田迎春 邸亮

教学背景

如何在基础教育领域开展人工智能课程？首先要明确中小学开展人工智能教育的课程定位。对小学生而言，他们正生活在一个身边处处有人工智能的新时代，他们能够熟练应用基于人工智能技术开发的产品，体会到人工智能的发展和普及正在慢慢改变他们的生活方式。他们对此充满好奇，迫切需要在课堂上和教师一起解开人工智能的秘密，但他们本身年龄小，知识基础薄弱，因此小学人工智能课程应该重在让学生感悟人工智能对生活和学习的影响，体验生活中的人工智能，让学生直观地了解人工智能的特点，激发探究的热情和积极性。

本项目是借助特定的软件让学生参与机器学习的过程，利用深度学习的结果进行创意物化，在实施过程中可以分为以下几个阶段：了解知识阶段、资料收集阶段、模型训练阶段、创意物化阶段。

教学目标

知识与技能 学生认识人工智能和机器学习的概念，了解深度学习的基本工作过程。

过程与方法 通过制作猜拳机器人的过程，让学生掌握树莓派、Arduino的基本用法和基本功能的编程实现。

情感态度与价值观 学生通过感受人工智能为生活带来的便捷，培养对创新的热情。

教学重点与难点

教学重点 学生了解机器学习的基本过程并学会搭建神经网络。

教学难点 学生能利用机器学习结果进行创意物化。

教学准备

PPT课件、IAI软件、树莓派、转接板（含Arduino）、杜邦线、舵机、摄像头、USB to TTL工具、纸盒、彩笔、剪刀等。

教学过程

一、观看视频，提出问题

师：这个视频中是一款叫Ankeny的猜拳机器人（如图1），它只有3根像人类一样的手指，唯一会做的事情就是猜拳，伸出3根手指的时候就是布，2根手指就是剪刀，手指弯曲就是石头。令人不可思议的是，它在和人类的比赛中从未失手。

师：为什么没有输过呢？因为机器能够识别人类的手势并做出判断。怎么去识别？这就需要机器自主进行深度学习。今天就请同学们采集一些数据，让机器进行学习。

二、建立模型，体验深度学习

师：首先，我们要训练一个能够识别石头、剪刀、布手势的数据模型。说到训练数据模型，就必须提到一个十分重要的角色——卷积神经网络，它是深度学习的代表算法之一，被大量应用于计算机视觉、自然语言处理等领域。训练数据模型另一个不可或缺的元素就是数据，所以我们需要拍一些石头（如图2）、布（如图3）、剪刀（如图4）等手势不同角度的图像数据。

学生对所拍摄的照片进行人工分类，分别保存在相应文件夹中（scissors、rock、paper、others）。

完成数据准备之后，开始搭建神经网络和训练数据模型。教师简要介绍人工智能软件IAI，然后下发学习材料（操作文档和操作视频）。学生根据教师下发的学习材料自主学习，分成小组，合作搭建神经网络和训练模型。

教师巡视指导，在机器进行学习的过程中，指导学生绘制猜拳机器人的工作流程图。

机器学习完毕后，教师引导学生通过软件自带的测试环境进行测试。学生测试提出质疑：有时机器识别的准确率不高。

教师引导学生对比前期数据数量和后期模型训练结果准确率，让学生充分了解大数据的概念，并认识到前期采集数据量越多，后期模拟训练准确率越高。

三、创意物化，设计猜拳机器人

1.分享流程图绘制成果

师：刚才机器进行深度学习时，同学们绘制了猜拳机器人的工作流程，下面请一位同学来展示一下。

师生共同分析，完成猜拳机器人工作流程图的设计，如图5。

2.编写Python程序

学生将机器学习的成果拷贝到树莓派中（教师给出路径），Python程序也由教师给出（如图6）。

3.编写米思齐程序

师：通过对猜拳机器人工作流程的分析，我们知道树莓派和Arduino之间是通过串口传递信息的，故Arduino的程序设计只需根据不同的字符串控制舵机转动不同的角度。

学生小组合作完成Arduino的编程，如图7。

学生测试，查找问题。教师巡视，汇总问题，集中解决。

4.設计外壳模型

学生小组合作，为自己的作品设计外壳。

四、作品展示，拓展延伸

学生作品展示，师生回顾本课所学内容。教师拓展学生的思路，总结日常生活中还有哪些地方可以用到图像识别。学生发散思维，进行更多创意设计。

教学反思

该课程项目运用STEM理念让学生体验“创意物化”的过程，了解人工智能中深度学习原理。学生由此设计了一些较为实用的产品，如利用IAI软件对生活中的水果和蔬菜进行数据采集，并训练设计了智能识别电子秤，用于替代超市售货员做单一重复的工作（如图8）。

人工智能课的实验教学方式，将智能技术中复杂的原理和概念，用学生能够接受并愿意参与的实验活动表现出来。亲身体验和交互活动会使学生产生更多的兴趣，促进学生更深层次的思考，这样的方式更能激发学生的学习兴趣和探究欲望，注重学生创造力、想象力和系统思维能力等的培养。

田迎春 中国人民大学附属中学实验小学信息技术学科一级教师。喜欢创客，曾指导学生参加全国中小学生创造大赛获一等奖，其作品智能语音电梯现已申请专利。

邸亮 icenter智能机器人团队成员，北清英华（北京）科技发展有限公司负责人。有多年中小学创客教育经验，是中小学人工智能教育的践行者，曾参与北京多所中小学人工智能课程的设计与实施，对中小学人工智能教育有独到的见解。