人工智能綜合實踐活動設計研究

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摘要：2017年，國務院《新一代人工智能發展規劃的通知》提出要在中小學階段設置人工智能相關課程，推廣編程教育。人工智能屬于交叉學科，具有明顯的技術特征，專業知識較難，基礎教育階段開設人工智能教育難度較大，教學案例較少。如何讓人工智能教育在學校真正落地實施是現在亟須解決的問題。筆者依托區域地理環境，將人工智能技術以水下機器人為載體呈現，以完成石景山區域蓮石湖水文勘測，解決社會現實需求為目標，形成真實有價值的人工智能綜合實踐活動，引導學生在探究式學習過程中認識、理解、運用人工智能技術，提升人工智能素養。在綜合實踐活動中建立學習與生活的有機聯系，自主學習、實踐、反思。全面提升綜合素質，特別是社會責任感、創新精神和實踐能力。

關鍵詞：水文勘測、人工智能、水下機器人、綜合實踐活動

一、我國中小學人工智能教育政策及現狀

2017年7月，國務院出臺《新一代人工智能發展規劃》明確提出實施全民智能教育項目，在中小學階段開展人工智能教育，設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。人工智能教育是將人工智能技術知識通過教授、體驗、應用等手段，讓學習者掌握基本的人工智能知識，具備初步的人工智能能力。目前，我國中小學人工智能國家課程標準還未頒布，缺少國家課程，如何在中小學開展人工智能教育仍處探索階段。2016年起，我國教育部門陸續中小學人工智能教育教學指導文件。如中小學各級信息技術課程標準（2016版）對人工智能安排了小學“算法與程序設計入門以及機器人入門”；初中：“算法與程序設計以及機器人設計與制作”內容。2017年《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》為人工智能的探究式教學提供了主題推薦：3-6年級的“趣味編程入門”,7-9年級的“走進程序世界”及“開源機器人初體驗”等。2019年《北京促進人工智能與教育融合發展行動計劃》，明確推動人工智能納入中小學綜合社會實踐活動和開放性科學實踐活動，以機器人教學為主的人工智能教育成為學校校本課程和科技活動的重要內容。目前人工智能教育在學校主要以三類形式存在：第一類是在STEM或創客課程中引入人工智能的內容；第二類是開設專門的人工智能課程。第三類是由中小學校外力量，如高校、事業單位、科研院所等推動發展的實踐。我區中小學人工智能教學實踐探索較少，未見課程，中小學人工智能教育亟需可落地實施的課程方案。筆者依托區域環境，在石景山水務管理部門、國內重要科研機構的支持下，以完成區域蓮石湖水文勘測任務為目標，利用水下機器人構建人工智能綜合實踐活動，培養學生人工智能素養以及綜合實踐能力。整合社會優質資源，建立符合我區特色的校地共育模式，形成學生參與社會生產、承擔社會責任、提升自我價值的有效途徑，促進學生核心素養的全面提升。

二、基于水“文”勘測情境的人工智能綜合實踐活動設計

（一）活動背景

北京是一座“依水而建、因水而興”的文明古都，永定河，是北京的母親河，孕育了北京深厚的文化底蘊和獨特的人文資源，蓮石湖是永定河城市段最大的湖，位于石景山轄區范圍,全長5.8公里,沿途風景秀美，雋秀宜人。其生態效果對整個永定河城市段河流水系有著巨大影響。蓮石湖是石景山區重要的利民工程，前期調研發現，區水務管理部門、河長制辦公室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。筆者受石景山區水務管理部門、河長制辦公室委托，圍繞蓮石湖水域開展水體總量測量實踐研究。以水載科技，科技助水的理念引導學生利用人工智能助力區域河湖管理，尋水覓源，認識蓮石湖地理生態、文史哲、河長制等知識，探尋中華傳統水文化的精神內涵，增強文化自信，落實立德樹人，培育新時代的四有新人。

（二）活動目的與意義

1.探索人工智能與教育深度融合的有效方式，為中小學開展人工智能教育提供可操作的教學實踐方案，促進學生人工智能素養提升。2.探索人工智能與綜合實踐活動融合方式，設置培養學生綜合運用各學科知識，認識、分析和解決現實問題的教學實踐活動方案，為我區學校開展學生綜合實踐素質教育提供一種新路徑。3.以“水載科技”、“科技助水”的教育理念激發學生人工智能學習興趣，水資源保護意識。為培養具有中國傳統文化底蘊，扎實人工智能知識基礎，富有創新意識和立志于科技報國的預備性人才提供策略。4.整合我區各職能、科研部門資源，建立符合我區特色的校地共育模式，形成學生參與社會生產、承擔社會責任、提升自我價值的有效途徑，促進學生核心素養的全面提升。5.為永定河水文化教育提供策略，實現永定河育人價值。

（三）活動目標

1.制定適應于基礎教育的水下機器人蓮石湖水資源勘測的可行性方案，為區水務管理部門提供較為真實準確的實地數據資料。2.制定水文化探尋教學環節，形成水文化教育與教學融合策略，為區水務管理部門開展區域水文化宣傳教育工作提供策略，3.制定可供學生參與的蓮石湖水文勘測實踐方案，形成綜合實踐教學策略4.制定包含人工智能技術的水下機器人教學內容，形成人工智能教育與教學融合策略5.形成學生綜合實踐學習成果、項目報告、效果評價。

（四）活動方案設計

1.活動設備選擇水下機器人又稱水下航行器，是探索海洋、利用海洋的重要手段。筆者選擇的水下機器人是一種可視化岸上操控系統的實驗類遙控型水下無人航行器。主體框架可以PVC水管為材料搭建，機體零件可由學生應用3D打印技術自主設計完成。科學、穩定的框架結構是水下機器人完成水下作業任務的重要條件，一定程度使機器人作為課堂教學媒介更具科學性、規范性。前期實踐證明，水下機器人可以完成我區水資源的勘測工作，對我區水資源規劃保護工作具有積極的促進作用，真實服務地方生活。2.活動實施技術路線本活動以現代教育技術理論為指導，運用系統論和建構主義理論來構建基于水“文”勘測情境的人工智能綜合實踐活動方案，將中小學新課改的理念以及核心素養的培養貫穿于研究過程當中，力求兼具校內教學和校外實踐，構建全過程全方位的綜合實踐活動體系。并在實施的過程中確定實踐活動的具體教學內容，為廣大師生提供一個可操作性的教學實踐方案以及科學的切實可行的活動效果評價方案。技術路線如下：

（五）活動實施過程和步驟

1.設計制作可測量湖域水體總量的水下機器人水下機器人采用開放架構式設計，系統由機器人框架搭載水下推進器、機械手等執行機構和水下攝像機、深度傳感器、聲吶測高儀等傳感裝置。水下機器人設計時考慮正負浮力設計，即本體所產生的浮力稍大于重力，數值一般取重力的1%~3%，重心和浮心在航行器中心鉛垂線上，且控制重心在浮心的下方，以保證機器人自身的穩定性。后期水池試驗配重時采用高密度泡沫浮力材料或鉛塊對重力、重心、浮力和浮心進行微調。具體連接組成圖片如下：水下機器人的整體架構及布局圖如下:2.采用水下機器人進行湖泊水體總量測算的原理及步驟針對湖泊水量測算，一般使用衛星遙感測量水庫或湖泊蓄水前的地形，輔以湖泊特定點深度進行測算，而此方法無法對未建有湖底地形圖或湖底地形變化較快的蓄水湖泊進行實時水量精確測算。本活動采用天基衛星定位和水下機器人定深組合的方式完成蓮石湖主庫區水體總量測算。具體原理是：通過定位系統獲得湖面二維輪廓，對其進行等間距離散，選取若干測量點，使用水下機器人分別對特定點的經緯度測量點進行深度測量，利用MATLAB擬合插值進行三維立體重構，積分求解得到湖泊的水量。具體步驟如下：1)測輪廓：駕駛水面船只繞湖勻速行駛一周，其船載天基衛星定位（GPS/北斗）接受機實時接收并存儲經緯度位置信息，后期使用MATLAB進行二維輪廓重繪。具體圖片如下：2)選取點：在上述輪廓內每隔30米劃分，選取合適的經度、緯度交匯點作為測量點。具體圖片（選取湖水輪廓內的點）如下：3)測水深：選取某一測量點，布放水下機器人，并控制水下機器人下潛至1米水深附近，讀取聲吶測深儀數據H1和深度傳感器數據H2,計算該點水深為：H=H1+H2。循環上述步驟，直至所有測量點測算完畢。讀數圖片如下：4)數值建模：將上述測量點及對應深度數值輸入MATLAB，使用三次曲線插值及擬合和建模函數（MATLAB工具箱函數：surf或mesh），完成湖泊三維立體模型重構。5)計算體積：對MATLAB構建的湖泊三維立體模型，使用積分函數（MATLAB工具箱函數：integral2），求解得到體積大小，此體積即為湖泊的水量。最終，歷時25天，學生們先后下湖15次，通過測量湖心點位377個，成功繪制蓮石湖主景區湖體建模，依托測量數據，生成仿真動態影像，利用差值算法計算蓮石湖主庫區湖體總量如下：湖面面積為：1927302.587408053㎡平均水深：4.423846901260490m體積：8526091.57909643993748767672597m3（六）總結與反思本次活動為方便實施，最終選定區內靠近水域的某小學開展，小學生由于還未系統學習物理浮力知識，在設計制作水下機器人的時候難度較大，未來計劃在現有的教學實踐經驗上，向區內中學推進，以期望取得更好的教學實踐成果。此外，活動將制定更加具有科學性的實踐方案，分季節分水位測量蓮石湖水域水體總量，形成不同時期不同水位下有效數據，進行大數據對比分析，提供更精確的測量結果，幫助水務管理部門在蓮石湖湖心設立水位標桿，明確標注水位。未來計劃在我區其它水域開展相同的水資源勘測活動，并在測量水體總量的基礎上，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、檢測湖內物種多樣性，讓學生有更多學習實踐成長的機會。

三、活動評價

本活動評價以學生、教師及社會職能部門為主體。活動依托石景山區地理環境特色，整合社會各職能部門資源，為學生創造了一個優質的科技創新教育實踐平臺。本活動創設之初便受到了學生、教師、水務部門的各方關注，得到了積極的響應。筆者選取區內某所小學作為試點開展，以制作水下機器人為主線，以物理、數學、工程、人工智能等多學科知識點融合為載體，培養了學生自主學習能力、分析解決實際問題的能力、整理資料的能力、匯報表達的能力，提升了學生認識、理解、應用人工智能技術的能力、動手實踐能力和科學創造性思維。學生、教師均表示自身能力在實踐中的到了有效的提升，我區水務部門對于活動最終成果給予的高度肯定和贊揚。活動最終成功制作符合我區水資源勘測需求的水下機器人，完成了教學實踐中的知識與技能目標。教學期間的教案、課件、學生活動學案、工程筆記、教學日志、小組內發言討論記錄以及最終水下機器人作品等，形成了本次活動實施的有效評價材料和手段，除此以外，圍繞水文化探尋形成的創客作品、詩歌、海報、攝影作品、繪畫作品、日記征文、工藝品、標本、舞蹈節目等作品亦可是活動中學生的情感價值觀有效提升的證明。進一步體現實踐活動的真實性、先進性、和豐富性。

四、活動成效

本活動成果為石景山區水資源保護規劃的編制工作提供了較為真實準確的數字及寶貴的實地數據資料。為蓮石湖水務管理工作助力添彩。受到了區水務工作者的一致好評，更得到了北京日報的積極報道。圍繞整個勘測活動拍攝制作的微視頻，代表北京市參加水利部組織的2019“守護美麗河湖--推動河（湖）長制從‘有名’到‘有實’”全國微視頻公益大賽，獲得優秀作品獎，是北京市唯一獲得此獎的作品。同時，微視頻在區內相關職能部門、各學校的廣泛傳播，得到了一直好評，引導大眾關注科技、關注生態、關注河湖管理，形成了較好的示范作用。

五、結束語

青年一代有理想、有本領、有擔當，科技就有前途，創新就有希望。要讓科技工作成為富有吸引力的工作、成為孩子們尊崇向往的職業，給孩子們的夢想插上科技的翅膀。筆者認為，本活動最大價值是給我區學生提供了一個走進社會，真實服務社會生產生活的機會。學生們走出校園，走進社會，利用所學回報養育自己的家鄉，尋水覓源，感受中華傳統文化的精神內涵，有效提高文化認同感，社會責任感，學習任何一項知識技能不僅僅是為了提高自己，更重要的是要回饋社會，報效祖國。人工智能等一系列科技教育應該注重孩子價值觀的培養，要與文化緊密聯系，要讓學生牢記，學習的使命和擔當。未來筆者將繼續依托區域水環境特色構建人工智能特色實踐活動，提升我區學生人工智能素養。并在實踐中不斷地實踐、研討、修改、完善。期望為促進中小學開展人工智能教育略盡微薄之力。

作者：邱莉 張大光