本文被刊登于《E教中國》第5900期B6版
設計依據(jù)
人工智能AI(Artificial Intelligence)，它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學。2017國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出了“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，支持開展人工智能競賽，鼓勵進行形式多樣的人工智能科普創(chuàng)作”。STEM教育強調(diào)各學科的整合效能，目的是提升學生的綜合素養(yǎng)，鼓勵學生積極地進行個性化、跨學科融合創(chuàng)作，本課利用中望公司最新研發(fā)的3D AI軟件設計語音控制廢棄口罩專用箱，體現(xiàn)信息技術(shù)課程結(jié)合AI在STEM素養(yǎng)的指引下，更具開放性，綜合性和獨創(chuàng)性。
課例特色
特色1.基于問題的情境，啟發(fā)學生的探究學習
基于PBL模式學習的過程流程：“提出問題→啟智引導、發(fā)散思維→小組討論→分析可行性→實體建模→編程調(diào)試運行→反復實踐→完善項目”。學生在參與實踐過程中，體驗參與的快樂，獲得解決問題的成就感。
問題1：當防疫成為一種常態(tài)時，身邊的這個廢棄口罩專用箱合理嗎？
問題2：不合理體現(xiàn)在哪？（預埋PBL中的項目需求問題）
問題3：該如何改進？（啟智引導：作用？功能？）
問題4：模型該如何設計？（工程設計、融合多學科）
問題3：用什么技術(shù)實現(xiàn)你的目標？（3D one &3D AI多種技術(shù)融合）
特色2.基于項目的開發(fā)，拓展學生的創(chuàng)新思維
通過項目的分析、建模、AI設計到實現(xiàn)“美觀實用、智能防疫”的項目目標，期間經(jīng)歷了“小組合作、任務驅(qū)動、自主探究”一系列探究學習以及解決問題的過程。在整個STEM學習環(huán)節(jié)整合了數(shù)學（規(guī)劃尺寸）與美術(shù)、藝術(shù)（畫草圖）、工程學科、信息技術(shù)（三維模型設計），編程（3D AI），通過一系統(tǒng)的探究活動，拓展了學生的創(chuàng)新思維。
特色3.基于AI+STEM融合,提升學生的綜合素養(yǎng)
實踐過程中學生從不同層面、不同角度分析問題，自主探究解決問題的策略，提高了團隊協(xié)作能力，提高了問題解決能力和實踐能力，提高了創(chuàng)新思維能力，提升了綜合素養(yǎng)。
教學目標：
1. 核心素養(yǎng)目標：《小學信息技術(shù)課標》要求信息技術(shù)課程以信息素養(yǎng)的培養(yǎng)為核心，為學生適應信息化生活、走向?qū)W習化和學生的終身發(fā)展奠定堅實基礎,注重學生信息知識與能力的主動建構(gòu)，將信息有效內(nèi)化，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與實踐能力，體現(xiàn)“以學生發(fā)展為本”的素質(zhì)教育理念。
2. 本課PBL目標：當防疫變?yōu)橐环N常態(tài)時，我們?nèi)呷刂聘鞣N傳染源，隔離病毒。目前生活中的專用箱存在防疫弊端，我們來設計一款改進型用語音控制的廢棄口罩的專用箱，不用手接觸，直接語音控制“開門”和“關門”，避免雙手直接觸碰感染，有效隔離病毒傳染。
教學過程：
一.PBL項目導入，明確學習目標
當防疫成為一種常態(tài)時，我們身邊的這些廢棄口罩專用箱合理嗎？防控防疫，人人有責，比一比，賽一賽，爭當抗疫小能手！
問題1.不合理在哪里？（觀察--思考--交流）
問題2：該如何改進使它成為合理？（啟智--發(fā)散思維）
引導：該項目的作用是什么？如何能做到不用手觸碰箱體？為什么要設計成箱體？（明智-可見思維：內(nèi)部必須是空的才能放置物體，箱體還可以防止散發(fā)污染氣體）
問題3：模型該如何設計？
（發(fā)散思維&過程思維：畫草圖--定尺寸--建模設計可行性分析--定材質(zhì)）
問題4：用什么技術(shù)實現(xiàn)你的實體建模？（明智-多維思維）
發(fā)現(xiàn)問題--小組討論--任務驅(qū)動--尋找解決方案--解決問題--達成目標）
二、3D One AI建模設計箱體
通過整體規(guī)劃設計，定制實體尺寸，用3D One AI軟件建模設計專用箱實體。箱體包括：能開關閉合的門，能盛放廢棄物的空間，有預留清理工作的頂蓋。模型如圖：
三、用3D One AI 編程實現(xiàn)人工智能語音控制
中望公司2020年5月最新研發(fā)了3D One AI，是在原有的3D One軟件基礎上整合了AI部分，加入了三維創(chuàng)新設計、人工智能、開源硬件、編程于一體的多技術(shù)融合，適合于STEM教育，輔助學校開展人工智能教育。
專用箱體建模完畢后，進入3D AI進行全局屬性、物理屬性、關節(jié)的設置，接著進入AI程序設計編程環(huán)節(jié)。
1、程序設計之--模塊選擇
程序設計第一步是模塊的選擇，比如：如果“語音識別結(jié)果”為“開門”，那么程序執(zhí)行，①確定“門”的角速度方向，②設置門的旋轉(zhuǎn)速度。
問：開門的方向錯了，怎么辦？
答：調(diào)整角速度參數(shù)值。
問：門旋轉(zhuǎn)的速度不理想，怎么辦？
答：修改旋轉(zhuǎn)速度的參數(shù)值。
2、程序設計之--控制器編程
選擇模塊的同時進行控制器模塊編程設計。例如：如果“語音識別結(jié)果”為“開門”，那么程序執(zhí)行自動開門的語句。利用循環(huán)語句執(zhí)行門在語音提示發(fā)出后實現(xiàn)自動打開的動作。設置適當?shù)牡却龝r間，讓開門的動作實現(xiàn)視覺上的停留。
同理，如果“語音識別結(jié)果”為“關門”，那么程序執(zhí)行自動關門的語句。
2、程序設計之--觸發(fā)機制
思考：麥克風和話筒一直啟動等待運行中，浪費電同時也損耗設備，怎么辦？
為了減少電耗與材耗，我們也可以在程序中加入觸發(fā)控制模塊，比如：“當按下鍵盤a”開始執(zhí)行起動所有的程序。
4、啟動仿真：編程完畢，進入仿真循環(huán)環(huán)境進行調(diào)試運行，啟動“電腦麥克風”和“語音識別”程序，單擊“啟動仿真”，程序開始運行。經(jīng)過修改參數(shù)優(yōu)化程序調(diào)試運行，直到實現(xiàn)語音控制開與關的功能趨于理想狀態(tài)。3D AI程序進入仿真循環(huán)界面實現(xiàn)智能“開門”或“關門”。效果如圖：
實踐反思：
STEM教學《語音控制廢棄口罩專用箱的設計》從生活實際出發(fā)，“以人為本”立德樹人，結(jié)合STEM教學理念，結(jié)構(gòu)分析、建模設計、編程調(diào)試、AI智能仿真等一系列探究實踐活動，形成了學生循序漸進的知識主動建構(gòu)，從項目的需求分析，引導學生進行深層次思考，整合科學、數(shù)學、美術(shù)、藝術(shù)、工程、信息等相關課程，利用多學科融合、多技術(shù)結(jié)合共同解決生活中的情境問題。用3D One AI進行三維建模，用3D One AI進行語音智能控制廢棄口罩專用箱的開關過程。學生自主探究，任務驅(qū)動、小組合作，解決問題達成項目目標，實現(xiàn)創(chuàng)造性學習。STEM教學極大地調(diào)動了學生對信息技術(shù)課程的學習興趣，提高了探究學習的主動性，提高了分析問題、解決問題的能力，拓展了計算思維，提高了信息技術(shù)綜合應用能力，提高了學生的核心素養(yǎng)，提高了學生的道德情操。
總之，融合人工智能的STEM教育的最大特征是“創(chuàng)新”，創(chuàng)新是人的實踐行為，是用現(xiàn)有的知識和物質(zhì)，在特定的環(huán)境中改進或創(chuàng)造新的事物。在創(chuàng)意智造的過程中，我們要不斷地改變觀念，不斷地學習與反思，不斷地實踐與創(chuàng)新，遵守客觀規(guī)律和倫理道德，“以人為本”“以德為先”，創(chuàng)造發(fā)明對社會有用的產(chǎn)品，構(gòu)建“立德樹人”的創(chuàng)新教育理念，培養(yǎng)對國家有用的復合型創(chuàng)新人才。
本文內(nèi)容僅代表作者本人觀點，與i3DOne社區(qū)無關。
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更新時間：2020-07-20
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