以机器人创新实践活动促进人工智能教育开展*

丁吉

（连云港市云台农场中心小学，江苏 连云港 222000）

2016年，国家印发《国家创新驱动发展战略纲要》，针对小学信息技术教学，连云港市海州实验小学校成立科技社团，通过科技社团以及小学信息技术课堂，实现全方位、立体化的教学转变，不断推动信息技术教育模式的创新，提高学生的科学精神和创新思维，让学生沉浸于丰富多彩的机器人创新实践活动中，通过编程控制机器人，提高学生的创造能力。小学阶段的人工智能教育主要包括数据和算法分析，教师可以通过科技社团开展机器人创新实践活动，让学生在实践活动中接受人工智能教育，完成编程，提高自主学习能力。

一、小学信息技术人工智能教育的主要内容

1.了解机器人的基础知识

在小学六年级的信息技术教材中，学生需要依靠机器人相关知识掌握人工智能技术，增强对人工智能技术的了解，提高自身的信息素养。首先，学生需要初识机器人，掌握机器人的概念、发展及历史，主要分类。机器人的三大特征包括“大脑”“身体”和“动作”，其中“大脑”可以自动控制机器人的内部程序，“身体”决定了机器人的外在结构形态，“动作”是指机器人具备完成动作的能力，现代机器人建立在计算机技术和自动化技术的基础上。

2.熟悉机器人的硬件结构

在学习机器人的过程中，学生必须掌握机器人所包含的硬件结构，例如控制驱动系统、传感器等。在实践教学过程中，教师可以引导学生对机器人的基本硬件进行组装和拆卸，使学生由内而外地了解机器人。在后期的机器人创新实践活动中，学生需要自主设计机器人的外观结构，控制机器人，这些都要建立在熟悉硬件结构的基础上，只有学生掌握了机器人的各个系统，熟悉了各部分功能，才能在外观设计中融入自己的思想，保证机器人的应用效果。

3.针对机器人进行编程设计

编程设计是人工智能教育的重要内容，学生需要熟练掌握编程环境，了解编程方法和编程原理，对机器人进行编程设计，通过开发程序，控制机器人的动作。“机器人平台软件”是学生进行编程设计的基本软件，只有在计算机上编写相应的程序，机器人才能按照程序执行。首先，教师需要让学生绘制流程图，通过流程图反映某一问题的解决步骤，然后认识“学生机器人”平台窗口，体验不同按钮的功能，了解各类执行控件。在掌握编程软件的基础上，教师可以引导学生开展实践，通过编程控制机器人。

4.综合运用人工智能知识

通过学习机器人相关知识以及编程设计知识，学生最终需要应用人工智能原理，在具体的项目中完成实践，参与机器人竞赛、机器人项目制作。

二、机器人创新实践活动对人工智能教育的促进作用

1.有助于提高学生的动手操作能力

在小学阶段开展机器人创新活动，能够有效增强学生对编程知识的认知，使学生灵活掌握各类机器人编程软件，明确编程思路，发展学生的逻辑思维，提高学生的信息技术能力。小学阶段是人工智能教育的启蒙阶段，教师必须将人工智能教学放在重要位置，一方面要让学生感受人工智能对现代生活的影响，另一方面还要带领学生钻研人工智能技术，通过智能化机器人发掘其“智能”的原理，科学控制机器人，增强学生的创新能力，鼓励学生将奇思妙想付诸实践。机器人创新实践活动具有较强的趣味性和实践性，在信息技术教学中拥有较高优势，有利于人工智能教育的开展。

2.有助于提高学生解决问题的能力

机器人创新实践活动是一种以学生为主体的教学方式，学生可以直接参与到实践活动当中，针对机器人进行编程，解决机器人程序中存在的问题，并在这个过程中增强自身的创新能力和自主学习能力。机器人创新实践活动能够实现STEAM 教育，融合科学、技术、工程、艺术、数学，学生可以打破学科界限，从实际的问题出发，通过自主探究、实验、小组协作等方法，完成机器人创新实践活动，在具体项目中优化实践成果。

三、基于人工智能教育的机器人创新实践活动的基本模式

1.创建机器人创新实践活动基地

为更好地开展人工智能教育，学校需要为学生搭建机器人创新实践活动基地，为学生准备充足的机器人创新实践活动材料，科普人工智能的知识，营造充满科技氛围的校园环境，提高学生对现代科技的学习兴趣。在初级阶段，机器人的结构是重点教学内容，教师要让学生掌握机器人的硬件，可以在机器人创新实践活动基地中开展“简易机器人制作”项目，鼓励学生自己动手制作机器人。Arduino 机器人结构简单，可以作为教学和实践的工具，它主要包含控制器、传感器、电机、机械结构等部分，零部件容易购买，价格低廉，教师可以在实践基地中鼓励学生边动手实践、边学习机器人的硬件结构原理，引导学生连接电路，组装机械部分，全面提高机器人制作效果。

2.形成创新型的教师队伍

机器人创新实践活动的开展需要融合科技社团、课外实践活动、现场教学、科普讲座等内容，需要全面增强学生对机器人创新实践活动的兴趣，提高学生对人工智能知识的掌握程度。科技社团主要由信息技术教师牵头，其他学生要在教师的带领下开展科技探究、知识学习、参观交流等活动，所以教师的作用非比寻常，教师的信息素养、信息技术应用水平直接影响科技社团的运作。基于此，学校需要构建创新型的教师队伍，引入相关行业的能工巧匠，聘用人工智能机器人的程序员、设计师，全面提高小学信息技术教师的创新能力和信息素养，提高教师对人工智能教育的重视力度，增强教师在机器人创新实践活动中的作用。机器人创新实践活动应该成为学校的特色活动，学校可以对信息技术教师开展培训，构建机器人创新实践活动的训练体系，为教师和学生提供资源，让学生在机器人创新实践活动中收获更多知识和技能。

3.充分发挥科技社团的作用

科技社团是小学生开展科技创新、实施人工智能技术学习的重要组织，在机器人创新实践活动的开展过程中，教师需要以科技社团为依托，让学生在玩中学，学中玩，充分激发学生对机器人的兴趣，让学生感受高新技术领域的最新概念。在科技社团中，学生能够了解丰富的科技知识，为学习人工智能、参加机器人创新实践活动奠定坚实基础。基于科技社团，学生还可以和其他同学开展合作，科学分化活动时间和活动地点，共同完成机器人实践活动项目。

四、机器人创新实践活动的开展策略

1.连接课内课外“两个课堂”

机器人创新实践活动需要与小学信息技术课堂相连接，教师要连接课内课外“两个课堂”，充分发挥第一课堂的教学作用，同时发挥第二课堂的实践作用，利用第二课堂开展机器人创新实践活动，对机器人相关知识进行科普，提高学生的创新能力和实践能力。在第二课堂中，教师需要让学生了解机器人的制作原理，引导学生学习机器人的典型算法，提高学生对编程语言的熟练程度，并开展丰富多彩的电子实训，让学生获得动手能力的提高。通过实践训练基地和实验室教学，教师可以让学生上机操作，做到理论与实践相结合，全面提高学生对机器人创新实践活动的热情。Raspberry-Pi 机器人可以应用于程序开发，支持C++、Python 等编程语言，可以充分融合电脑和单片机的优势，在机器人创新实践活动中发挥作用。为了更好地连接课内和课外“两个课堂”，教师可以在课内教学中讲解Python 等编程语言，让学生掌握人工智能算法，增强学生的信息素养。在第二课堂活动中，教师可以组织学生对RaspberryPi 机器人进行编程，运用Python 编程语言，结合人工智能算法，让机器人实现智能化。RaspberryPi 广泛应用于物联网以及人工智能领域，教师可以指导学生在系统中增加语音识别、图像识别等功能，通过算法知识让机器人对外界物体进行检测，控制机器人对物体进行追踪，提高机器人的智能化程度。针对小学六年级学生而言，学生已经具备了一定的编程能力，可以运用Python 对机器人进行简单编程，还可以充分发挥创新思想，运用控制机械手舵的方法让机器人完成抓取物体的动作，增强对机器人的控制。

2.组织假期活动与技能比赛

在小学信息技术教学中，教师可以充分利用寒暑假时间，开展机器人创新实践活动，让家长广泛参与到活动当中，开展亲子技能比赛。家长是学生的引路人，家长在机器人创新实践活动中的参与可以进一步调动学生的积极性，提高学生的创新思维。在以往传统的技能竞赛中，很多竞赛都没有充分发挥学生的自主性，大多是由教师进行实践，学生观看、模仿，这类竞赛难以提高学生的动手实践能力，学生的信息素养和科技创新能力会停滞不前。针对这种情况，教师可以结合兴趣小组，让学生以小组为单位，开展趣味竞赛，鼓励各小组学生自主设计、自主操作，家长和教师负责对学生的比赛结果进行打分，科学评价学生的设计理念、实践操作成果，全面发挥竞赛的价值，让学生拥有更大的实践空间。例如在“翻越障碍”的机器人竞赛中，教师可以为各个小组制定比赛规则，引导各小组自主设计机器人的外形，通过编程的方法控制机器人行为，让机器人爬越障碍物。在比赛开始之前，教师和家长需要共同设计比赛场地，用塑料轨道、纸板等材料布置障碍物，塑造出复杂的地形，标注出起始地点、必经路线、终点，各小组的学生需要对机器人进行设计，让机器人穿越复杂地形，完成抓取任务，并将抓取物体放到指定位置，比赛的评价标准包括所用时间、目标完成程度。通过技能比赛，各小组的学生可以通力合作，发挥自己的一技之长，提高自身的创新能力，在控制机器人、完成比赛的过程中收获成就感。家长的参与能够进一步优化竞赛氛围，增强学生的自信心，提高竞赛的开放程度，有利于比赛效果的提高。

3.利用校企合作丰富教学内容

在小学信息技术教学中，可以充分利用校企合作，教师在校企合作的基础上丰富创新实践教育的形式，让学生接触先进的人工智能技术，了解机器人在不同行业中的应用效果。在课余时间，教师可以带领学生参观工业制造企业中的人工智能机器人，例如高铁巡检智能机器人、仓库分拣智能机器人、客户服务智能机器人等。不同类型的机器人拥有不同的功能，例如交互型机器人，这一类机器人可以与操作员或者程序员进行人机对话，操作员可以通过语言的形式对机器人进行控制，而自主型机器人可以完成一些模仿人类的任务，不需要外界人为的干预，具有一定的自主性，能够对外界进行感知，及时处理问题，对事件进行决策和执行，独立性较强。除此之外，还有传感型机器人，这类机器人的智能化程度较低，内部只有感应机构和执行机构，是一种受计算机控制的机器人。通过实地参观，学生可以亲身了解不同机器人的类型，深度掌握机器人的工作原理，提高对机器人相关知识的学习兴趣。基于校企合作，教师还可以引导学生在企业内进行实际操作体验，了解先进机器人的编程过程，达到开阔学生视野、提高学生创新能力的目的。

在新的时代背景下，我国致力于培养创新型人才，旨在提高人才的科技素养，增强人才的实践操作能力。在小学信息技术教学中，人工智能教育已经成为重点教学内容，作为信息技术教师，需要组织更多开放型、创新型的教育教学活动，让学生在活动中锻炼动手能力，提高创新思维，从而树立探究科学、创造创新的教学目标。机器人创新实践活动能够有效促进人工智能教育的发展，学校需要不断优化师资队伍，在校内建立机器人创新实践活动基地，为信息技术教学奠定坚实基础，为学生开辟广阔的实践空间。在机器人创新实践活动中，教师需要充分利用假期时间，联合课内课外“两个课堂”，让学生掌握更多的编程知识，参与机器人创新竞赛，全面提高学生的实践技能。