信息技术、科学、机械工程、数学思维等知识的了解和运用，培养学生的思维创新与动手能力。学生不仅可以学习现成的人工智能基础知识，还可以尝试设计和制造出自己的人工智能作品。学校可以利用“图形化编程+开源硬件”的方式开展人工智能校本课程开发引导学生在人工智能的世界里不断学习新的知识，寻找更多的乐趣，表达自己的创意，展示自己的才能。

【关键词】图形化编程 开源硬件 人工智能

人工智能是现代科技尤其是信息技术发展的最好体现，也是中小学信息技术课程的良好载体。

Arduino是世界上最受欢迎的开源硬件之一，其简单的开发方法使学生能够更多地关注创造力和实现方式，从而更容易完成自己的项目。鉴于Arduino的优势，越来越多的中小学校已经开始利用Arduino开设人工智能校本课程。鑫园小学开发了“鑫创空间——走进人工智能”的人工智能校本课程，课程基于人工智能理念，以Arduino开源硬件为载体，通过Scratch、Mind+、Mixly等软件进行图形化编程，综合科学、技术、工程、艺术、数学等学科知识，通过模仿创造、迁移创造、AI创造，构建学校人工智能教学模式。

一、小学人工智能校本课程的开发策略

此课程分为三个阶段，第一个阶段为熟悉Scratch、Mind+、Mixly等图形化编程软件。第二个阶段为简单应用，了解Arduino开发板、传感器的基础知识。通过图形化编程，结合Arduino开源硬件，对生活中的产品进行改进，让其增加特定的功能。第三个阶段是人工智能造物阶段，运用舵机，以及光敏、灯光、声音、温湿度等各类传感器进行创新造物。学校将在课堂上掌握较好的学生吸收到校创客、机器人社团中，并带领学生参加相关比赛。

本课程的开发旨在培养学生对人工智能的兴趣，让学生了解和掌握以人工智能为载体的通用技术与信息技术的基本知识和技能，了解技术的发展及其应用对人类生活和科学的深刻影响。通过人工智能课程培养学生良好的信息素养、创新精神和实践能力，教育学生正确认识和理解技术与文化、伦理和社会等问题，树立正确的技术观。引导学生通过观察、思考、设计、制作、实验等活动获得丰富的学习体验，在生活中发现问题，在实践中解决问题，在活动中获得知识。

根据课程目标的三个维度的划分，本课程的目标细分如下：

（一）知识与能力

让学生掌握开源硬件Arduino主板的基本结构，并了解生活中常见传感器的应用。学生可以通过学习到的基础知识来解决生活中的实际问题。

（二）探究与实践

让学生在教师的指导下，通过对现成作品的模仿，提出自己的创意，并完成诸如简单的硬件拼装、程序编写、场景制作、改进调试等任务，以便Arduino开源硬件可以简单地解决问题。在实践中培养学生对人工智能课程学习的兴趣以及动手解决实际生活问题的能力。

（三）责任与态度

让学生体验人工智能技术的进步和Arduino开源硬件平台的便捷，进而理解人工智能对学习、生活和工作的各种影响，培养学生的人工智能素养以及促进学生全面的发展。

二、小学人工智能教学校本课程内容安排

义务教育信息科技课程旨在培养学生的信息素养和科技能力，包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新以及信息社会责任等方面。而基于“图形化编程+开源硬件”的人工智能校本课程，则更加注重学生实践能力和创新思维的培养。通过图形化编程和开源硬件的结合，学生能够更直观地理解人工智能的原理和应用，从而增强科技创新能力和解决问题的能力。这种课程目标的一致性，使得校本课程能够成为义务教育信息科技课程的有益补充和拓展。本课程内容设置见表1。

基于“图形化编程+开源硬件”的人工智能校本课程与义务教育信息科技课程之间存在着紧密且相互促进的关系。校本课程的实施，可以更好地实现义务教育信息科技课程的目标，满足学生的个性化学习需求，推动信息科技教育不断创新和发展。

三、基于开源硬件的人工智能案例解析

如何利用“图形化编程+开源硬件”来进行人工智能教育，激发学生的创造力，并将他们的想法变成现实，以产生社会效益？笔者认为，教师应与生活结合，根据项目设计特定的活动，并以案例的形式来组织和实施。

如苏教版信息技术五年级“弹奏音乐”中，需要让学生测量出超声波传感器的数值范围以及如何运用超声波传感器去测量地与障碍物的距离。学生通过小组合作学习，编写程序去观察超声波数值变化，发现超声波传感器到障碍物距离显示为 255 cm，学生根据实际测量结果得出距离不止255 cm的结论，小组进行讨论、不断尝试并发现超声波的测量值在0 cm至255 cm之间。学生通过“做中学”得出超声波的测量范围，在此教学过程中，学生对知识点的掌握也更加深刻。

通过这一课的学习，学生开始思考超声波传感器在生活中的应用，从而引出项目案例“智能倒车雷达项目”。教师要引导学生运用跨学科知识以及解决问题的办法来探究此项目，见表2。

在明确该项目的要求后，小组内的成员分工合作，分别用元器件搭建硬件设备和用Mind+ 编写程序。该项目的硬件搭建和软件部分都比较难。在学生制作的过程中，教师要巡视各小组制作情况并及时辅导，要求组员之间相互合作，共同完成项目制作的任务。

智能雷达倒车项目的设计制作说明了基于“图形化编程+开源硬件”的人工智能校本课程开发与研究的可行性，其将编程所描绘的虚拟世界与我们现实生活中涉及的客观世界建立联系，实现了人机交互。以此案例为人工智能教育的出发点，符合学生的认知过程——掌握、运用、分析、综合提升，学生的思维过程从简单使用符号的计算阶段过渡到使用符号进行逻辑具体运算的阶段，再推进到使用抽象概括提出合理假设并从具体形象事物进行验证的阶段，进而到理解事物有多种可能性的正式运算阶段。

四、人工智能校本课程的评价方式

根据课程的特点，评价应该强调参与过程，评价标准要合理，评价方法和手段要多样化。因此，本课程的评价应坚持以下原则：

（一）参与原则

关注学生在课堂上的参与以及与同伴合作的表现，记录学生的参与情况。

（二）综合原则

评价内容要兼顾学生对Arduino开源硬件知识的理解和综合运用各学科知识解决实际问题的能力。

（三）激励原则

对小学生而言，Arduino开源硬件是比较新奇的事物，他们会遇到各种问题，教师可以通过激励性的评价，发挥学生特长，引导学生大胆接受挑战，创作出令人满意的作品，提升其创造力和实践能力。

基于“图形化编程+开源硬件”的人工智能课程中的设计活动主要以图形化编程和构建为主。课程评价采用过程性评价和终结性评价相结合的形式，按照“平时作品（40%）+最终作品（30%） +表现（30%）”的计算方式给出学生的期末考核成绩。

五、结语

小学中高年级学生创造性思维的发展进入了从具体思维向抽象思维转变的重要阶段。他们可以在计算机软件的帮助下，根据设计图完成项目草图设计和模型制作。迭代思维在整个创新过程中起着重要的作用，整个创新过程是在不断创造、实现、查错、改进的过程中发展起来的。

基于“图形化编程+开源硬件”的人工智能校本课程教学，通过实际情境激发学生的学习积极性，教学过程中运用探究式、小组合作等学习方式，引导学生学习人工智能相关知识点，并体验设计、编程、制作及调试的过程。本课程根据学校的实际情况和学生的需求，对信息科技课程内容进行拓展和深化，为学生提供更多动手实践的机会，帮助他们更好地理解和掌握信息科技知识。这种内容选择的互补性，使得本课程成为义务教育信息科技课程的有益补充。本课程的实施，可以更好地实现义务教育信息科技课程的目标，满足学生的个性化学习需求，推动信息科技教育的不断创新和发展。

【参考文献】

[1]伍国华，林祺培.基于STEM理念的高中Arduino课程教学实践研究[J].广东技术师范大学学报，2021（3）.

[2]张丽.基于STEM教育理念下小学信息技术Arduino编程教学策略[J].新教育，2021（35）.