人工智能在创客教育教学中的应用——以“零钱机器人”作品为例

江苏苏州市敬文实验小学校（215000） 毛新悦

《新一代人工智能发展规划》要求：“要实施全面智能教育项目，在小学阶段开设人工智能与相应课程，推广编程教育、创新创造教育。”基于此种背景，创客教育落地生根，逐渐渗透于小学各个年级段课程体系中，通过软、硬、智、造四大媒介构成创客课程。开源机器人是创客课程中的主要内容之一，机器人制作活动灵活，能够融入人工智能技术，为学生的机器人制作提供更多技术素材，启蒙学生的人工智能意识，锻炼学生的创客操作能力，为学生今后的成长与发展奠定坚实基础。

一、设置课前任务，激发学生探索兴趣

创客课程中应用人工智能，涉及较多的学科内容，且制作过程较为复杂，需要耗费大量的时间，若在课堂上展开教学全过程，则会影响学生的实践创作活动，压缩学生的动手操作时间。教师根据开源机器人“零钱机器人”课程内容，提出“课前+课上+课后+课终”的课程结构，引入翻转课堂教学方法，提出明确具体的课前任务，让学生借助互联网平台、微课视频获取关于人工智能、机器人制作方面的资料，以丰富资源激发学生兴趣，为课上机器人的创作与实操做好准备。

【课前环节】

教师根据学校的创客机器人学习条件——具备多媒体教室、有现成的创客机器人微课视频资源、机器人制作工具丰富，搭建翻转课堂模式，让学生在课前通过线上平台观看微课视频——“创客零钱机器人”，并布置课前学习任务：（1）了解人工智能存钱罐结构；（2）理解机器人的语音识别系统工作原理；（3）掌握机器人中传感器的设置及其工作原理；（4）了解更多的人工智能机器人成果。通过布置课前学习任务，学生的课前自主学习就有了明确的目标任务，为达成教学目标做好了充分的准备。

微课视频生动有趣地讲解了“零钱机器人”的功能、作用与创意思想，为学生演示了智能存钱罐机器人操作的全过程，激发了学生的好奇心与学习兴趣。学生纷纷记录视频中机器人创作的重点步骤，得到结论为：（1）创作机器人，需要设计机器人的功能，每项功能都要有相应的软硬件支撑，不能盲目加功能，以防现有条件难以实现；（2）需要根据不同功能选择合适的传感器，编辑不同的人机对话系统，需要对可视化编程语言进行初步学习了解；（3）机器人制作完成后，需要进行多次反复的实验操作，以验证机器人的功能和运行功能，对不完善的地方进行改进和提高。至此，学生初步形成设计思路，剩下的只待学生在课堂活动中实践与操作。

教师设置课前任务，学生根据教师提供的微课视频展开课前线上的自主学习，在观看视频的过程中大致了解了开源机器人制作的过程与思路，同时对“零钱机器人”产生一定的设想与设计想法，对不懂不清楚的地方，能够自行上网进行资料查询和问题解决，积累了一定的相关知识和经验，有的甚至动手进行了某个功能的试验性搭建，这些准备工作都为之后的课堂创客实践奠定基础。在本阶段中，学生能够在课前就了解人工智能的有关元器件：传感器，初步形成人工智能认知，能够更好地投入到创客活动的自主创作中。

二、课上提出假设，支持学生设计方案

课堂环节主要是尊重学生的学习主体地位，让学生根据课前学习成果，结合自己对人工智能、智能机器人及其原理的认知，展开分析、设计、实践操作的过程。教师根据班级学生的课前学习情况，考虑到创客课程探索性、实践性的特征，提出“以小组为单位完成项目任务”的课上活动形式，明确这一环节的活动需求，提醒各小组分好工，各司其职、各尽其能，共同合作完成任务。至此，教师将课堂空间让给学生，自己扮演引导者、激励者的角色，使学生在课堂中能够发挥主观能动性，通过交流、互助，在教师的指导下自主操作完成项目。

【课上环节】

开源机器人“零钱机器人”是本校创客课程教材的主要内容，目的是提高学生在制作AI 人工智能实用器具方面的动脑和动手综合能力。学生需要在完成课前学习之后，经历课堂互动设计实验方案和分组制作作品这两个环节。教师可以设计以下的教学活动：提出机器人假设—小组设计实验方案。

教师为学生准备充足的器材与设备，包括3D打印机、美工刀、钳子、螺丝刀、手锯、儿童电钻、松木板、瓦楞纸、打印材料、掌控板、ARDUINO、核心板拓展板、RGB 灯带、超声波传感器、减速电机、舵机、轮子、电脑等，并提出要求：“请大家根据课前的微课学习结果，以小组为单位，提出你的‘零钱机器人’设想。”这一要求的目的是鼓励学生拓展思路，设想“零钱机器人”的功能，为之后形成系统的设计方案储备材料。学生纷纷思考与交流，根据自己对存钱罐的认知及微课视频中的作品展示，提出设想。

教师提出创客活动要求：“请大家根据自己的设想，以小组为单位，交流设计实验方案，完善你的存钱罐功能，思考人工智能技术将要如何满足你的存钱罐功能。”之后，学生纷纷投入到实验设计中。

在设计环节，一些学生小组难免遇到问题，如不确定设计功能是否能够实现、软件编辑受技术水平难以达到理想状态等，此时教师要给予学生最大的发挥空间，不要肆意干扰学生，而是在学生“求援”的时候适当给予提点、引导，让学生自主完成设计环节，突破自我局限，实现课程教学目标。

三、加强理论培训，形成AI智能思维体系

基于AI 人工智能的创客团队，不仅需要拥有将AI 人工智能融入生活、解决实际问题的能力，还需要完成能够融合AI 人工智能的创客作品。对学生而言，在教学的课后加强理论培训是在完成创客作品后的一项重要任务，其不仅是对创客理论下AI 人工智能理论的总结，还是帮助形成AI 人工智能思维体系的必经之路。因此，鼓励创客团队成员集思广益，充分发挥自己的聪明才智，将创客作品中所学习到的理论知识形成一定的体系，指导实践，提升技术，是创客教学课堂学习人工智能的一个重要环节。

【课后环节】

在学生形成设计方案后、最终动手制作之前，教师需要进行必要的理论辅导，让创客团队“既知其然，更知其所以然”，达到脑、手一体的目标。就“零钱机器人”这个项目而言，可以将STEAM 教育理念渗透其中，从以下几个方面由浅入深、从易到难地进行讲解。

一是知识层面，讲解学生比较感兴趣的3D 打印技术和应用、ARDUINO 开源平台的基本原理和发展趋势、Scratch 图形化编程的来源和演进等。形式上可以采取微课分板块进行，图文并茂、视频展现，比单纯的板书讲述效果更好一些。对小学生而言，这部分内容主要是激发兴趣，让他们对即将用到的软硬件产品有个直观的认知，增强探索和动手的欲望。此外，还要对应用过程中可能遇到的问题进行预先分析，让学生对浅显的AI 人工智能设备有初步的认识，并对于实践中遇到的困难也能树立攻坚克难的决心。

二是理论层面，稍微加深一点，概略性讲解“零钱机器人”的功能设计原理、造型搭建方法、语音识别要素、LED 发光原因、程序逻辑运算方式，及AI深度学习、机器自行学习、采用合适算法、各种高级编程语言（如Python Flask、C++、JavaScript）等，让学生不仅能够从外观上了解AI 人工智能的构成，更加理解AI 的内涵，明白制造一个智能机器人决不像表面看到的那样简单，而是涉及多学科、多领域的融合与合作，这就是创客需要团队的原因。通过这样的辅导，让学生明白机器人功能的实现需要厚实的理论储备，激发他们努力学习、向知识高峰冲击的决心，也为做好项目打下硬实的心理支撑。

三是应用层面，要讲究深入浅出，在知识和理论铺垫的基础上，重点讲述如何将理论与实践紧密结合起来，充分发挥学生自主创造力。为了确保项目能够顺利进行，教师要进行手把手的培训辅导，让学生边听讲边动手；同时，应当采用合适的硬件强度以降低设计的技术门槛，重在学生的创新而非技术性环节的设计。这样能让学生在创造中体会到更多的乐趣，从其中感受到成功的喜悦。

通过这样简明扼要的课后培训，学生既能从理论层面初步弄清AI 人工智能的来龙去脉和底层逻辑，又能非常直观地体会即将落地的机器人项目，从知识掌握到动手制作，形成了比较系统的AI 智能思维体系，其影响力不仅是做好一个“零钱机器人”，更是学会了一套有益的思想方法，提升了小学生的科学素养。

四、课终展开操作，展示学生制作成果

课终操作指的是在课堂教学的后半阶段，即成品制作和展示阶段，让学生根据已经完成的实验设计方案，采用实验室中的材料，以小组为单位进行操作，在机器人制作完成之后展示制作成果，旨在实现对学生人工智能技术认知的培养，锻炼提高学生的动手操作能力。

【课终环节】

教师提出要求：“根据你们设计的机器人实验方案，选择自己需要的实验器材与传感器设备，开始制作机器人吧。”学生小组展开制作，学生根据上一环节展示的实验设计方案，选择实验器材，具体操作过程如下。

1.学生1解读开源机器人说明书，提出“要安装编码器、连接片与双孔梁，制作底盘支架与存钱罐主体”。

2.学生2表示要根据自己对机器人的设想（见图1），设定多啦A梦这一卡通形象，使用3D打印机打印“外包装”。

图1 瓦力零钱机器人概念设计图

3.学生小组共同操作，负责连接各个结构，安装底盘与主体，在零钱机器人的顶面开口，在存钱罐内部设置触感装置，每次投入一枚硬币，皆可以感知到，自动累计数量，实现计算额度的功能。

4.在存钱罐中安装小时钟，使用掌控板、ARDUINO、核心板拓展板等技术编辑程序，设定72 小时一提醒，提醒学生每隔3 天存一次钱。其中，注意提醒的时间须是自己能感知到，且不受打扰的时间。

5.为“瓦力”穿衣服，利用遥控控制板操控机器人。

完成机器人安装之后，学生小组纷纷展开“试运行”的环节。一名学生利用遥控板操作，让“瓦力”在教室中移动，每个小组“收集硬币”；这名学生为“瓦力”设定的硬币获取周期是30s，因此每过30s，“瓦力”就会发出“滴滴”的声音，提醒大家“该存钱了”；可以看出，在“搜集硬币”的过程中，“瓦力”身体上的显示板出现数字变化，每次投入一枚硬币，都会显示“+1”的数字，且显示累计硬币数量。在学生展示“零钱机器人”之后，教师提出拓展引导：“大家的想法都通过实验实现了，那你们能够让‘零钱机器人’储蓄更多不同形式的钱吗？可以让机器人识别纸币面额吗？非钱币能被识别出来吗……”通过一系列问题引起学生的思考与探究，进一步深化学生的创客思维，强化本节课活动成果。

在本次活动中，学生通过课前学习、课堂交流与实验设计、机器人制作操作等环节，自主选择了自己想要实现的机器人功能，且通过动手操作一一实现这些功能，进一步锻炼了学生动手操作的能力，让学生对人工智能的应用形成深刻印象。

综上所述，创客教育是小学教育中的重要内容，随着创客教育的逐渐普及，各小学校开设了智能机器人教学活动，引入人工智能，目的在于拓展有关学科知识和学生的知识面。在本次开源机器人“零钱机器人”创作教学活动研究中，学生根据教师设置的创客活动流程，分别在课前、课上、课尾和课终参与不同环节，创作了属于自己的“零钱机器人”。该活动实现了“在玩中做，在做中学，在学中创”的教育目标，提升了学生对人工智能、现代化技术的认知水平。