项目式学习在小学人工智能课程中的实践

钟春兰

摘 要：文章以“遥控机械手”为项目式学习的主题，开展小学人工智能项目式教学。学生通过掌握遥控机械手活动的基本原理以及红外传遥控器的工作原理，逐步建立遥控机械手的感知模式，并学习动手搭建机械手，同时利用ScratchPi可视化程序软件，进行编写机械手检测物品、进行数据处理等程序，并通过运行调试与整理程序，进而完成对机械手的抓取、摆放、抬升和推动的功能。

关键词：项目式学习;人工智能课程;“遥控机械手”课程

一、项目主题内容分析

“遥控机械手”课程选自“基于STEM理念的智能桌面实验盒”的人工智能教学的自编教材，设计意图是拓展ScratchPi可编程电子积木与乐高结合的应用，帮助学生了解学生机器人的“拓展积木”和“辅助设备”，同时要求学生能选择合适的扩展模型来构建所需要的机械手结构，并完成编程、调试与整合。

二、项目教学目标

掌握机械手活动的基本原理;掌握红外传遥控器的操作基本原理;动手搭建机械手;编写程序实现机械手检查物品并进行适当处理的标准操作。

三、项目任务

本项目的主要教学对象为学校五六年级学生，他们在常规教学课堂上已经掌握计算机中常见的应用软件，对电脑的实际运用较为熟悉，同时他们也有着ScratchPi课程的学习经历，已经掌握传感器的基本含义和有关的活动方法，并熟悉使用ScratchPi的应用软件进行程序设计。本项目式学习根据学生已经有的知识技能，制定以下项目任务。

（一）了解机械手的结构功能

对机械手的设计与制作进行分解，把本课要创作的机械手分解成：了解机械手的结构;分析机械手的主要功能;拼装机械手并使用软件实现其功能。

（二）动手搭建机械手

1. 器材准备：直流电机控制器、主控器、电机、红外收发器、红外遥控器和积木配件;

2. 根据搭建手册，小组合作动手搭建机械手。

（三）编写程序与测试

1. 了解机械手的功能需求：①当红外遥控器上键被按下，机械手上移;②当红外遥控器下键被按下，机械手下移;③否则（不按外遥控器），机械手悬停;④当红外遥控器左键被按下，机械手收拢;⑤当红外遥控器右键被按下，机械手张开;⑥否则（不按外遥控器），机械手悬停;

2. 学习条件判断程序块：①机械手要对遥控器的哪个按键被按下做出准确的判断，依靠的是“条件判断程序块”。当侦测条件成立时，执行“如果”框内的程序脚本模块;②可以添加程序塊，实现多个条件的判断;③思考如何用程序实现机械手的功能需求呢？与教师一起书写程序流程图;

3. 动手编写程序;

4. 上传程序与测试。

四、项目实施过程及学生学习成果

（一）器材材料

直流电机控制器、主控器、电机、红外收发器、红外遥控器和积木配件。

（二）实施模式

从教学目标来看，“遥控机械手”项目学习不是从研究机械手的形状与结构方面切入，而是侧重于让学生借助编程思维理解机械手的工作原理，工程设计和技术应用所占的比例相对较低。

（三）将项目分为前期准备、实施过程和后续活动三个环节

在项目实施过程中，学生主要经历“理解原理—需求分析—硬件搭建—程序设计—交流展示—反思总结”的过程。教师给学生设置合理且有趣的探究任务，引导全体学生积极参与，指导他们获取有价值的信息，同时有效地控制课堂气氛和秩序，帮助学生达成每一个学习目标。

（四）具体过程

在整个项目执行阶段，教师设计了“初建—反思—再建—交流”四个环节。每个环节涵盖“合理预期”“促进参与”“引导发现”“控制秩序”“归纳总结”五个项目实施要点，让学生运用数学方法与信息技术进行数据分析和汇总。

1. 了解机械手的结构和功能

教师播放珠江啤酒厂的自动化生产视频，引导学生讲述与机械手有关的背景知识，如机器双臂是一个能够模拟人手和臂的某种动态控制功能，用于按定程式抓取、移动物体以及操纵工具的手动操纵装。这一活动的目的在于让学生把课堂知识与实际相联系，激发学生的学习兴趣和积极性。

当学生的激情被调动起来后，教师向学生展示机械手的功能：上移、下移、收拢和张开。随后教师给学生布置任务：“请你们讨论机械手的功能，书写需求分析和程序流程图（如下图）。”教师将学生分成4人一组进行简短的讨论，确定机械手需要实现的功能，并商讨如何搭建机械手。鉴于这是学生第一次搭建机械手，教师需要给学生提供完备的器材和详细的搭建手册。

2. 动手搭建机械手

学生按团队所讨论的搭建方法参与搭建活动，在搭建的过程中，可以加入自己的创意，使得机械手尽可能简单又实用。这个过程中教师要注重观察学生的一些活动细节并给予及时的指导，对于遇到困难的学生，教师要辅助他们找到所搭建机械手存在的各种问题，并通过与其他团队互动获取有用的信息，为后续的改进和测试积累经验。

3. 程序编写与测试

学生完成搭建任务之后，教师随即引导他们进行程序编写。教师首先详细讲授本程序需要用到的程序块：条件判断程序块。

使用条件判断语句可以在执行某个语句之前进行判断，当侦测条件成立则执行“如果”框内的程序脚本模块。条件不成立则执行“否则”框内的程序脚本模块。学生根据教师的讲解与前面书写的程序流程图，完成机械手程序的编写。程序编写完后，将程序上传到控制器，打开电源开关，拿出遥控器，按“上、下、左、右”键位，观察机械手是否听指令。

4. 展示与交流，聚焦搭建与编程中的心得

教师组织学生互相介绍他们的机械手。教师提前准备主要教学内容、与有关知识的链接等，并指导学生通过机械手实物进行的分步法演示作业与讲解，让学生进行集中反思和总结交流，力求使全体学生既能对知识获得情况进行真实客观的评估，也能加入到其他小组学生的知识评价中。

五、项目教学反思

本项目学习的宗旨是使学生掌握遥控机械手的基本构造并通过软件编辑实现其遥控功能，能利用各种方法和配件积极地创新遥控机械手的结构设计，并培养学生独立思考和共同探究的习惯。

（一）合理分配项目小组人员

项目式学习能否有效开展，主要取决于学生。项目式学习的合作小组的人员组成可由教师根据学生已经具备的能力、兴趣爱好、性格差异等来安排，不太建议由学生自主选择合作伙伴。项目学习的各项任务要考虑独立完成和合作完成的比例，合适的比例有利于培养学生自主、合作、探究的合作学习能力。

（二）重视教学中的问题设计

“学起于思，思起于疑”，学生的思考总是从疑问出发。正确地指出问题和恰当地指导学生回答问题，是教学取得成功的关键。所以在本节课中，笔者重视紧扣教学目标，以领会知识和运用知识为前提，从分析作品功能需求到编辑程序代码，一共设置五个问题，引导学生挖掘每个知识点之间的关键点，帮助学生理解和掌握重难点。

（三）注重培养程序开发意识

程序教学最关键的是程序设计思维的训练，并从程序设计知识点中训练学生运用程序设计解决实际问题的能力。培养学生的程序设计逻辑思维，实际上并不只是让他们学会编程语言，而是在于训练他们的逻辑思维能力，使他们明白编程语言背后的逻辑原理与方法。课堂上带领学生一起分析用户需求，结合所学提出设计方案并实施，培养学生在解决问题中形成可计算化的思维，形成利用编程工具解决实际问题的意识和习惯。

参考文献

[1]张计芬.STEM教育理念在信息技术教学中的融合分析[J].新教育时代电子杂志：教师版，2019.

[2]王敏.基于STEM教育理念的信息技术课程教学模式应用研究[D].西安：陕西师范大学，2019.

[3]周迎春.面向STEM的Scratch创新课程[M].北京：人民邮电出版社，2019.