邱莉

【摘 要】國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能課程。人工智能屬于交叉學(xué)科，具有明顯的技術(shù)特征，專業(yè)知識較難，基礎(chǔ)教育階段開設(shè)人工智能教育難度較大，教學(xué)案例較少，如何讓人工智能教育在學(xué)校真正落地實施是亟需解決的問題。本文立足區(qū)域人工智能教育現(xiàn)狀，將人工智能技術(shù)以水下機器人為載體呈現(xiàn)，依托區(qū)域環(huán)境，立足社會現(xiàn)實問題，對利用水下機器人促進小學(xué)人工智能教育的必要性、意義價值和策略進行重點闡述，以期對中小學(xué)人工智能教育提供一個切實可行的教學(xué)范例。

【關(guān)鍵詞】水下機器人;人工智能教育;區(qū)域水環(huán)境;水文化

【中圖分類號】G434? 【文獻標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）012-062-04

機器人作為承載、運用、體現(xiàn)人工智能技術(shù)的有效媒介，能夠幫助學(xué)生認識理解人工智能知識。但機器人教育不等于人工智能教育，兩者屬于不同的技術(shù)領(lǐng)域。簡單來說，機器人是一種能夠半自主或者全自主工作的仿人機械裝置，人工智能是一種研究和開發(fā)用于模擬、延伸與擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)科學(xué)。我們可以把機器人作為人工智能的載體，而人工智能是機器人的“大腦”和“血液”，能夠幫助機器人像人一樣思考和運動。

當(dāng)前，部分學(xué)校錯誤地將機器人教學(xué)與人工智能教育混為一談。在課堂中，沿襲傳統(tǒng)的講練結(jié)合或封閉式任務(wù)教學(xué)法，以簡單搭建組裝為教學(xué)任務(wù)，學(xué)生按照設(shè)定步驟完成機器人制作即可，連編程教學(xué)都弱化，僅讓學(xué)生按照書本或教師板書體驗完成。還有些學(xué)校的機器人教學(xué)單純與競賽掛鉤，專門聘請校外培訓(xùn)機構(gòu)人員對學(xué)生進行賽事輔導(dǎo)，部分校外培訓(xùn)機構(gòu)的機器人產(chǎn)品、課程缺乏科學(xué)規(guī)范，直接導(dǎo)致了機器人教育過于功利化，機器人競賽不公平、不公正。

本研究立足上述問題，嘗試以水下機器人作為推進區(qū)域小學(xué)人工智能教育的手段，結(jié)合區(qū)域環(huán)境特色，以解決社會現(xiàn)實問題為目標(biāo)，制定融合人工智能技術(shù)的水下機器人教學(xué)內(nèi)容，形成人工智能教育與教學(xué)融合方案，提升學(xué)生人工智能素養(yǎng)——人工智能鑒賞能力、理解能力和運用能力。

實施小學(xué)人工智能教育的必要性

從水環(huán)境中探尋“水文化”，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)校地共育模式。中華民族緣水而生，依水而存，因水而興。距今3600年前的甲骨文中就有“水文”兩字，足見水文化是中華文化和中華民族精神的重要組成部分。蓮石湖是永定河城市段最大的湖，是石景山區(qū)重要的利民工程。前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，石景山區(qū)水務(wù)管理部門對蓮石湖有較大的水資源勘測需求和水文化——“河長制”教育宣傳任務(wù)。筆者受托以上部門，以解決上述需求為目標(biāo)，構(gòu)建水下機器人特色實踐課程。我們組織學(xué)生利用水下機器人開展水體勘測，號召學(xué)生學(xué)習(xí)認識蓮石湖地理生態(tài)、文史哲、“河長制”等知識，形成學(xué)生參與社會生產(chǎn)、承擔(dān)社會責(zé)任、提升自我價值的有效途徑。

從“海洋強國”夢中汲取教育的力量，厚植愛國主義情懷。目前，海洋科技創(chuàng)新能力缺乏仍然是制約我國海洋強國戰(zhàn)略的關(guān)鍵因素。水下機器人作為探索、利用海洋的重要手段，在海洋資源探測、利用乃至未來高科技海洋戰(zhàn)場中都具有不可替代的作用?，F(xiàn)階段，我國基礎(chǔ)教育階段水下機器人教育還未開展，還沒有形成課程。筆者認為，應(yīng)該積極利用環(huán)境資源構(gòu)建水下機器人創(chuàng)新實踐活動，引導(dǎo)孩子認識水下科技，全力培養(yǎng)未來海洋科技人才;在活動中號召學(xué)生認識區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃，理解國家戰(zhàn)略利益，正確認識個人與國家利益的關(guān)系，以強國之志鼓舞學(xué)生，以愛國之心感染學(xué)生，幫助學(xué)生從小樹立用科技報答家鄉(xiāng)、報效祖國的意識，厚植愛國主義情懷。

緊追人工智能發(fā)展趨勢，打造水下科技教育特色。在過去70多年，水下機器人與人工智能共同走過了曲折漫長的發(fā)展歷程。目前，我國尚未出臺中小學(xué)人工智能課程國家標(biāo)準(zhǔn)，中小學(xué)人工智能課程體系不完善，急需可落地實施的課程方案。21世紀(jì)是信息社會，又是海洋時代，人工智能推動著水下機器人不斷向前發(fā)展。故筆者認為，水下機器人可以作為體現(xiàn)人工智能技術(shù)，實施人工智能教育教學(xué)的有效手段，幫助學(xué)生正確認識人工智能，提高人工智能素養(yǎng)，打造區(qū)域水下科技教育特色。

實施小學(xué)人工智能教育的意義和價值

本研究依托區(qū)域地理環(huán)境，結(jié)合相關(guān)職能部門需求，以水下機器人作為承載、運用、體現(xiàn)人工智能技術(shù)的有效媒介，探索人工智能與中小學(xué)教育教學(xué)的融合方式，形成科學(xué)、規(guī)范、實踐性強的本土化人工智能特色課程。

（1）學(xué)術(shù)價值。彌補了中小學(xué)水下機器人課程開發(fā)相關(guān)研究的不足，補充和豐富了中小學(xué)人工智能課程體系研究，為后續(xù)人工智能課程開發(fā)、教學(xué)方法改進、實施途徑拓展提供一定理論基礎(chǔ)和研究借鑒。

（2）應(yīng)用價值。為中小學(xué)開展水下機器人教育、人工智能教育提供課程方案;依托區(qū)域環(huán)境特色，從實際問題出發(fā)，建立本土化的人工智能課程，創(chuàng)新本土化校地共育模式，形成學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決現(xiàn)實問題、參與社會生產(chǎn)、承擔(dān)社會責(zé)任、提升自我價值的有效途徑。以“水載科技”“科技助水”的教育理念激發(fā)學(xué)生人工智能學(xué)習(xí)興趣，為培養(yǎng)具有中國傳統(tǒng)水文化底蘊，扎實的人工智能知識基礎(chǔ)，具備發(fā)展?jié)摿?，富有?chuàng)新意識和立志于科學(xué)報國的預(yù)備性人才提供策略和模式。為北京母親河——永定河水文化教育提供課程方案，實現(xiàn)永定河育人價值;響應(yīng)海洋科技強國戰(zhàn)略號召，促進海洋科技啟蒙，提高水下科技在中小學(xué)教育中的地位，增強中小學(xué)海洋強國意識，形成培養(yǎng)海洋科技人才的有效途徑。

實施小學(xué)人工智能教育的策略

本研究以現(xiàn)代教育技術(shù)理論為指導(dǎo)，運用系統(tǒng)論和建構(gòu)主義理論來構(gòu)建促進小學(xué)人工智能教育的水下機器人綜合實踐課程。小學(xué)新課改的理念以及核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于研究過程當(dāng)中，路線實施研究力求兼具校內(nèi)教學(xué)和校外實踐，構(gòu)建全過程全方位的綜合實踐教學(xué)方案（圖1）。

1.課程開發(fā)實施策略

課程開發(fā)從水務(wù)水資源勘測需求出發(fā)，結(jié)合技術(shù)調(diào)查，設(shè)計開發(fā)利用水下機器人開展蓮石湖水體總量測量活動方案;請科研部門水下技術(shù)專家論證水下機器人測量水體總量方案的科學(xué)性、可行性;制定、講授有關(guān)測量活動的教學(xué)內(nèi)容;實地開展利用水下機器人測量蓮石湖水體總量實踐活動;測量蓮石湖水體輪廓、深度、高度，完成數(shù)字建模及水體總量計算;將蓮石湖水體勘測數(shù)據(jù)結(jié)果反饋至區(qū)水務(wù)管理部門評價;學(xué)生形成活動報告、蓮石湖水文化作品創(chuàng)作;學(xué)生完成學(xué)習(xí)項目報告。具體流程如圖2所示。

2.課程內(nèi)容策略

模塊一：此模塊以水下機器人制作的知識技能學(xué)習(xí)為主，形式以校內(nèi)課堂教授為主，教學(xué)內(nèi)容包含水下機器人知識技能學(xué)習(xí)、人工智能知識技能學(xué)習(xí)等。教學(xué)過程融合了勞技、物理、數(shù)學(xué)、工程、美術(shù)等多學(xué)科知識，一方面提升學(xué)生人工智能的鑒賞、理解能力，另一方面提升學(xué)生綜合應(yīng)用多學(xué)科知識解決現(xiàn)實問題的能力，全面提升核心素養(yǎng)。

模塊二：此模塊課程內(nèi)容以水下機器人、人工智能技術(shù)應(yīng)用與實踐為主，形式以校外綜合實踐為主——利用水下機器人開展水體總量勘測活動。學(xué)生完成模塊一的學(xué)習(xí)，走出課堂，學(xué)習(xí)運用人工智能技術(shù)解決現(xiàn)實生活問題。學(xué)生在真實環(huán)境中成長、鍛煉，將書本知識運用到社會實踐之中，提升綜合運用各學(xué)科知識認識、分析和解決現(xiàn)實問題的能力，從而全面促進核心素養(yǎng)的提升。

模塊三：此模塊為課程延伸內(nèi)容——水文化探尋與思想政治教育。本研究的水文化是指區(qū)內(nèi)湖泊水體承載的文化形態(tài)。其主要包括三種：物質(zhì)形態(tài)，即水環(huán)境、水工程、水工具等;精神形態(tài)，即水承載的文史哲精神;制度形態(tài)，如“河長制”等。本模塊圍繞水文化的三種形式展開，引導(dǎo)學(xué)生在水文化探尋的過程中尋根覓源，增強文化自信，從小樹立保護水源、回饋家鄉(xiāng)的意識;從水的制度文化中了解國家有關(guān)水資源保護的規(guī)劃、法規(guī)、基本國策等，形成關(guān)心國家政策、服從國家利益、服務(wù)國家發(fā)展的大局觀，厚植愛國主義情懷。

3.課程實施過程中遇到的問題

本課程內(nèi)容從構(gòu)建到實施歷時三個學(xué)期，最終完成蓮石湖水域主庫區(qū)水體總量測量。整個過程遇到的問題與困難較多。

前期水下機器人搭建學(xué)習(xí)中遇到很多問題，如機器人結(jié)構(gòu)缺乏科學(xué)性，浮力配重不科學(xué);學(xué)生第一次設(shè)計制作用于水下測量作業(yè)的機器人，主體框架PCV管防水密封處理不到位，導(dǎo)致機器人需要定時上岸控水。后期校外實際測量實踐中，機器人在真實水環(huán)境下作業(yè)時同樣遇到很多問題。如在游泳池的靜態(tài)水中調(diào)試過的水下機器人進入實際湖水后，面對水流風(fēng)速、水藻植被、垃圾障礙等干擾因素，需要諸多改進;由于人力物力有限，我們在測量點選取上采用間隔30米的選點方式規(guī)劃了377個點位，無法覆蓋整個湖域所有細小點面，對測量結(jié)果造成一定誤差;由于經(jīng)費受限，無法購買使用精準(zhǔn)度更高的測量設(shè)備，一定程度上影響了測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性等。

為方便實施，本次課程最終選定區(qū)域內(nèi)緊鄰蓮石湖水域的某小學(xué)開展，小學(xué)生由于知識儲備有限，在設(shè)計制作水下機器人的時候難度較大，未來計劃在現(xiàn)有的課程基礎(chǔ)上，向區(qū)域內(nèi)的中學(xué)推進，期望取得更好的教學(xué)實踐成果。此外，課程將制定更加具有科學(xué)性的實踐方案，多次分季節(jié)、分水位測量環(huán)石景山水域水體總量，形成不同時期、不同水位的有效數(shù)據(jù)對比，提供更精確的測量結(jié)果，幫助水務(wù)管理部門最終在蓮石湖湖心設(shè)立水位標(biāo)桿，明確標(biāo)注水位。未來計劃在本區(qū)域其他水域開展相同的水資源勘測活動，并加入更多有意義的實踐活動，如打撈湖里垃圾、測量水體水質(zhì)、檢測湖內(nèi)物種多樣性等活動，讓學(xué)生有更多學(xué)習(xí)實踐成長的機會。

本次課程成果受到了區(qū)水務(wù)管理部門、科研部門、教育職能部門的認可。未來我們將繼續(xù)依托區(qū)域環(huán)境，利用水下機器人構(gòu)建人工智能特色課程，提升本區(qū)域?qū)W生的人工智能素養(yǎng)。在培訓(xùn)中不斷地實踐、研討、修改、完善，形成完整的課程體系，為人工智能教育在小學(xué)落地實施提供可參考的教學(xué)案例和創(chuàng)新實踐課程，期望為中小學(xué)人工智能教育略盡微薄之力。

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