人工智能主题作品在小学创客教育中的探索
刘建国
随着人工智能教育的不断推广与普及，其在小学创客教育中也渐显身影。目前，小学人工智能教学中基本以编程教育为主体，以动手实践为辅助，以身边事物为研究方向。Mixly图形化编程类工具大大降低了学生学习的门槛，Arduino开源硬件降低了学习的成本费用，让人工智能教育的难度降低，推广变易。基于此，小学的人工智能教育也要大胆地尝试，让此类课程能加快成熟，形成系列。
源自生活，AI教育的选题
智能为生活而造，人工智能的产生就是为人们的生活、生产提供服务的。目前，市面上的人工智能产品越来越多，高端的有AlphaGo，常见的有人脸识别、扫地机器人等，这些产品和工具都具备特定的算法，让其能思考、判断继而完成特定的任务。因此，要推广人工智能教育，学习的内容和主题以及探究的方向不能脱离现实，特别是在小学人工智能教育中，更应从身边事物出发，对各种常见的事物进行探索、改造，这样才能让学生对探究的内容更有兴趣，更容易感受到人工智能的特点和优势。
小学阶段的学习是以基础技能、基础知识的学习为主要目的。因此，小学人工智能教育的选题首先要符合学生的年龄特征和能力特点，选题范围不能过大，特别是自主探究类的选题，如果选题过大会容易造成项目失败，从而打击学生的信心与兴趣。选题内容应尽可能小，具有的功能不必太强大，如智能垃圾桶、智能风扇、智能LED灯等，功能简单，实用性强，易于操作实践。
例如，创客作品“会看杯子的饮水机”就是以平常的饮水机为主体进行探究，先让学生分析现有饮水机的优缺点，思考如何改造才能具备人工智能的特点。通过教师的引导以及自身的细致观察，学生们很快就发现普通饮水机的主要功能和特点为：①开关——分按键式、按压式和推压式开关;②功能——热水（高温）、温水、冷水。根据小学生的知识面和接受能力等方面的特点，笔者选择对饮水机开关进行智能化的改造探究，首先引导学生分析各种饮水机开关的优缺点：按键式会出现按下开关后忘记关水的现象，按压式的开关就必须腾出一只手去按着开关才能装水;推压式开关必须用手拿着杯子推压进去才能出水。因此，笔者提出智能化改造方向：放上杯子自动装满水。通过这样的方式分析现有产品的特点、性能，提出优化改造方向，选出研究主题，能让学生在探究的初始过程就获得成就感，对项目的下一步开展打下坚实的基础。
逆推思维，问题解决的方式
人工智能是赋予机器或者工具交互、思维、判断和执行的能力。一种好的思维方式能让事情的解决过程少走许多弯路，只有确定明确的目标再配合优秀的思维方式，才能让问题解决简单化、高效化。在小学阶段进行人工智能的探索，主要难度在于如何理清学生探究的思路，加强学生的逻辑思维、编程思维的培养，只有理清了问题解决的思路，才能对探究的问题、研究的作品进行下一步的开发与实践。对小学生的思维技巧培养，笔者认为最好的方法是由浅入深，逐步引导，逆推式的问题解决思维方式是一个不错的选择。也就是说，先定好目标或者结果，然后从目标出发，反向思考，根据目标或结果去思考要达成哪些条件才能取得预期的效果。因此，小学阶段的人工智能培养需要设立巧妙的情境去引导学生，让他们自主探寻出一个明确的方向和目标，在研究问题、分析问题解决方式的过程中感受和掌握相关的知识和技能。
学生们在教师的引导下已经确立了智能化改造的方向和目标，接下来笔者采用填写流程图拓展完善目标达成条件的方式引导学生，让他们通过逆推式思维的思考方式去学习、掌握编程思维的方法和技巧。
如图1所示，笔者先做出一个最简版本的流程图，然后引导学生进行思考：探究目标是把杯子装满水，所以首先要达成的判断条件是杯子是否已经装满水？那么如何才能知道水满了呢？学生通过观察、思考很快就能找到答案：杯子有高度，杯里面的水的高度等于杯子的高度时就是水满。接着，引导学生总结出判断杯子水满的方法就是对比杯子的高度和水的高度。接下来就可以得出饮水机要智能化就必须会判断，会看到水的高度和杯子的高度，进而逆推出达成目标的上一条件是获取水的高度。在探究水的高度时，学生都知道装水时水的高度是不断变化的，也由此引出变量这个概念，而杯子的高度是不变的，也就是说这是一个变量与定量的对比过程，前提是必须有定量存在。因此，学生考虑到要有杯子的高度就必须先放上杯子才能“看”到杯子的高度，最后得出判断杯子的条件就是有杯身和杯底，也就是说改造后的饮水机要能感应到杯底和杯身才能判断是不是放了杯子上去，最后得出完整版的流程图。如图2所示，紅色箭头是学生逆推思维的方向，整个思维探究过程既培养了学生分析问题解决问题的能力，又培养了学生的编程思维和计算思维，让学生在无形中学习与掌握相关的流程和思维方法，效果十分明显。
实践验证，功能模块的选定
教育是一个知识传递的过程，知识的接收与消化需要各种方式的练习与验证来强化，人工智能的学习不能局限于知识的灌输，纸上谈兵绝对无法完成整个学习项目的探究。因此，还要引导学生进行实践验证，把分析得到的数据、操作的流程等转变成智能化的工具或作品。在小学的创客教育中，大部分的编程学习都是采用图形化的编程工具，因为其具有易学易懂易用的特点，很受学生们的青睐，再结合大众化的Arduino开源硬件，让学生不论在学习难度或者学习费用上都不会有过大的压力。要把主题探究中的想法进行实践验证，图形化编程+开源硬件的搭建方式无疑是最佳的解决方案。
继续以上述作品为例，学生在分析完问题的解决思路和方法后，就要进行作品的创作并验证。首先，考虑控制饮水机出水开关的元件;其次，考虑杯底的感应模块;再次，考虑杯身高度的感应模块;最后，考虑杯内水位的检测模块。这样由易到难、循序渐进的探究过程，不仅能让学生获得攻关胜利的成就感，更能增强他们探究过程中的自信心。根据以往知识的积累，学生们直接在流程图上构思可选取的模块。
经过对各种开源硬件功能模块的作用分析考虑，再针对探究作品相应位置要实现的功能，学生们选择Mixly程序中高低电平的输出控制继电模块控制出水口的开关，而杯底的感应，在分别用超声波测距模块以及光敏传感模块进行试验后，选择光敏传感模块。在本主题探究中，杯身的高度感应是难点，因为杯子存在不同的容量以及不同的直径和高度，虽然杯子放下去之后是一个定量高度，但在没放杯子之前，杯子的高度是属于一个变量，对于变量的获取方式学生接触较少，这时，教师就需要适时进行指导。在此环节，可采用枚举法，让学生收集一些不同大小、高度的杯子，放在桌面去观察思考，用哪种功能模块能检测到不同杯子的高度，在观察的过程中学生们会发现，从侧面能看到杯子的不同高度（如图3），也就是说如果把眼睛作为感应模块，不同高度的眼睛就能看到不同高度的杯子，只要用同样的模块组合起来像尺子那样量杯子就能测量到杯子的高度了。这样类似视线方式的功能模块可以选择由光敏感应模块和激光发射模块组合的阵列，杯子遮住相应高度的模块就反馈给程序中的变量以此获取杯子的高度。最后，杯中水位的高度可以选取超声波测距模块，这个部位的元件选取相对杯身高度来说比较容易。最终搭建成的模型如图4所示。整个过程学生都是在教师的引导下通过不断地实践、尝试才探究成功，当然前期的基础知识是必要条件，如若没有三、四年级的创客知识学习，没有相应的知识广度，学生们的探究难以开展，这也说明了人工智能教育也要有相应基础知识的搭建。
程序编写，智能化的转变
生物具备的智慧，在于他们的大脑能进行思考、能存储信息，智慧的核心在于创造，而创造是人类所特有的能力，人工智能就是人类创造发展出来的产物。人工智能的特征在于能对信息进行存储、处理、分析和执行，也就是说它必须具备类似大脑的核心部件，目前不管是电脑、手机，还是各种各样的开源硬件，都有相应的芯片来存储和运行相应的信息或程序。程序是人工智能的核心所在，当一个产品完成程序的编写和输入，才能算是完整的人工智能产品，程序运行后，产品才能进行智能化的转变。通过主题探究完成人工智能的作品搭建后，程序的编写是最终的蜕变环节，经过此环节的探究学习，能更有效地培养学生的计算思维和编程能力。
继续以“会看杯子的饮水机”为例，此作品的程序编写中涉及三个变量：杯高、水高以及是否水满。此外，程序编写过程中涉及计算思维的有两个环节，一个环节是杯身高度与水面高度的比较，此环节用来判断是否水满;另一个环节是水面高度的数据获取，因为超声波测距智能测量超声波模块位置与水面位置的距离，而这个距离并不是水面的高度，因此，教师还需要引导学生思考如何把这个距离转变成高度，引导他们学会数据的转移方法，让他们明白超声波模块离杯底的距离与水面距离的差值就是水面的高度，最后探究出用Mixly编写的三个主要的变量部分程序段如图5所示。
解决了程序的难点后，其他部分的程序编写和调试就轻松多了，但也要学生们通过不断地编写、上传然后进行实物测试，才能真正赋予“会看杯子的饮水机”看杯子装水的能力，让其具备人工智能的相关性能，这个编程调试的过程就是智能化的转变。
结束语
人工智能是社会发展的趋势，早日在小学教育中推广人工智能的学习、探索，能让学生提前了解社会发展的步伐，而创客教育对于人工智能来说无疑是一个非常不错的推手。在小学的基础技能教育中，创客教育能有效增强学生分析问题、解决问题的能力，培养学生动手实践的能力以及计算思维和编程思维，这也是小学人工智能教育的方向和目的。
基金项目：广东省教育科学“十三五”规划课题“‘五度六环人工智能教育启蒙课程的构建与实施”（课题编号：2020YQJK234）。
