基于Arduino的人工智能项目式教学实践

摘要

随着《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》的颁布与实施，人工智能成为信息科技教育研究者关注的焦点。以初中信息科技课程标准为导向，依托Arduino开源硬件教学实验箱，结合利用Mind+图形化编程软件，设计了以“智能灯光点亮生活”为主题的大单元项目式学习案例，以此探讨初中阶段信息科技学科人工智能课程教学项目的开发与实践。

关键词

Arduino / 人工智能 / 大单元 / 项目式教学

2022年4月，教育部颁布了《义务教育课程标准》，其中信息科技从综合实践课程中独立出来，作为一门独立学科第一次列入了国家课程，其中，人工智能作为第四学段（7~9年级）的主要课程内容更是重中之重。教育部义务教育信息科技课程标准专家组核心成员、首都师范大学樊磊教授，将人工智能形容为一条“看得见的脊梁”，可见人工智能教育在信息科技教育中的支撑性地位，但这也是实施教学时难度最大的一部分。学生因求知欲和探索欲对人工智能会有充分的热情和期待，但如何满足学生的学习需求，如何帮助学生更系统更科学地认识人工智能，是信息科技教师的研究重点^［1］。

项目式学习先要确定项目主题和内容，学生通常以小组为单位，围绕已确定的主题进行合作探究、反复实践、表达交流、作品展示等一系列学习活动，在一定时间内解决与项目主题相互关联的问题，得出一定成果或作品^［2］。笔者所在学校引入Arduino开源硬件教学实验箱作为人工智能课程的实验器材，笔者设计了以“智能灯光点亮生活”为主题的大单元项目式学习案例，探讨人工智能课程教学项目的开发与实践。

1 学情分析

学生对现代信息技术在生活中的应用有一定了解，大多数学生都或多或少接触过相关的人工智能产品，但对于人工智能的认识比较粗浅，缺乏对人工智能技术的深度了解，没有意识到自己也可以学习和参与基础人工智能产品的设计。在基于Arduino开源硬件的人工智能基础课程中，配合简单易上手的Mind+图形化编程软件可控制配套的各种不同传感器，可培养学生的编程思维，这也是一种让学生接触、体验人工智能课程的好方式。

2 大单元项目主题

因为大部分学生是初次接触Arduino，所以我们的课程是以面向全体学生的普及性知识为基础来设计课堂教学，没有刻意追求高大上，而是选择贴近学生日常学习和生活经验的人工智能应用情境，以“智能灯光点亮生活”为项目主题，把对LED灯的各种控制方式分解在各个小项目中，让学生能够在情境体验和行动实践的过程中，感受、理解、掌握人工智能的原理、方法和技能，并在综合项目中给予学生充分的创新空间，小组成员可在交流、互动、探索、分析等过程中，提高信息技术的应用能力。

3 大单元项目目标

以问题为导向，让学生能够在模拟环境中体验真实的学习过程，在项目式学习过程中，逐步掌握Arduino主控板和相关传感器的配合使用，能够通过自然语言描述解决项目内容的方法和流程，通过自主探究和小组合作的学习方式搭建项目作品，完成项目实验内容。在实践过程中培养学生的创新意识，通过思考进行作品设计，锻炼计算思维，提高信息意识，认识到科技创造的价值，激发学生学习动力。

4 大单元项目内容及教学实施

4.1 前置课程：了解Arduino开源硬件和Mind+图形化编程软件

在小学期间，大部分学生已经接触过图形化编程软件，对Mind+的接受度比较高，但基本上都是初次接触Arduino开源硬件，所以项目前置内容主要是让学生大体了解Arduino的发展历程，认识Arduino主控板。

教师引导学生观察LED模块每组引脚下方的标识，3根引脚分别对应GND、VCC、S，其中GND为接地（可看作负极），VCC为电压（可看作正极），S为信号。首先让学生自己尝试将LED模块的正负极引脚分别接到GND和VCC上，形成闭合回路，实现点亮LED模块的第一种方法。接着，教师提问LED灯能够亮起的原理，简单引入电压和电流的基本概念，然后引导学生将LED模块正极引脚连接到S信号引脚上，在Mind+软件中对S信号引脚进行编程，将其设置为高电平，使LED模块两个引脚间产生电压，形成电流，实现点亮LED模块的第二种方法。

4.2 项目一：信号灯

这节课主要是让学生能够掌握让灯光闪烁的方法。学生通过回顾上节课所学内容，进行知识迁移，很容易就可以得出熄灭LED灯的方法，并且一致认为：要想让一盏灯闪烁起来的方法就是将LED灯在亮和灭这两种状态中不停地循环切换即可，教师没有直接给出答案，而是让学生按照自己的想法动手实验。经过动手实践，学生发现LED模块的状态与预想的并不一样，灯光呈现出弱光状态。

教师让学生考虑程序运行速度的因素，同时抛出引导问题：程序运行速度快到我们肉眼无法分辨，想象一下，生活中有的灯闪烁得很快，有的灯闪烁得很慢，为什么呢？学生很快想到是两种状态的持续时间不同导致的结果，可以利用Mind+中的“等待”模块来控制两种状态的切换时间，最终得出一盏能够看到闪烁的灯光。

在此基础上，加入另外两种颜色的LED灯光模块，模拟出我们在马路上看到的普通信号灯和带有提醒作用的信号灯。在展示环节，学生描述让灯光闪烁起来的流程，清晰地了解到编程中的顺序结构和循环结构。

最后，教师由交通信号灯引申拓展，通过播放智能交通视频，让学生了解大数据物联网在交通领域的应用，组织小组成员之间进行讨论，畅想未来的智能交通。

4.2 项目二：按钮小台灯

本节课的小项目是让学生制作出一盏能用按钮控制灯光开关的小台灯，学生在上节课的基础上，了解到按钮模块的工作原理，即如果按钮模块被按下时，呈现高电平，如果松开按钮则呈现低电平。在Mind+软件中找到“如果……”图形，通过检测按钮模块的高低电平信号来确定按钮是被按下还是松开，从而切换LED灯点亮和熄灭的状态，可是编写程序后的检测结果，发现时而有效时而不听指挥，效果随机，不稳定。

其实这是因为忽略了程序运行速度对触发按钮持续时间的影响，这时教师提出建议，可更换循环条件模块“重复执行直到……”只有通过高速循环测试按钮的高低电平状态，才能准确找到按钮模块的高低电平转换状态，从而正确触发开关，保证按钮控制灯光的功能实现。

学生感慨：普通的小台灯每家每户都有，看起来功能简单，但是要想在Arduino主控板上亲手实现这个功能，似乎也不是那么容易，不过功夫不负有心人，经过大家不断地试错纠错，最终完成了这个小项目。

4.3 项目三：声控小夜灯

在完成项目二用按钮控制台灯的时候，就有学生提出想要更“偷懒”一点，不需要走到开关旁边用手触动，只需要发出一定的声音，就能开灯或者关灯。对于这个“懒”学生，笔者给予了大大的表扬，因为“懒惰”是人类进步的原动力，想“懒得动手”，就得“勤于动脑”。想要实现这个功能，必定与声音检测有关系。学生从实验箱里找到了声音传感器，教师给大家演示如何在Mind+中查看串口数据，不同的数据代表了声音的大小。为了找到合适的声控音量，小组成员经过几轮不同音量的测试，根据声音传感器对于音量大小的敏感度设置了较为合适的数值范围，保证在进行声控的时候能够检测到命令，又不会被别的噪声影响。

吸取了前几个微项目的经验教训，基于对按钮模块工作原理的掌握，很多学生都非常周密地考虑到了时间模块对于整个运行程序的影响，通过组内合作，完成用声音来控制LED灯开关的功能。

4.4 项目四：光控小夜灯

这节课一开始，教师再次让小组展示上一节课大家完成的声控LED灯，并让大家仔细观察和思考，声控灯有什么不足之处。

细心的同学发现，在白天光线充足的时候，往往人多嘈杂，音量较大导致产生声控开灯的效果持续，对电力资源造成浪费。因此大家提出应该考虑到环保节能因素：即在光线十分充足的情况下，即使发出足够大的音量，也不应该亮灯，只有光线暗淡、又有足量声音发出时才能亮灯，两个条件缺一不可。于是，学生在上一个微项目的成品上又添加了光敏传感器。有了声控项目对声音传感器的探索了解，光敏传感器的使用也更加得心应手。很快，学生就完善了声光两控的功能，同时也对环保节能有了更深刻的认识和感受。

4.5 项目五：综合应用

综合项目是整个项目式学习最为关键的一步，因为它最能体现整个项目式过程的学习经历、学生对整个项目涉及的知识掌握程度，但同时也不应被固定的知识点所束缚。教师应给予学生充分的创作空间，让学生发挥自己的想象，大胆构想自己心目中的灯光主题作品。

学生以小组交流合作的方式，将前几个项目的学习实践内容融会贯通，进行整合创作，并尝试利用LED灯配合之前没有使用过的其他传感器完成对整体作品的构思、设计、编程，并不断优化，将生活中的灯光延伸至各个应用领域。在最终的学生作品中，有配合蜂鸣器的警示灯、有配合雨滴传感器的植物光照灯、有配合触摸传感器的氛围灯，还有结合手工纸雕作品的装饰流水灯等，每个小组将自己的作品在班里进行展示，向大家描述本组的设计思路、作品功能和实现方法，其他小组给予评价和建议，所有学生都受益匪浅。

从功能畅想到产品设计，从编程设置到功能实现，学生在学习过程中发现问题，在问题解决中寻找实现方法，融合各个微项目中使用过的各种不同传感器，又创新性地加入其他模块进行综合运行，在这个过程中大大提升了自身的创新思维和逻辑思维能力。

5 课堂评价

在整个项目式学习过程中，学生处于学习主体的地位，教师在每个分解小项目的课堂上，对于学生出现的问题不会马上给出答案，而是鼓励学生仔细观察，大胆尝试，互相交流，合作学习，通过及时引导和适时指点的方式让他们不断试错纠错，自己找到解决问题的办法，而在学生探索的过程中，对学生的学习态度、知识掌握程度、合作学习参与程度以及思维的发展程度，及时给予反馈，通过正向的过程性评价和对作品的综合性评价鼓励学生，以评促教，以评促学，学生体验到了自身的成就感和价值感，学习动力十足，充分体现了“教—学—评”的一致性，具体评价内容如表1所示。

6 教学总结与反思

对于项目式教学，教师设计的项目主题是关键，教师应选取符合学科逻辑且发生在学生身边的具有可行性和实践性的情境案例。本课程案例的项目式教学，基于Arduino开源硬件实验箱，融合相关学科知识，以贴近学生日常生活的内容为项目主题，设计引导性的问题，层层递进，激发学生的学习兴趣，让学生以小组的形式进行讨论和探索，自觉投入项目活动中，去探究并解决问题，在不断探索实践中建构知识，渗透对学生信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任的培养，为学校人工智能课程的设计与开展开创了一个良好的开端，我们将继续深入研究，带领学生从更多维度来学习和体验人工智能的用途。

参考文献

[1] 张建彬.人工智能教学之体验平台的使用［J］.中小学信息技术教育，2022（C1）：97-101.

[2] 邬家晨.基于项目式学习的初中人工智能课程设计与实施［D］.银川：宁夏大学，2023. （上接第131页）

[3] 关键，学校可通过专业培训帮助教师掌握工具的逻辑与教学设计策略，避免技术应用的表面化［4］。唯有以教学目标为导向，在虚拟与现实、技术与人文之间构建动态平衡，方能实现数字技术“赋能而非炫技”的教育价值。

基金资助

南京市教育科学“十四五”规划课题“智能体赋能小学科学个性化实验教学的实践研究”(AIZX/2025/013)