基于Arduino的人工智能課程：點燃學生問題解決能力的智慧引擎

在當今的數(shù)智化新時代，人工智能已成為推動社會進步和發(fā)展的關鍵動力，教育領域也迎來了前所未有的變革，如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和解決問題能力的青年人才，已成為當前教育界面臨的重要課題?；贏rduino的人工智能課程以其獨特的優(yōu)勢，為學生搭建了一個探索科技、實踐創(chuàng)新的廣闊平臺。課程通過一系列精心設計的項目實踐活動，讓學生不僅能夠掌握人工智能的基礎知識和技能，還能夠在面對真實問題時，靈活運用所學知識，提出并執(zhí)行有效的解決方案。筆者從理論與實踐兩個層面深入探討，分析基于Arduino的人工智能課程如何通過分階段實踐教學、開放式項目設計和跨學科合作，提升學生解決問題的能力。一、基于Arduino的人工智能課程概述（一）Arduino簡介Arduino作為一款開源的軟硬件開發(fā)平臺，以其簡明的操作指令、直觀的編程方法、易用性、開放的接口協(xié)議和豐富的教學資源，為中學生提供了一個探索人工智能領域的優(yōu)質學習環(huán)境。這一環(huán)境極大地推動了學生在開源硬件項目和自主學習方面的能力提升。教師能夠通過多樣化的操作途徑，運用富有趣味性的軟硬件實驗，向學生展示Arduino硬件的多功能應用，幫助學生有效克服了因算法和程序設計的枯燥性及學習難度帶來的畏難情緒。再者，Arduino擁有豐富的外圍模塊和擴展接口，應用范圍十分廣泛，可以連接各種傳感器、執(zhí)行器、顯示屏等，能夠支持學生開發(fā)出多樣化且極具趣味性的作品。將Arduino開源硬件融入教學實踐，不僅能激發(fā)學生對人工智能的學習興趣，還能在解決實際問題和設計創(chuàng)新作品的過程中，不斷提升他們的創(chuàng)造力。（二）人工智能課程中Arduino的應用現(xiàn)狀基于以上優(yōu)勢，Arduino在中小學人工智能課程，特別是在機器人制作和智能設備開發(fā)課程中，展現(xiàn)出了廣泛的應用潛力，受到了一定的關注。但在將Arduino深度融合于教學中提升學生解決問題能力方面的實踐與探索中，我們也面臨著教師技術知識儲備不足、課程評價體系不完善等問題，特別是在教學方法的創(chuàng)新方面還有待進一步深入。（三）基于Arduino的人工智能課程特點基于Arduino的人工智能課程以其獨特的教學方式，在培養(yǎng)學生解決問題能力方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。在緊密結合了硬件實踐與軟件編程的課程中，學生可以通過親手搭建電子系統(tǒng)、連接傳感器和執(zhí)行器等，深入體驗從理論到實踐的轉化過程。同時，Arduino的開源特性為學生提供了豐富的資源和靈感，讓他們能夠快速實現(xiàn)創(chuàng)意作品，創(chuàng)新思維和自主學習能力都得到了大幅提升。此外，Arduino的低成本和便捷性降低了學習門檻，使得更多學生有機會參與實踐，自由探索和嘗試新想法，這有助于培養(yǎng)學生敢于嘗試、勇于創(chuàng)新的精神。在邏輯思維能力的培養(yǎng)方面，Arduino課程通過項目實踐，逐步鍛煉和強化學生的邏輯思維能力。在實踐動手能力的提升方面，學生在設計項目和編程、搭建時，也能不斷增強實際操作能力，養(yǎng)成面對問題時冷靜思考、主動尋找解決辦法的習慣。而且，在完成項目的過程中，學生需要運用計算機編程、電子電路、數(shù)學運算和物理原理等多學科知識，這也極大地培養(yǎng)了他們綜合運用知識解決復雜問題的能力，為今后深入學習和從事相關領域的工作奠定了堅實的基礎。二、基于Arduino的人工智能課程提升學生解決問題能力的教學路徑（一）在課堂教學中激發(fā)學生解決問題的潛能1.開設基礎實踐課程，引導學生掌握Arduino基礎知識學習之舟，揚帆于堅實的知識基礎之上。在基于Arduino的人工智能課程中，我們在教學之初就著重于為學生打下堅實的理論基礎，確保他們能夠在學習之旅中穩(wěn)步前行。與常規(guī)的理論基礎教學方法不同，本課程采用了一種漸進式的實踐教學策略，旨在逐步深化學生對知識點的掌握。教師從基礎出發(fā)，逐步引導學生通過親身實踐來深入理解并掌握各個知識要點。教師通過基礎項目來鞏固理論知識，將每個知識點都轉化為一個微項目，使學生在相對獨立而相互聯(lián)系的項目中，既能學習新知識，又能復習和鞏固舊知識。教師從“點亮一盞LED小燈”的簡單實踐開始，逐步引導學生認識Arduino的核心功能，再通過“呼吸燈”“數(shù)碼管”“傳感器”及“電機與舵機”等逐步提升難度的微項目，采用理論與實際相結合的教學方法，使學生在動手操作中循序漸進地掌握必要的基礎知識。同時，教師在教學過程中不斷激發(fā)學生的創(chuàng)造力。例如，在教學“LED燈控制”的知識點時，我們設計了三個層次遞進的教學微項目：“點亮一盞LED小燈”“呼吸燈”和“讓我設計的燈會‘說話’”。每個項目都圍繞核心知識點構建，確保教學內容具有遞進性。在最后一個項目中，我們鼓勵學生發(fā)揮自己的想象力，創(chuàng)造出獨具特色的“會說話”的燈，這不僅鍛煉了學生的創(chuàng)新思維，也強化了對知識的理解與應用。如圖1，從“呼吸燈”到其他復雜控制，這一系列體驗不僅讓學生感受到將Arduino應用于實踐的樂趣，而且為后續(xù)復雜項目的設計奠定了堅實的知識基礎。2.進階項目實踐，讓學生在復雜項目中解決實際問題一旦學生掌握了Arduino的基礎操作技能，教師便可引入一系列開放式項目，這些項目不設置固定答案，旨在鼓勵學生將所學知識應用于現(xiàn)實問題的解決。在教學中，教師倡導自由思考，讓學生根據(jù)自己的見解和創(chuàng)意，探索和挖掘新的解決方案。通過問題解決教學法，教師引導學生自主發(fā)現(xiàn)問題、深入分析，并鼓勵他們不受傳統(tǒng)束縛，大膽嘗試各種可能的方法，最終找到解決方案，創(chuàng)造出獨具匠心的作品。近年來，課程以“身邊的機器人”“協(xié)作式機器人”“社區(qū)服務機器人”和“智慧校園”等為主題，開展了一系列實踐項目。這些項目充分激發(fā)了學生的創(chuàng)造力，引導他們獨立設計并完成了如“智能垃圾處理機器人”“智能過橋米線上菜機器人”“智慧停車場引導系統(tǒng)”“智能鮮切花包裝機器人”“智能發(fā)試卷機器人”“社區(qū)智慧藥店抓中藥機器人”和“未來書海領航員”等創(chuàng)新作品（如圖2）。這些項目不僅提升了學生掌握技術的能力，也培養(yǎng)了他們解決現(xiàn)實問題的能力，為他們創(chuàng)新思維和實踐技能的提升搭建了平臺。以“社區(qū)服務機器人”的實踐項目為例，各學習小組從多元視角出發(fā)，展開了充滿創(chuàng)意的設計工作。有的小組僅繪制了初步草圖，有的則進一步制作了完整的功能性作品。例如，“智能過橋米線上菜機器人”的設計團隊，到各商業(yè)區(qū)，從具有地方特色的過橋米線店汲取靈感，為這些店鋪量身打造了既方便實用又充滿創(chuàng)意的作品。與此同時，另一組學生針對疫情防控期間社區(qū)藥店面臨的無人抓藥的難題，設計了“社區(qū)智慧藥店抓中藥機器人”。這一創(chuàng)新解決方案在疫情防控期間乃至后疫情時代，都有望在眾多藥店得到廣泛應用。Arduino平臺的靈活性極大地激發(fā)了學生的想象力和創(chuàng)造力。在這種鼓勵個性化和創(chuàng)新思維的課堂環(huán)境中，教師引導學生關注并解決身邊的現(xiàn)實問題，從實際情境出發(fā)，深化對知識應用價值的理解，不僅培養(yǎng)了學生的批判性思維和問題解決能力，而且進一步激發(fā)了他們的創(chuàng)造力。學生利用資源和空間，發(fā)展和展現(xiàn)了自己獨特的個性和才華。（二）在跨學科團隊協(xié)作中培養(yǎng)學生解決問題的能力建立理論知識與實際問題之間的橋梁，是培養(yǎng)學生解決問題能力的有效途徑之一。在項目團隊中，教師的鼓勵促使學生根據(jù)自己的興趣和特長，形成跨學科的協(xié)作小組。這些團隊匯聚了具備不同知識和能力的學生，他們共同參與多元化的項目研究和實踐，通過充分的交流與合作，共同探索各種問題的解決方案。在各小組組長的組織下，團隊成員從各自擅長的學科視角出發(fā)思考和解決問題。他們將現(xiàn)有知識與新現(xiàn)象相結合，將單一學科的理論與其他學科的視角相融合，在集體智慧的匯聚中，從信息技術、數(shù)學、物理、化學、生物，甚至地理、歷史等不同學科角度審視問題。在研究過程中，每個團隊的設計愿景和最終作品都呈現(xiàn)出獨特的個性。團隊成員有的擅長編程，有的精于結構設計，有的善于視覺藝術，有的樂于文案撰寫和宣傳工作，每一位都有自己獨立的任務和職責。他們取長補短，即相互依賴，又各自獨立。小組協(xié)作過程中，全體成員不斷激發(fā)內在的創(chuàng)造力，孕育出一系列解決方案。這種跨學科的團隊協(xié)作不僅促進了知識的綜合運用，也鍛煉了學生在多元文化背景下的溝通能力和團隊精神，為他們的全面發(fā)展和解決問題能力的提升提供了優(yōu)渥的土壤。以“智能鮮切花包裝機器人”設計團隊為例，該團隊由四位具有不同視角和知識背景的學生組成。面對這一挑戰(zhàn)，他們共同確定了設計主題，并明確了作品所需的實現(xiàn)功能。在這一過程中，團隊成員共同進行了現(xiàn)場調研，積極聽取各方意見，表達自己的觀點，并在有效的溝通和協(xié)作中逐步明確了設計任務，形成了切實可行的設計方案。隨后，分工明確，兩位成員負責結構設計，兩位成員負責程序編寫。通過實踐操作，他們將所學理論知識應用于解決實際問題中，逐步提升自己的創(chuàng)新能力。同時，具有藝術設計才能的成員在整個制作過程中不斷潤色，為作品增添了美學價值。最后，由一位成員負責撰寫設計報告，將團隊的創(chuàng)意和成果以書面形式展現(xiàn)。在所有團隊成員的共同努力下（如圖3），一個具有實際應用價值的創(chuàng)新作品得以成功設計并制作完成。（三）將競賽作為提升學生問題解決能力的綜合實踐平臺競賽不僅為學生提供了一個將理論知識應用于實踐的環(huán)境，更是構建了一個激發(fā)創(chuàng)造力的競技場。在這個平臺上，學生可以運用他們所學的Arduino電子電路設計、機械結構設計和系統(tǒng)集成等硬件設計技能，結合計算機視覺、語音識別等編程知識，解決各種實際問題。競賽經(jīng)歷不僅鍛煉了學生的實踐能力，也顯著地增強了他們的自信心和團隊合作精神。在完成基于Arduino的人工智能課程初階、中階教學后，教師在進入高階教學時，就會從能力出眾的學生中選拔參賽者，針對不同認知水平的學生，培養(yǎng)他們的綜合分析和問題解決能力，并根據(jù)競賽的具體要求提供專業(yè)的項目指導，助力學生在競賽中取得優(yōu)異成績。競賽同樣為教師和學生提供了寶貴的反思機會。教師在帶領學生參與各項人工智能競賽后，通過反思不僅能回顧和總結比賽經(jīng)驗，更能深入地審視自己的教學方法和內容，識別并改進指導過程中的不足，以此優(yōu)化教學策略，提升教學成效。教師也能更全面地了解學生，為他們量身定制更具針對性的個性化指導。對學生來說，競賽不僅是展示自己作品的舞臺，也是與他人深入交流、相互啟發(fā)的良機。學生能從其他參賽作品中汲取創(chuàng)作靈感，認識到自己在知識、技能和創(chuàng)意方面的不足，從而加深對知識的掌握，明確改進方向，更加有效地規(guī)劃個人學習路徑?；贏rduino的人工智能課程為學生打開了探