曹蓉

摘要：以開(kāi)源硬件為載體的人工智能課程十分適合基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式?！吨悄苈暱?zé)簟芬徽n的設(shè)計(jì)思路為：采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式，學(xué)生小組合作探究，經(jīng)歷“需求分析—方案設(shè)計(jì)—項(xiàng)目實(shí)施—項(xiàng)目?jī)?yōu)化—項(xiàng)目評(píng)價(jià)”的學(xué)習(xí)過(guò)程。項(xiàng)目施行過(guò)程中，應(yīng)明確每個(gè)步驟要做的事情，及時(shí)分析需要跨學(xué)科解決的問(wèn)題，注重過(guò)程中的真實(shí)性，采用多元評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目學(xué)習(xí)Arduino算法智能聲控?zé)?/p>

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，普通高中信息技術(shù)課程倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，將知識(shí)構(gòu)建、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入運(yùn)用數(shù)字化工具解決問(wèn)題和完成任務(wù)的過(guò)程中。

諸多學(xué)者對(duì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)做了深入研究，衍伸出項(xiàng)目化學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等相關(guān)的研究。2019年，夏雪梅博士比較了國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目學(xué)習(xí)，界定核心素養(yǎng)指導(dǎo)下的項(xiàng)目學(xué)習(xí)理念為：在一段時(shí)間內(nèi)，學(xué)生對(duì)與學(xué)科或跨學(xué)科有關(guān)的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題進(jìn)行深入持續(xù)的探究，調(diào)動(dòng)所有知識(shí)、能力、品質(zhì)等，創(chuàng)造性地解決新問(wèn)題、形成公開(kāi)成果，對(duì)核心知識(shí)和學(xué)習(xí)歷程產(chǎn)生深刻理解，并能夠在新情境中進(jìn)行遷移。同年，胡佳怡博士提出，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的本源特征是它的真實(shí)性;項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的“真實(shí)性”包括真實(shí)問(wèn)題、真實(shí)情境、真實(shí)學(xué)習(xí)和真實(shí)評(píng)價(jià)這四個(gè)要素。

在以開(kāi)源硬件為載體的人工智能課程中，如果僅僅是理解算法，不涉及傳感器與Arduino芯片之間的硬件連接原理，學(xué)生就無(wú)法真正理解傳感器如何感知世界、Arduino芯片如何根據(jù)感知的數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的反應(yīng)，那么知識(shí)內(nèi)化與能力構(gòu)建均會(huì)浮于表面，舉一反三的思維遷移更是難以完成;只有掌握硬件接線原理、理解數(shù)據(jù)輸入、芯片程序設(shè)計(jì)工作原理、輸出的整個(gè)流程，才能真正理解開(kāi)源硬件工作原理，做到結(jié)合實(shí)際遷移學(xué)習(xí)及創(chuàng)新。顯然，這十分契合也迫切要求“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式”。

一、實(shí)踐：基于項(xiàng)目的《智能聲控?zé)簟方虒W(xué)設(shè)計(jì)

本次教學(xué)設(shè)計(jì)思路為：采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式，學(xué)生小組合作探究，經(jīng)歷“需求分析（做什么）—方案設(shè)計(jì)（怎么做）—項(xiàng)目實(shí)施（具體落實(shí)硬件連接和程序設(shè)計(jì)）—項(xiàng)目?jī)?yōu)化（思維遷移）—項(xiàng)目評(píng)價(jià)（社會(huì)責(zé)任和人性化考慮）”的學(xué)習(xí)過(guò)程。

（一）需求分析

（播放智能家居相關(guān)視頻：阿里巴巴無(wú)人酒店以及學(xué)校樓梯口的智能燈）生活中，當(dāng)我們行走在學(xué)校、小區(qū)、商場(chǎng)的樓道里，看不見(jiàn)東西的時(shí)候，拍拍手或跺跺腳，燈亮了，過(guò)一會(huì)，燈又滅了。這就是智能聲控?zé)簟Ｖ悄苈暱責(zé)羰鞘裁丛砟?？我們是否也能自己做出?lái)呢？今天，就讓我們一起學(xué)習(xí)并嘗試。

[設(shè)計(jì)意圖：伊始，讓學(xué)生通過(guò)觀看視頻了解智能家居目前的發(fā)展情況，結(jié)合真實(shí)情境，明確本次項(xiàng)目學(xué)習(xí)的主題。]

（二）方案設(shè)計(jì)

完成這樣的智能聲控?zé)粜枰男﹤鞲衅髂?？?qǐng)大家閱讀“學(xué)習(xí)材料”（學(xué)生端電腦桌面上“學(xué)習(xí)包”文件夾里的PDF文件）的第一頁(yè)，小組討論分析：除了Arduino芯片和燈，智能聲控?zé)粜枰裁磦鞲衅?？除了硬件，還有程序設(shè)計(jì)，能否用自然語(yǔ)言嘗試描述智能聲控?zé)舻墓ぷ髟恚?/p>

（學(xué)生閱讀“學(xué)習(xí)材料”，小組思考、討論。師生共同總結(jié)：如圖1所示，制作智能聲控?zé)?，除了Arduino芯片和LED燈，還需要聲音傳感器;工作原理為如果有聲音或聲音大，燈亮。）

[設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生自己閱讀傳感器說(shuō)明材料，分析項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，給學(xué)生充分的時(shí)間和學(xué)習(xí)材料，通過(guò)自主學(xué)習(xí)，明確本次項(xiàng)目要做什么。根據(jù)需求選擇合適硬件，并總結(jié)出算法，符合新課標(biāo)提倡的學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的理念。]

（三）項(xiàng)目實(shí)施

1.硬件連接。

教師出示接口說(shuō)明表（如表1所示），學(xué)生小組完成硬件實(shí)物接線，成品如圖2所示。

[設(shè)計(jì)意圖：理解接線原理，傳感器正極接主板正極，負(fù)極接主板上的GND，符合物理接線原理：傳感器需要電才能工作，因此正負(fù)極一定要接對(duì);此外，傳感器還需要傳遞聲音信號(hào)給Arduino芯片，Arduino芯片根據(jù)接收的聲音信號(hào)指示LED燈做出相應(yīng)的反應(yīng)。只有將物理接線原理理解透徹，才能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)算法。]

2.算法實(shí)現(xiàn)。

LED燈亮的條件是音量大于某個(gè)數(shù)值，那如何檢測(cè)音量？

（教師演示如圖3所示的方法。學(xué)生觀察后嘗試操作，檢測(cè)聲音音量，得到數(shù)值，填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，總結(jié)：音量越大，數(shù)值越大。）

如何實(shí)現(xiàn)程序？

（學(xué)生閱讀如表2所示的積木塊功能介紹，嘗試實(shí)現(xiàn)算法。）

[設(shè)計(jì)意圖：方案設(shè)計(jì)中，教師展示了基于真實(shí)情境的程序設(shè)計(jì)作品——智能聲控?zé)?，引?dǎo)學(xué)生針對(duì)生活中熟悉的情境展開(kāi)需求分析，總結(jié)出算法初步模型“如果音量大于某個(gè)數(shù)值，燈亮”。在此基礎(chǔ)上尋找實(shí)現(xiàn)算法的關(guān)鍵步驟：即音量如何測(cè)量、“如果”如何實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)實(shí)情境又提出改進(jìn)，即燈亮一段時(shí)間如何實(shí)現(xiàn)，最終設(shè)計(jì)出完整的算法解決方案并程序?qū)崿F(xiàn)。學(xué)生在互相合作中完成了智能聲控?zé)?.0方案，學(xué)評(píng)一致性在此過(guò)程中充分展現(xiàn)。]

（四）項(xiàng)目?jī)?yōu)化

通過(guò)同學(xué)們剛剛的操作，我們實(shí)現(xiàn)了“有聲音，燈亮一段時(shí)間”，而現(xiàn)在是白天，智能聲控?zé)粲新曇艟土?，顯然不夠節(jié)能，智能化程度不夠高。如何讓它白天不亮晚上亮？

（學(xué)生在智能聲控?zé)?.0版本基礎(chǔ)上遷移思考，嘗試自己根據(jù)傳感器說(shuō)明圖實(shí)現(xiàn)光傳感器接入，設(shè)計(jì)算法并實(shí)現(xiàn)程序。）

[設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生剛才已經(jīng)初步學(xué)會(huì)了測(cè)音量、編寫(xiě)選擇結(jié)構(gòu)程序解決，優(yōu)化方案其實(shí)是智能聲控?zé)?.0方案的舉一反三：再接一個(gè)光線傳感器，當(dāng)光傳感器檢測(cè)出是晚上，燈亮。根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化算法，體現(xiàn)了信息社會(huì)的要求。學(xué)生能夠舉一反三將光傳感器加入且設(shè)計(jì)出算法，則更是對(duì)所學(xué)知識(shí)遷移應(yīng)用的極好體現(xiàn)。]

（五）項(xiàng)目評(píng)價(jià)

課尾，首先讓學(xué)生分小組展示項(xiàng)目學(xué)習(xí)成果。然后，引導(dǎo)他們繼續(xù)討論：實(shí)際生活中，其他的聲音也可能導(dǎo)致燈亮，影響睡眠，也不節(jié)能，所以智能聲控?zé)暨€可以繼續(xù)優(yōu)化，將人體傳感器加進(jìn)來(lái)，實(shí)現(xiàn)“晚上感應(yīng)到人，燈亮”，讓燈更智能化。

然后，師生共同總結(jié)Arduino開(kāi)源硬件的工作原理：如圖4所示，根據(jù)不同的傳感器輸入不同信號(hào)（聲、光、人體等），Arduino芯片指揮不同的輸出設(shè)備（智能聲控?zé)簦╋@示相應(yīng)的信號(hào)。

小組成員互評(píng)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)完成情況，評(píng)價(jià)本次課自己的學(xué)習(xí)效果，交流反思問(wèn)題及改進(jìn)方案。

[設(shè)計(jì)意圖：由現(xiàn)象到本質(zhì)，為未來(lái)更好的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新打基礎(chǔ)。]

二、思考：基于項(xiàng)目的信息技術(shù)學(xué)習(xí)注意點(diǎn)

（一）明確每個(gè)步驟要做的事情

項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中，需求分析及方案設(shè)計(jì)非常重要，這兩步?jīng)Q定了整個(gè)項(xiàng)目的走向。本次項(xiàng)目學(xué)習(xí)的步驟及主要活動(dòng)內(nèi)容為：（1）需求分析。從實(shí)際生活中尋找需求，明確做什么。（2）項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)。明確用什么做、怎么做。需要的跨學(xué)科知識(shí)則采用STEM教育方式開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)。（3）項(xiàng)目實(shí)施。落實(shí)怎么做。針對(duì)跨學(xué)科問(wèn)題，如果個(gè)人無(wú)法解決，可尋求相關(guān)學(xué)科教師的幫助，在問(wèn)題解決過(guò)程中發(fā)展核心素養(yǎng)。（4）項(xiàng)目?jī)?yōu)化。以階段性成果促進(jìn)方案改進(jìn)，引領(lǐng)自主學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)，為創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。（5）項(xiàng)目評(píng)價(jià)。展示評(píng)價(jià)、自評(píng)、互評(píng)，檢測(cè)整體解決方案。

（二）及時(shí)分析需要跨學(xué)科解決的問(wèn)題

整個(gè)開(kāi)源硬件的課程教學(xué)都可以濃縮為理解“傳感器輸入信號(hào)—Arduino處理信號(hào)—燈、電風(fēng)扇、排水器等輸出信號(hào)”。只有透徹地理解物理接線，才能明白傳感器是如何傳輸信號(hào)給Arduino芯片以及Arduino芯片是如何通過(guò)程序指揮輸出設(shè)備的。這部分內(nèi)容，如果信息技術(shù)教師不能很好地講清楚原理，可在備課時(shí)候請(qǐng)教學(xué)校物理教師，甚至可以設(shè)計(jì)由兩科教師共同完成的項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)。這也許是未來(lái)高中教學(xué)的一個(gè)方向。

（三）注重過(guò)程中的真實(shí)性

本次課，從真實(shí)情境中引出問(wèn)題，到最終解決問(wèn)題，學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程中通過(guò)自主學(xué)習(xí)、小組交流討論、尋求教師指導(dǎo)等方式，分析需求，界定問(wèn)題，設(shè)計(jì)算法并逐步解決其中的關(guān)鍵問(wèn)題，初步編程實(shí)現(xiàn);再根據(jù)實(shí)現(xiàn)效果改進(jìn)算法;最終，根據(jù)真實(shí)世界的實(shí)際需求再優(yōu)化算法。學(xué)生的計(jì)算思維在解決問(wèn)題的過(guò)程中逐步形成，且形成過(guò)程是符合他們的思維發(fā)展水平及認(rèn)知規(guī)律。

（四）采用多元評(píng)價(jià)

時(shí)下倡導(dǎo)以評(píng)價(jià)促進(jìn)學(xué)習(xí)，本教學(xué)設(shè)計(jì)中也努力實(shí)踐多元評(píng)價(jià)：實(shí)驗(yàn)報(bào)告促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自我評(píng)價(jià)，最終的展示及討論也可以幫助學(xué)生知道自己及同學(xué)的學(xué)習(xí)情況，更在討論中發(fā)展了批判性思維，了解到項(xiàng)目在真實(shí)的生活中不同情況下不同的優(yōu)化方向，完成項(xiàng)目學(xué)習(xí)的同時(shí)培育了信息社會(huì)的責(zé)任感。

*本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題“信息學(xué)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的校本探索”（編號(hào)：Bb/2020/02/70）的階段性研究成果。

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