人工智能综合实践活动设计研究

摘要：2017年，国务院《新一代人工智能发展规划的通知》提出要在中小学阶段设置人工智能相关课程，推广编程教育。人工智能属于交叉学科，具有明显的技术特征，专业知识较难，基础教育阶段开设人工智能教育难度较大，教学案例较少。如何让人工智能教育在学校真正落地实施是现在亟须解决的问题。笔者依托区域地理环境，将人工智能技术以水下机器人为载体呈现，以完成石景山区域莲石湖水文勘测，解决社会现实需求为目标，形成真实有价值的人工智能综合实践活动，引导学生在探究式学习过程中认识、理解、运用人工智能技术，提升人工智能素养。在综合实践活动中建立学习与生活的有机联系，自主学习、实践、反思。全面提升综合素质，特别是社会责任感、创新精神和实践能力。

关键词：水文勘测、人工智能、水下机器人、综合实践活动

一、我国中小学人工智能教育政策及现状

2017年7月，国务院出台《新一代人工智能发展规划》明确提出实施全民智能教育项目，在中小学阶段开展人工智能教育，设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。人工智能教育是将人工智能技术知识通过教授、体验、应用等手段，让学习者掌握基本的人工智能知识，具备初步的人工智能能力。目前，我国中小学人工智能国家课程标准还未颁布，缺少国家课程，如何在中小学开展人工智能教育仍处探索阶段。2016年起，我国教育部门陆续中小学人工智能教育教学指导文件。如中小学各级信息技术课程标准（2016版）对人工智能安排了小学“算法与程序设计入门以及机器人入门”；初中：“算法与程序设计以及机器人设计与制作”内容。2017年《中小学综合实践活动课程指导纲要》为人工智能的探究式教学提供了主题推荐：3-6年级的“趣味编程入门”,7-9年级的“走进程序世界”及“开源机器人初体验”等。2019年《北京促进人工智能与教育融合发展行动计划》，明确推动人工智能纳入中小学综合社会实践活动和开放性科学实践活动，以机器人教学为主的人工智能教育成为学校校本课程和科技活动的重要内容。目前人工智能教育在学校主要以三类形式存在：第一类是在STEM或创客课程中引入人工智能的内容；第二类是开设专门的人工智能课程。第三类是由中小学校外力量，如高校、事业单位、科研院所等推动发展的实践。我区中小学人工智能教学实践探索较少，未见课程，中小学人工智能教育亟需可落地实施的课程方案。笔者依托区域环境，在石景山水务管理部门、国内重要科研机构的支持下，以完成区域莲石湖水文勘测任务为目标，利用水下机器人构建人工智能综合实践活动，培养学生人工智能素养以及综合实践能力。整合社会优质资源，建立符合我区特色的校地共育模式，形成学生参与社会生产、承担社会责任、提升自我价值的有效途径，促进学生核心素养的全面提升。

二、基于水“文”勘测情境的人工智能综合实践活动设计

（一）活动背景

北京是一座“依水而建、因水而兴”的文明古都，永定河，是北京的母亲河，孕育了北京深厚的文化底蕴和独特的人文资源，莲石湖是永定河城市段最大的湖，位于石景山辖区范围,全长5.8公里,沿途风景秀美，隽秀宜人。其生态效果对整个永定河城市段河流水系有着巨大影响。莲石湖是石景山区重要的利民工程，前期调研发现，区水务管理部门、河长制办公室对莲石湖有较大的水资源勘测需求和水文化——“河长制”教育宣传任务。笔者受石景山区水务管理部门、河长制办公室委托，围绕莲石湖水域开展水体总量测量实践研究。以水载科技，科技助水的理念引导学生利用人工智能助力区域河湖管理，寻水觅源，认识莲石湖地理生态、文史哲、河长制等知识，探寻中华传统水文化的精神内涵，增强文化自信，落实立德树人，培育新时代的四有新人。

（二）活动目的与意义

1.探索人工智能与教育深度融合的有效方式，为中小学开展人工智能教育提供可操作的教学实践方案，促进学生人工智能素养提升。2.探索人工智能与综合实践活动融合方式，设置培养学生综合运用各学科知识，认识、分析和解决现实问题的教学实践活动方案，为我区学校开展学生综合实践素质教育提供一种新路径。3.以“水载科技”、“科技助水”的教育理念激发学生人工智能学习兴趣，水资源保护意识。为培养具有中国传统文化底蕴，扎实人工智能知识基础，富有创新意识和立志于科技报国的预备性人才提供策略。4.整合我区各职能、科研部门资源，建立符合我区特色的校地共育模式，形成学生参与社会生产、承担社会责任、提升自我价值的有效途径，促进学生核心素养的全面提升。5.为永定河水文化教育提供策略，实现永定河育人价值。

（三）活动目标

1.制定适应于基础教育的水下机器人莲石湖水资源勘测的可行性方案，为区水务管理部门提供较为真实准确的实地数据资料。2.制定水文化探寻教学环节，形成水文化教育与教学融合策略，为区水务管理部门开展区域水文化宣传教育工作提供策略，3.制定可供学生参与的莲石湖水文勘测实践方案，形成综合实践教学策略4.制定包含人工智能技术的水下机器人教学内容，形成人工智能教育与教学融合策略5.形成学生综合实践学习成果、项目报告、效果评价。

（四）活动方案设计

1.活动设备选择水下机器人又称水下航行器，是探索海洋、利用海洋的重要手段。笔者选择的水下机器人是一种可视化岸上操控系统的实验类遥控型水下无人航行器。主体框架可以PVC水管为材料搭建，机体零件可由学生应用3D打印技术自主设计完成。科学、稳定的框架结构是水下机器人完成水下作业任务的重要条件，一定程度使机器人作为课堂教学媒介更具科学性、规范性。前期实践证明，水下机器人可以完成我区水资源的勘测工作，对我区水资源规划保护工作具有积极的促进作用，真实服务地方生活。2.活动实施技术路线本活动以现代教育技术理论为指导，运用系统论和建构主义理论来构建基于水“文”勘测情境的人工智能综合实践活动方案，将中小学新课改的理念以及核心素养的培养贯穿于研究过程当中，力求兼具校内教学和校外实践，构建全过程全方位的综合实践活动体系。并在实施的过程中确定实践活动的具体教学内容，为广大师生提供一个可操作性的教学实践方案以及科学的切实可行的活动效果评价方案。技术路线如下：

（五）活动实施过程和步骤

1.设计制作可测量湖域水体总量的水下机器人水下机器人采用开放架构式设计，系统由机器人框架搭载水下推进器、机械手等执行机构和水下摄像机、深度传感器、声呐测高仪等传感装置。水下机器人设计时考虑正负浮力设计，即本体所产生的浮力稍大于重力，数值一般取重力的1%~3%，重心和浮心在航行器中心铅垂线上，且控制重心在浮心的下方，以保证机器人自身的稳定性。后期水池试验配重时采用高密度泡沫浮力材料或铅块对重力、重心、浮力和浮心进行微调。具体连接组成图片如下：水下机器人的整体架构及布局图如下:2.采用水下机器人进行湖泊水体总量测算的原理及步骤针对湖泊水量测算，一般使用卫星遥感测量水库或湖泊蓄水前的地形，辅以湖泊特定点深度进行测算，而此方法无法对未建有湖底地形图或湖底地形变化较快的蓄水湖泊进行实时水量精确测算。本活动采用天基卫星定位和水下机器人定深组合的方式完成莲石湖主库区水体总量测算。具体原理是：通过定位系统获得湖面二维轮廓，对其进行等间距离散，选取若干测量点，使用水下机器人分别对特定点的经纬度测量点进行深度测量，利用MATLAB拟合插值进行三维立体重构，积分求解得到湖泊的水量。具体步骤如下：1)测轮廓：驾驶水面船只绕湖匀速行驶一周，其船载天基卫星定位（GPS/北斗）接受机实时接收并存储经纬度位置信息，后期使用MATLAB进行二维轮廓重绘。具体图片如下：2)选取点：在上述轮廓内每隔30米划分，选取合适的经度、纬度交汇点作为测量点。具体图片（选取湖水轮廓内的点）如下：3)测水深：选取某一测量点，布放水下机器人，并控制水下机器人下潜至1米水深附近，读取声呐测深仪数据H1和深度传感器数据H2,计算该点水深为：H=H1+H2。循环上述步骤，直至所有测量点测算完毕。读数图片如下：4)数值建模：将上述测量点及对应深度数值输入MATLAB，使用三次曲线插值及拟合和建模函数（MATLAB工具箱函数：surf或mesh），完成湖泊三维立体模型重构。5)计算体积：对MATLAB构建的湖泊三维立体模型，使用积分函数（MATLAB工具箱函数：integral2），求解得到体积大小，此体积即为湖泊的水量。最终，历时25天，学生们先后下湖15次，通过测量湖心点位377个，成功绘制莲石湖主景区湖体建模，依托测量数据，生成仿真动态影像，利用差值算法计算莲石湖主库区湖体总量如下：湖面面积为：1927302.587408053㎡平均水深：4.423846901260490m体积：8526091.57909643993748767672597m3（六）总结与反思本次活动为方便实施，最终选定区内靠近水域的某小学开展，小学生由于还未系统学习物理浮力知识，在设计制作水下机器人的时候难度较大，未来计划在现有的教学实践经验上，向区内中学推进，以期望取得更好的教学实践成果。此外，活动将制定更加具有科学性的实践方案，分季节分水位测量莲石湖水域水体总量，形成不同时期不同水位下有效数据，进行大数据对比分析，提供更精确的测量结果，帮助水务管理部门在莲石湖湖心设立水位标杆，明确标注水位。未来计划在我区其它水域开展相同的水资源勘测活动，并在测量水体总量的基础上，加入更多有意义的实践活动，如打捞湖里垃圾，测量水体水质、检测湖内物种多样性，让学生有更多学习实践成长的机会。

三、活动评价

本活动评价以学生、教师及社会职能部门为主体。活动依托石景山区地理环境特色，整合社会各职能部门资源，为学生创造了一个优质的科技创新教育实践平台。本活动创设之初便受到了学生、教师、水务部门的各方关注，得到了积极的响应。笔者选取区内某所小学作为试点开展，以制作水下机器人为主线，以物理、数学、工程、人工智能等多学科知识点融合为载体，培养了学生自主学习能力、分析解决实际问题的能力、整理资料的能力、汇报表达的能力，提升了学生认识、理解、应用人工智能技术的能力、动手实践能力和科学创造性思维。学生、教师均表示自身能力在实践中的到了有效的提升，我区水务部门对于活动最终成果给予的高度肯定和赞扬。活动最终成功制作符合我区水资源勘测需求的水下机器人，完成了教学实践中的知识与技能目标。教学期间的教案、课件、学生活动学案、工程笔记、教学日志、小组内发言讨论记录以及最终水下机器人作品等，形成了本次活动实施的有效评价材料和手段，除此以外，围绕水文化探寻形成的创客作品、诗歌、海报、摄影作品、绘画作品、日记征文、工艺品、标本、舞蹈节目等作品亦可是活动中学生的情感价值观有效提升的证明。进一步体现实践活动的真实性、先进性、和丰富性。

四、活动成效

本活动成果为石景山区水资源保护规划的编制工作提供了较为真实准确的数字及宝贵的实地数据资料。为莲石湖水务管理工作助力添彩。受到了区水务工作者的一致好评，更得到了北京日报的积极报道。围绕整个勘测活动拍摄制作的微视频，代表北京市参加水利部组织的2019“守护美丽河湖--推动河（湖）长制从‘有名’到‘有实’”全国微视频公益大赛，获得优秀作品奖，是北京市唯一获得此奖的作品。同时，微视频在区内相关职能部门、各学校的广泛传播，得到了一直好评，引导大众关注科技、关注生态、关注河湖管理，形成了较好的示范作用。

五、结束语

青年一代有理想、有本领、有担当，科技就有前途，创新就有希望。要让科技工作成为富有吸引力的工作、成为孩子们尊崇向往的职业，给孩子们的梦想插上科技的翅膀。笔者认为，本活动最大价值是给我区学生提供了一个走进社会，真实服务社会生产生活的机会。学生们走出校园，走进社会，利用所学回报养育自己的家乡，寻水觅源，感受中华传统文化的精神内涵，有效提高文化认同感，社会责任感，学习任何一项知识技能不仅仅是为了提高自己，更重要的是要回馈社会，报效祖国。人工智能等一系列科技教育应该注重孩子价值观的培养，要与文化紧密联系，要让学生牢记，学习的使命和担当。未来笔者将继续依托区域水环境特色构建人工智能特色实践活动，提升我区学生人工智能素养。并在实践中不断地实践、研讨、修改、完善。期望为促进中小学开展人工智能教育略尽微薄之力。

作者：邱莉 张大光