導(dǎo)語：人工智能綜合實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：2017年，國務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》提出要在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，推廣編程教育。人工智能屬于交叉學(xué)科，具有明顯的技術(shù)特征，專業(yè)知識(shí)較難，基礎(chǔ)教育階段開設(shè)人工智能教育難度較大，教學(xué)案例較少。如何讓人工智能教育在學(xué)校真正落地實(shí)施是現(xiàn)在亟須解決的問題。筆者依托區(qū)域地理環(huán)境，將人工智能技術(shù)以水下機(jī)器人為載體呈現(xiàn)，以完成石景山區(qū)域蓮石湖水文勘測，解決社會(huì)現(xiàn)實(shí)需求為目標(biāo)，形成真實(shí)有價(jià)值的人工智能綜合實(shí)踐活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生在探究式學(xué)習(xí)過程中認(rèn)識(shí)、理解、運(yùn)用人工智能技術(shù)，提升人工智能素養(yǎng)。在綜合實(shí)踐活動(dòng)中建立學(xué)習(xí)與生活的有機(jī)聯(lián)系，自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐、反思。全面提升綜合素質(zhì)，特別是社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：水文勘測、人工智能、水下機(jī)器人、綜合實(shí)踐活動(dòng)

一、我國中小學(xué)人工智能教育政策及現(xiàn)狀

2017年7月，國務(wù)院出臺(tái)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段開展人工智能教育，設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。人工智能教育是將人工智能技術(shù)知識(shí)通過教授、體驗(yàn)、應(yīng)用等手段，讓學(xué)習(xí)者掌握基本的人工智能知識(shí)，具備初步的人工智能能力。目前，我國中小學(xué)人工智能國家課程標(biāo)準(zhǔn)還未頒布，缺少國家課程，如何在中小學(xué)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(xù)中小學(xué)人工智能教育教學(xué)指導(dǎo)文件。如中小學(xué)各級(jí)信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2016版）對(duì)人工智能安排了小學(xué)“算法與程序設(shè)計(jì)入門以及機(jī)器人入門”；初中：“算法與程序設(shè)計(jì)以及機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作”內(nèi)容。2017年《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》為人工智能的探究式教學(xué)提供了主題推薦：3-6年級(jí)的“趣味編程入門”,7-9年級(jí)的“走進(jìn)程序世界”及“開源機(jī)器人初體驗(yàn)”等。2019年《北京促進(jìn)人工智能與教育融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》，明確推動(dòng)人工智能納入中小學(xué)綜合社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)和開放性科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，以機(jī)器人教學(xué)為主的人工智能教育成為學(xué)校校本課程和科技活動(dòng)的重要內(nèi)容。目前人工智能教育在學(xué)校主要以三類形式存在：第一類是在STEM或創(chuàng)客課程中引入人工智能的內(nèi)容；第二類是開設(shè)專門的人工智能課程。第三類是由中小學(xué)校外力量，如高校、事業(yè)單位、科研院所等推動(dòng)發(fā)展的實(shí)踐。我區(qū)中小學(xué)人工智能教學(xué)實(shí)踐探索較少，未見課程，中小學(xué)人工智能教育亟需可落地實(shí)施的課程方案。筆者依托區(qū)域環(huán)境，在石景山水務(wù)管理部門、國內(nèi)重要科研機(jī)構(gòu)的支持下，以完成區(qū)域蓮石湖水文勘測任務(wù)為目標(biāo)，利用水下機(jī)器人構(gòu)建人工智能綜合實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生人工智能素養(yǎng)以及綜合實(shí)踐能力。整合社會(huì)優(yōu)質(zhì)資源，建立符合我區(qū)特色的校地共育模式，形成學(xué)生參與社會(huì)生產(chǎn)、承擔(dān)社會(huì)責(zé)任、提升自我價(jià)值的有效途徑，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面提升。

二、基于水“文”勘測情境的人工智能綜合實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)

（一）活動(dòng)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(yùn)和獨(dú)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(qū)范圍,全長5.8公里,沿途風(fēng)景秀美，雋秀宜人。其生態(tài)效果對(duì)整個(gè)永定河城市段河流水系有著巨大影響。蓮石湖是石景山區(qū)重要的利民工程，前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，區(qū)水務(wù)管理部門、河長制辦公室對(duì)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(wù)。筆者受石景山區(qū)水務(wù)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(shí)踐研究。以水載科技，科技助水的理念引導(dǎo)學(xué)生利用人工智能助力區(qū)域河湖管理，尋水覓源，認(rèn)識(shí)蓮石湖地理生態(tài)、文史哲、河長制等知識(shí)，探尋中華傳統(tǒng)水文化的精神內(nèi)涵，增強(qiáng)文化自信，落實(shí)立德樹人，培育新時(shí)代的四有新人。

（二）活動(dòng)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(xué)開展人工智能教育提供可操作的教學(xué)實(shí)踐方案，促進(jìn)學(xué)生人工智能素養(yǎng)提升。2.探索人工智能與綜合實(shí)踐活動(dòng)融合方式，設(shè)置培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)，認(rèn)識(shí)、分析和解決現(xiàn)實(shí)問題的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)方案，為我區(qū)學(xué)校開展學(xué)生綜合實(shí)踐素質(zhì)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(fā)學(xué)生人工智能學(xué)習(xí)興趣，水資源保護(hù)意識(shí)。為培養(yǎng)具有中國傳統(tǒng)文化底蘊(yùn)，扎實(shí)人工智能知識(shí)基礎(chǔ)，富有創(chuàng)新意識(shí)和立志于科技報(bào)國的預(yù)備性人才提供策略。4.整合我區(qū)各職能、科研部門資源，建立符合我區(qū)特色的校地共育模式，形成學(xué)生參與社會(huì)生產(chǎn)、承擔(dān)社會(huì)責(zé)任、提升自我價(jià)值的有效途徑，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面提升。5.為永定河水文化教育提供策略，實(shí)現(xiàn)永定河育人價(jià)值。

（三）活動(dòng)目標(biāo)

1.制定適應(yīng)于基礎(chǔ)教育的水下機(jī)器人蓮石湖水資源勘測的可行性方案，為區(qū)水務(wù)管理部門提供較為真實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)資料。2.制定水文化探尋教學(xué)環(huán)節(jié)，形成水文化教育與教學(xué)融合策略，為區(qū)水務(wù)管理部門開展區(qū)域水文化宣傳教育工作提供策略，3.制定可供學(xué)生參與的蓮石湖水文勘測實(shí)踐方案，形成綜合實(shí)踐教學(xué)策略4.制定包含人工智能技術(shù)的水下機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容，形成人工智能教育與教學(xué)融合策略5.形成學(xué)生綜合實(shí)踐學(xué)習(xí)成果、項(xiàng)目報(bào)告、效果評(píng)價(jià)。

（四）活動(dòng)方案設(shè)計(jì)

1.活動(dòng)設(shè)備選擇水下機(jī)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(jī)器人是一種可視化岸上操控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(jī)體零件可由學(xué)生應(yīng)用3D打印技術(shù)自主設(shè)計(jì)完成。科學(xué)、穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)是水下機(jī)器人完成水下作業(yè)任務(wù)的重要條件，一定程度使機(jī)器人作為課堂教學(xué)媒介更具科學(xué)性、規(guī)范性。前期實(shí)踐證明，水下機(jī)器人可以完成我區(qū)水資源的勘測工作，對(duì)我區(qū)水資源規(guī)劃保護(hù)工作具有積極的促進(jìn)作用，真實(shí)服務(wù)地方生活。2.活動(dòng)實(shí)施技術(shù)路線本活動(dòng)以現(xiàn)代教育技術(shù)理論為指導(dǎo)，運(yùn)用系統(tǒng)論和建構(gòu)主義理論來構(gòu)建基于水“文”勘測情境的人工智能綜合實(shí)踐活動(dòng)方案，將中小學(xué)新課改的理念以及核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于研究過程當(dāng)中，力求兼具校內(nèi)教學(xué)和校外實(shí)踐，構(gòu)建全過程全方位的綜合實(shí)踐活動(dòng)體系。并在實(shí)施的過程中確定實(shí)踐活動(dòng)的具體教學(xué)內(nèi)容，為廣大師生提供一個(gè)可操作性的教學(xué)實(shí)踐方案以及科學(xué)的切實(shí)可行的活動(dòng)效果評(píng)價(jià)方案。技術(shù)路線如下：

（五）活動(dòng)實(shí)施過程和步驟

1.設(shè)計(jì)制作可測量湖域水體總量的水下機(jī)器人水下機(jī)器人采用開放架構(gòu)式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由機(jī)器人框架搭載水下推進(jìn)器、機(jī)械手等執(zhí)行機(jī)構(gòu)和水下攝像機(jī)、深度傳感器、聲吶測高儀等傳感裝置。水下機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)考慮正負(fù)浮力設(shè)計(jì)，即本體所產(chǎn)生的浮力稍大于重力，數(shù)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(jī)器人自身的穩(wěn)定性。后期水池試驗(yàn)配重時(shí)采用高密度泡沫浮力材料或鉛塊對(duì)重力、重心、浮力和浮心進(jìn)行微調(diào)。具體連接組成圖片如下：水下機(jī)器人的整體架構(gòu)及布局圖如下:2.采用水下機(jī)器人進(jìn)行湖泊水體總量測算的原理及步驟針對(duì)湖泊水量測算，一般使用衛(wèi)星遙感測量水庫或湖泊蓄水前的地形，輔以湖泊特定點(diǎn)深度進(jìn)行測算，而此方法無法對(duì)未建有湖底地形圖或湖底地形變化較快的蓄水湖泊進(jìn)行實(shí)時(shí)水量精確測算。本活動(dòng)采用天基衛(wèi)星定位和水下機(jī)器人定深組合的方式完成蓮石湖主庫區(qū)水體總量測算。具體原理是：通過定位系統(tǒng)獲得湖面二維輪廓，對(duì)其進(jìn)行等間距離散，選取若干測量點(diǎn)，使用水下機(jī)器人分別對(duì)特定點(diǎn)的經(jīng)緯度測量點(diǎn)進(jìn)行深度測量，利用MATLAB擬合插值進(jìn)行三維立體重構(gòu)，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(wèi)星定位（GPS/北斗）接受機(jī)實(shí)時(shí)接收并存儲(chǔ)經(jīng)緯度位置信息，后期使用MATLAB進(jìn)行二維輪廓重繪。具體圖片如下：2)選取點(diǎn)：在上述輪廓內(nèi)每隔30米劃分，選取合適的經(jīng)度、緯度交匯點(diǎn)作為測量點(diǎn)。具體圖片（選取湖水輪廓內(nèi)的點(diǎn)）如下：3)測水深：選取某一測量點(diǎn)，布放水下機(jī)器人，并控制水下機(jī)器人下潛至1米水深附近，讀取聲吶測深儀數(shù)據(jù)H1和深度傳感器數(shù)據(jù)H2,計(jì)算該點(diǎn)水深為：H=H1+H2。循環(huán)上述步驟，直至所有測量點(diǎn)測算完畢。讀數(shù)圖片如下：4)數(shù)值建模：將上述測量點(diǎn)及對(duì)應(yīng)深度數(shù)值輸入MATLAB，使用三次曲線插值及擬合和建模函數(shù)（MATLAB工具箱函數(shù)：surf或mesh），完成湖泊三維立體模型重構(gòu)。5)計(jì)算體積：對(duì)MATLAB構(gòu)建的湖泊三維立體模型，使用積分函數(shù)（MATLAB工具箱函數(shù)：integral2），求解得到體積大小，此體積即為湖泊的水量。最終，歷時(shí)25天，學(xué)生們先后下湖15次，通過測量湖心點(diǎn)位377個(gè)，成功繪制蓮石湖主景區(qū)湖體建模，依托測量數(shù)據(jù)，生成仿真動(dòng)態(tài)影像，利用差值算法計(jì)算蓮石湖主庫區(qū)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(jié)與反思本次活動(dòng)為方便實(shí)施，最終選定區(qū)內(nèi)靠近水域的某小學(xué)開展，小學(xué)生由于還未系統(tǒng)學(xué)習(xí)物理浮力知識(shí)，在設(shè)計(jì)制作水下機(jī)器人的時(shí)候難度較大，未來計(jì)劃在現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上，向區(qū)內(nèi)中學(xué)推進(jìn)，以期望取得更好的教學(xué)實(shí)踐成果。此外，活動(dòng)將制定更加具有科學(xué)性的實(shí)踐方案，分季節(jié)分水位測量蓮石湖水域水體總量，形成不同時(shí)期不同水位下有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)對(duì)比分析，提供更精確的測量結(jié)果，幫助水務(wù)管理部門在蓮石湖湖心設(shè)立水位標(biāo)桿，明確標(biāo)注水位。未來計(jì)劃在我區(qū)其它水域開展相同的水資源勘測活動(dòng)，并在測量水體總量的基礎(chǔ)上，加入更多有意義的實(shí)踐活動(dòng)，如打撈湖里垃圾，測量水體水質(zhì)、檢測湖內(nèi)物種多樣性，讓學(xué)生有更多學(xué)習(xí)實(shí)踐成長的機(jī)會(huì)。

三、活動(dòng)評(píng)價(jià)

本活動(dòng)評(píng)價(jià)以學(xué)生、教師及社會(huì)職能部門為主體。活動(dòng)依托石景山區(qū)地理環(huán)境特色，整合社會(huì)各職能部門資源，為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)優(yōu)質(zhì)的科技創(chuàng)新教育實(shí)踐平臺(tái)。本活動(dòng)創(chuàng)設(shè)之初便受到了學(xué)生、教師、水務(wù)部門的各方關(guān)注，得到了積極的響應(yīng)。筆者選取區(qū)內(nèi)某所小學(xué)作為試點(diǎn)開展，以制作水下機(jī)器人為主線，以物理、數(shù)學(xué)、工程、人工智能等多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)融合為載體，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、分析解決實(shí)際問題的能力、整理資料的能力、匯報(bào)表達(dá)的能力，提升了學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解、應(yīng)用人工智能技術(shù)的能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和科學(xué)創(chuàng)造性思維。學(xué)生、教師均表示自身能力在實(shí)踐中的到了有效的提升，我區(qū)水務(wù)部門對(duì)于活動(dòng)最終成果給予的高度肯定和贊揚(yáng)。活動(dòng)最終成功制作符合我區(qū)水資源勘測需求的水下機(jī)器人，完成了教學(xué)實(shí)踐中的知識(shí)與技能目標(biāo)。教學(xué)期間的教案、課件、學(xué)生活動(dòng)學(xué)案、工程筆記、教學(xué)日志、小組內(nèi)發(fā)言討論記錄以及最終水下機(jī)器人作品等，形成了本次活動(dòng)實(shí)施的有效評(píng)價(jià)材料和手段，除此以外，圍繞水文化探尋形成的創(chuàng)客作品、詩歌、海報(bào)、攝影作品、繪畫作品、日記征文、工藝品、標(biāo)本、舞蹈節(jié)目等作品亦可是活動(dòng)中學(xué)生的情感價(jià)值觀有效提升的證明。進(jìn)一步體現(xiàn)實(shí)踐活動(dòng)的真實(shí)性、先進(jìn)性、和豐富性。

四、活動(dòng)成效

本活動(dòng)成果為石景山區(qū)水資源保護(hù)規(guī)劃的編制工作提供了較為真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)字及寶貴的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)資料。為蓮石湖水務(wù)管理工作助力添彩。受到了區(qū)水務(wù)工作者的一致好評(píng)，更得到了北京日?qǐng)?bào)的積極報(bào)道。圍繞整個(gè)勘測活動(dòng)拍攝制作的微視頻，代表北京市參加水利部組織的2019“守護(hù)美麗河湖--推動(dòng)河（湖）長制從‘有名’到‘有實(shí)’”全國微視頻公益大賽，獲得優(yōu)秀作品獎(jiǎng)，是北京市唯一獲得此獎(jiǎng)的作品。同時(shí)，微視頻在區(qū)內(nèi)相關(guān)職能部門、各學(xué)校的廣泛傳播，得到了一直好評(píng)，引導(dǎo)大眾關(guān)注科技、關(guān)注生態(tài)、關(guān)注河湖管理，形成了較好的示范作用。

五、結(jié)束語

青年一代有理想、有本領(lǐng)、有擔(dān)當(dāng)，科技就有前途，創(chuàng)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(yè)，給孩子們的夢(mèng)想插上科技的翅膀。筆者認(rèn)為，本活動(dòng)最大價(jià)值是給我區(qū)學(xué)生提供了一個(gè)走進(jìn)社會(huì)，真實(shí)服務(wù)社會(huì)生產(chǎn)生活的機(jī)會(huì)。學(xué)生們走出校園，走進(jìn)社會(huì)，利用所學(xué)回報(bào)養(yǎng)育自己的家鄉(xiāng)，尋水覓源，感受中華傳統(tǒng)文化的精神內(nèi)涵，有效提高文化認(rèn)同感，社會(huì)責(zé)任感，學(xué)習(xí)任何一項(xiàng)知識(shí)技能不僅僅是為了提高自己，更重要的是要回饋社會(huì)，報(bào)效祖國。人工智能等一系列科技教育應(yīng)該注重孩子價(jià)值觀的培養(yǎng)，要與文化緊密聯(lián)系，要讓學(xué)生牢記，學(xué)習(xí)的使命和擔(dān)當(dāng)。未來筆者將繼續(xù)依托區(qū)域水環(huán)境特色構(gòu)建人工智能特色實(shí)踐活動(dòng)，提升我區(qū)學(xué)生人工智能素養(yǎng)。并在實(shí)踐中不斷地實(shí)踐、研討、修改、完善。期望為促進(jìn)中小學(xué)開展人工智能教育略盡微薄之力。

作者：邱莉 張大光