小学scratch教学中初探人工智能
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作者:关莉莎
研究背景与目标
我们知道现在是信息技术领跑社会，但是对于小学生来说，教师在讲解感测技术、控制技术这些知识时会感到比较抽象，仅仅用视频播放这些技术的使用画面，学生理解起来较为困难。然而，我们知道抓住了核心素养，也就抓住了教育的根本。2014年教育部将“创客意识”纳入中国学生发展的核心素养，旨在通过实践和探究，激活学生的创造思维和创新意识。如果学生没有切身感受，仅凭想象怎么能创新？怎么用科学思维来表达自己的想法？
基于此，我们借助小学scratch教学，在小学生现有认知水平的基础上来初探人工智能。《机器人与SCRATCH的火花》属于趣味编程软件和硬件设备互动的课程，力求在模仿中让学生学会创造。《智能风扇》是《制作电风扇》派生类学习，是校本教材，而校本教材就是让学生以生活为向导进行创造，通过新旧知识相互作用，使新观念得以实现。通过学习，学生还提出智能空调、智能电灯等想法，后续会成为我们智能系列的作品。
根据皮亚杰儿童认知发展（7～11歲）的规律可知，儿童认知结构中已经具有了抽象概念，因而能够进行逻辑推理。也就是说，学生能够制作电风扇，已经能够理解电风扇工作原理，并且对智能化的东西有所了解，知道了智能的含义。
◎研究的主要内容◎
本课通过搭建硬件设备（arduino uno 的主板、扩展板、马达、风扇、超声波感应器、温度感应器、液晶显示块、P2/P3/P4排线），使用Scratch程序来控制硬件设备（利用温度模块采集温度、超声波感应模块读取距离值，当温度大于30度且距离小于50厘米时马达转动）。初步探究人工智能，切身体验什么是感测技术，什么是控制技术。
具体学习目标：
1.通过分析生活场景需求，了解智能风扇的功能特点，激发创造欲望;
2.通过完成具体任务、自主实践，认识变量及其使用，掌握对知识点的整体认知方法;
3.通过分析工作原理，师生提炼出流程图，并根据流程图能够搭建脚本，启迪学生的思维和智慧;
4.通过综合实践，掌握超声波、温控感应原件、液晶模块的使用方法，培养学生的造物能力和团队协作能力，初步体验人工智能。
课例实践
活动一：创设情境
采用情境化策略。情境的设计是基于生活并且内含问题：屋子里没有人，风扇却开着，很浪费电，主人忘记关了。
学生会从中思考——浪费电，如果设计一个“聪明的”风扇，是什么样子呢？学生说，自动检测到没有人时，电扇会自动关闭。没有人时自动关闭，我们需要分析，怎么去检测有没有人？然后发现给出的硬件设备中有超声波感应器，可以检测沙发上是否坐了人。
教学中结合家用汽车尾部的倒车雷达，来介绍超声波感测器——通过发射头发射出声波后，接收头接收到声波的时间，来计算物体是否在距离值范围内。
初步设想：我们把超声波装置安装在沙发附近，通过检测沙发附近距离值内是否有人来控制风扇的转动，然后设计流程图，根据流程图搭建脚本程序。
设计意图：采用情境化策略实现目标，通过分析生活场景需求，了解智能风扇的功能特点，激发学生的创造欲望。
活动二：温度感测
我们在天气特别热的时候才会使用电风扇，那么怎么检测温度值呢？通过情境引出温度模块后，将与温度有关的所有的知识点进行整合学习。通过找、数、辨、试四个环节巩固知识，思考并实践三个问题：1.怎么新建温度变量？2.怎么读取温度变量的值？3.怎么连接温度感应模块？
思考完三个问题后，将温度检测值赋值给温度变量，据此判断温度值是否大于某一值时决定马达是否转动。
设计意图：学生对于电风扇工作原理很熟悉——通电后马达转动，但是对于智能风扇感觉很陌生。这时，我们引入温度感测模块，让学生初步了解感测技术，并能根据实际情景判断出，当温度大于30度时马达转动。这种操作既使学生学习了知识，又帮助其解决了实际问题。
活动三：综合设计
通过讨论，我们得出：“聪明的”风扇是满足在有人并且温度大于30度时，马达开始转动的条件的。这时学生需要动手搭建脚本，同时连接感测器到主板上面。
活动四：外观设计
我们设计一个智能产品，程序和硬件搭建是一方面，另一方面产品的外观也很重要。经过同学们的创意设想，我们设计出了一款智能玩具——小熊家的智能风扇，本玩具属于纯手工制作。当小熊回到家坐到沙发上面，温度大于30度时，风扇开始自动转动。
设计意图：通过采用活动化策略，在这一环节实现了目标4，且使学生的综合能力得到了锻炼，并对于感测技术、控制技术以及人工智能有了一个形象化的认识。
课后反思
在四年级第一课介绍什么是信息技术时，给学生讲到感测技术、控制技术，学生感觉很陌生;跟他们讲装有感测器的机器人能模拟人的触觉、听觉、视觉，可代替人完成许多工作，学生对于这句话的理解很抽象。但当我使用scratch教学中的温度感测模块和超声波模块，形象化地把人工智能诠释后，学生对于感测技术和控制技术及人工智能才有了一个可视化的认识。当我用scratch为例进行教学时，学生对于人工智能的喜爱之情和求知若渴的表现让我深深感动。虽然小学生的认知水平和认知能力有限，我们讲一些人工智能对他们而言是陌生的，但我以智能风扇为例，打开小学生探索人工智能的大门是符合他们的认知规律的。因而借助小学scratch教学，对小学生人工智能的学习是有意义的。
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