人工智能与科技创新融合的教学策略

人工智能技术的迅猛发展给现阶段教育工作提出了新的要求。实践表明，深入开展人工智能与科技创新教育融合的研究，是促进学生全面发展的重要内容。科学教师要重视将人工智能与科技创新教育相结合，有效培养学生的创新精神与实践能力。

策略一：问题导向+3D建模与打印

“问题导向+3D建模与打印”主要是发挥学生的自主性。教师引导他们先在生活中发现问题，再通过头脑风暴讨论、分析问题，并尝试用软件进行3D建模，最后用3D打印将设计的作品物化，制作出创新小发明（流程如图1）。

有一节创新课的内容是“找需要”，教师让学生填写“找需要”的创意单。班上的喻同学认为这很简单：之前学习了这么多案例，还想不出一个小发明吗？可到了真正下笔的时候，她却不知所措。看看其他同学，发现很多人也有类似的情况。

这时，教师对她说：“是不是想不出？没关系，老师这里有绝招。”教师向她介绍了事件回顾法，一起回顾这一天中经历了哪些事件。这时，她才发现自己的学习和生活中有着各种不便和困难，要用心去发现。

通过这次回顾，喻同学想到了自己课桌上的笔经常不翼而飞，于是想发明一款只有自己可以取出的锁笔装置。她将创意单填好交给了教师。

课后，教师让她留下来一起研究创意的细节，也就是将创意物化的具体办法。师生一起确定了材料、结构、工具，设计了具体方案，重新绘制了设计图。随后，教师拿着新的设计图去创客中心进行3D建模与打印，做好了零件。喻同学收到零件后开始马不停蹄地制作。

“好难啊！比课堂上的小发明作品难多了！”这是她心里的感受。这时，教师借给她一些工具，比如锤子、锉刀、砂纸、胶水等。利用这些工具，她总算是将作品组装完成了。效果怎样呢？她找来不同的笔进行了多次实验，效果还不错，出现的一些小问题也很快得到了解决。最终，她给作品命名为自锁笔具笔筒，由笔筒主体、安装盖板、滑槽、阻尼泡棉、弹簧座、滑扣、阻尼橡胶、弹簧导杆、弹簧、插销钥匙组成（如图2）。

使用时，将笔垂直插入笔筒，笔的尾端会推动滑扣沿滑槽向下移动，由于滑槽向外侧倾斜，滑扣下滑时与筒壁之间的间距会增大。当间距超过笔的直径时，笔会快速下落直至触碰筒底。此时，滑扣在弹簧的作用下迅速回弹锁紧笔具。若是强行拔笔，由于摩擦力的存在，笔会带动滑扣沿滑槽上移，滑扣和筒壁间距缩小，摩擦力进一步增大，导致笔会越拔越紧。若要顺利地取出笔，只需将所配的插销钥匙插入活动盖板的滑槽，然后往下按，滑扣松脱，便可轻松取出笔。

通过这次的创新活动，喻同学认识到发明并不是表面上那么简单，创新不仅仅是提出设想，更需要物化！

策略二：引疑探究+人工智能

“引疑探究+人工智能”符合学生的思维发展及认知逻辑（流程如图3），教师通过创设情境，引出问题，激发学生的探究兴趣。教师引导学生先筛选有价值的研究问题，再对问题进行设计，找到解决问题的方法，看能否用人工智能的方式来解决，最后物化成发明创新成果。

在一次课堂中，教师创设了一个情境：“人脸识别门禁可以根据人脸自动开门，安全又高效。但如果家里有独立的小院子（别墅、叠层），当狗要出入小院时，主人就需单独设置狗洞或亲自为其开门。这样就会存在安全隐患，给主人的生活带来不便。”

针对这个问题，李同学尝试运用机械的知识来解决，但效果不好，没能彻底解除安全隐患。考虑到人工智能编程有比较好的解决途径，他便与人工智能编程社团合作，在教师的帮助下设计制作出“AI智能图形识别宠物开门器”（设计流程如图4）。该装置采用宠物图像识别功能，当宠物出现在摄像头前时，电动门会驱动电机旋转将门打开，经计时器延时后，再驱动电机旋转将门关闭。

“AI智能图形识别宠物开门器”由摄像头模块、主控制芯片模块、电机驱动模块和供电模块组成（如图5）。该装置通过前置高清红外线摄像头采集图像信息，先运用AI图形识别技术提取宠物独有的图像特征，再通过AI算法精准地将宠物信息传送给主控芯片，最后由主控芯片给驱动电机发出指令，电机开始工作。

策略三：实验探究+机器人搭建

发现一个问题往往比解决一个问题更重要，问题是创新的源泉，也是学生成长的动力。如何让学生养成问题意识，并且有解决问题的动力呢？“实验探究+机器人搭建”为这一问题的解决提供了思路，其流程是：首先，教师提出一个项目问题，让学生通过实验探究这个问题产生的原因和一般的解决方法，并找到这些方法的不足之处及可以改进的点；然后，学生针对这些点，结合机器人搭建模块找到简便实用的解决方法；最后，教师引导学生搭建机器人，通过加装一些功能模块，实现问题的解决（流程如图6）。

在执教机器人搭建课时，教师先提出项目问题：“驾驶员在行车过程中如果注意力不集中，可能会闯红灯。针对这个问题，你有什么好的解决方案呢？”明晰问题后，学生开始模拟实验，对实验现象进行讨论，了解目前常用的解决方法是怎样的。他们发现，目前导航里有红绿灯的时间提示，但没有语音提醒。要想有语音提醒，导航软件必须获得打开语音的授权，且要求网络良好。据此，学生利用光传感器、声音传感器和速度传感器来解决上述问题。他们通过搭建机器人模型，添加功能模块，设计出“基于Arduino的红绿灯提醒器”。该装置通过摄像头不间断地采集红绿灯信息，经主控制芯片分析后，实时提示车主停车或通行，解决闯红灯的问题。

“基于Arduino的红绿灯提醒器”由摄像头模块、单片机、电源模块、语言模块和指示灯模块等部分组成（如图7），采用12伏锂电池供电。电源模块将5伏供给摄像头模块、电源模块、语言模块和指示灯模块，3.3伏供给单片机，使整个系统稳定工作。

[课题：湖南省教育信息技术研究课题“基于人工智能与科技创新教育融合的学生创新能力培养的实践研究”，立项号：HNETR21049]