K-12视野下的人工智能与机器人教育

1、K-12视野下的 人工智能与机器人教育K-12视野下的的人工智能能与机器人教教育AI的教教育应用用之分类类AI与机机器人教教育课程程基于标准准的机器器人竞赛赛课程关于AI&R课课程改革革的设想想面向K12的AI应用系统统案例AI的教育应应用之分类借鉴：“计算机机的教育育应用”3L分类（按应用对对象分类）：学习计算算机(Learn about computer)；用计算机机学习(Learn withcomputer)；从计算机机学习(Learn fromcomputer)。同理，“AI的教育应应用”3L分类：学习AI(Learn about AI)把AI作为学习习对象，内容包包括AI的基础知知识

2、、基基本技能能及其对对社会的的影响等等。用AI学习(Learn withAI)学生把AI技术与工工具作为为学习工工具，主主要包括括用AI来处理信信息。从AI学习(Learn fromAI)教师把AI作为一种种辅助的的教学工工具来辅辅助教学学、辅助助测试、辅助备备课、管管理教学学等工作作。面向k12的人工智能能的教育育应用研究框架架学人工智能能走进人工工智能的的神秘殿殿堂人工智能能与高中中人工智智能课程程人工智能能语言与与程序知识及其其表示人机博弈弈与智能能化搜索索推理技术术与专家家系统机器学习习与神经经网络机器翻译译与自然然语言处处理人工智能能的进一一步探索索用人工智能能用人工智智能技术术优化

3、教教学智能教学学系统概概述智能教学学系统的的结构与与技术智能教学学系统的的设计智能化答答疑系统统智能化教教育决策策支持系系统基于Web的智能化化教学系系统智能代理理技术的的教育应应用典型系统统实例分分析教人工智能能课程改革革视野中中的人工工智能人工智能能教育概概述高中人工工智能课课程的目目标与要要求人工智能能课程的的国际比比较人工智能能课程的的教学设设计人工智能能课程的的教学策策略人工智能能课程的的教学评评价教学平台台与教学学案例人工智能能教学存存在的问问题与对对策机器人教育机器人教教育与学学生创新新能力培培养机器人与与机器人人教育教育机器器人的构构成与原原理机器人课课程的目目标与教教学设计计

4、机器人课课堂教学学的实施施与评价价机器人竞竞赛的类类型与规规则机器人竞竞赛的辅辅导与组组织人工智能能技术与与智能机机器人机器人教教育存在在的问题题与对策策人工智能能课程研研究2020-03-015张剑平张张家华华 著人民教育育出版社社2009.6我们的工工作：2020-03-01多媒体技技术应用用 算法与程程序设计计数据管理理技术网络技术术应用人工智能能初步信息技术术基础必修（2学学分）选修（2+X学分）12345高中信息技术术课程中的的人工智智能选修修课我国教育育部在高高中信息技术术课程的标标准中，已经正正式将人人工智能能列入信信息技术术基础课课程并设设置了选选修模块块，它意意味着人人工智能

5、能教育在在普及层层面上进进入了一一个新的的阶段。2020-03-017高中AI&R课程目标标AI课程的总总目标：了解信息息技术发发展的前前沿，体验若干干典型人人工智能能技术的的应用，感受人工工智能对对学习和和生活的的影响，激发对信信息技术术未来的的追求。机器人课课程的目目标：知道单片片机和机机械传动动的基本本知识能设计与与制作(单片机和和传动机机械等组组成的)简易自动动控制机机器人或或简单的的自动控控制系统统。1、基本本概念能描述人人工智能能的概念念与基本本特点2、知识及其其表达列举人工工智能的的主要应应用领域域掌握知识识的概念念、知识识表达的的基本方方法3、推理与专专家系统统演示或使使用简单

6、单的产生生式专家家系统软软件知道专家家系统正正向、反反向推理理的基本本原理学会使用用一个简简易的专家系统统外壳4、人工工智能语语言与问问题求解解学会使用用一种人人工智能能语言求求解简单单问题了解状态态空间的的概念与与方法了解用盲目搜搜索技术术进行搜搜索，知知道启发发式搜索索2020-03-018高中AI课程：内内容标准准1.单片机及及其控制制程序（1）知道单单片机的的特点及及应用。（2）知道单单片机的的基本组组成及工工作过程程。（3）知道单单片机集集成电路路引脚的的功能。（4）了解一一种单片片机编程程语言，掌握一一种单片片机常用用的编程程指令。（5）学会用用指令编编制简单单控制的的程序，并能根

7、根据试验验进行修修正。（6）能操作作单片机机编程器器将编写写的程序序烧结固固化。2.单片机与与控制电电路（1）了解电电子控制制系统的的基本组组成，知知道单片片机是一一种使用用广泛的的控制电电路。（2）知道常常见的传传感器及及其作用用。（3）了解继继电器的的结构和和工作原原理，并并能掌握握简单的的使用方方法。（4）能用传传感器、单片机机和继电电器等安安装一个个简单控控制装置置，并进进行试验验。3.单片机与与传动机机械（1）知道一一般机械械的组成成，了解解常见的的机械传传动的方方式。（2）了解常常见齿轮轮传动的的特点、形式和和应用，会计算算简单的的齿轮传传动比。（3）能按照照装配图图样安装装简单的

8、的齿轮装装置，并并进行调调试。（4）了解常常见的连连杆传动动机构的的结构及及其应用用，能设设计和制制作简单单的连杆杆装置。（5）能设计计一个简简单的电电动机械械，并进进行安装装和调试试。（6）能设计计和制作作一个由由传感器器、单片片机、继继电器、电动机机和传动动机械等等组成的的简易机机器人或或简单的的自动控控制系统统，并能能通过试试验完成成23个规定的的动作。高中“简简易机器器人制作作”课程程标准机器人竞竞赛是机机器人课课堂教学学的一种种补充形形式目前情况况:竞赛游离离于课堂堂教学之之外。Igor Mverner(1999)研究了基基于竞赛赛的机器器人课程程RobinR.Murphy(2000

9、)提出将竞竞赛与课课程进行行整合机器人教教育研讨讨会美国TSA协会（Technology StudentAssociation）2006会议主题题：通过过使用以以标准为为基础的的机器人人竞赛评评价来加加强STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育提出以下下列标准准为基础础的，适适于高中中生的“机器人人竞赛课课程开发发框架美国国家家科学标标准（NSTA）技术素养养标准（ITEA）职业生涯涯标准(CCSS)国家数学学标准(NCTM）机器人课课程开发发:基于标准准的竞赛赛课程NSTA标准机器人课程内容机器人技能学生评价职业发展概念和过程的统一

10、标准系统，顺序和组织依据，模型和解释转变，恒定和测量演化和均衡形式和功能力，力矩，质量，加速度之间的关系预算（能量，时间）用各种齿轮比测量力矩车轮大小影响移动距离（车轮型号，组成，光滑度/多节，宽度，车轮的数量，动力与阻力）测量机器人爬坡停止时的角度机器人的大小和重量对性能的影响提高机器人的力矩和速度速度和能量是制约因素（先在平坦的球场实验然后放到有一定高度的斜坡或放置障碍物）使用齿轮箱提升物体(机器人所能举起的最大重量是多少)测量是评价改变后的效果和破坏程度的方式（例如，在螺丝被拧得更紧之前匹配测试的次数，是否需要有一个润滑油紧固件，以防松动）只有通过测量我们才能观察到变化机械和电能控制系统

11、搭建一个机器人或机器人的某部分并且平衡能量预算。通过齿轮箱来放大或减小马达的力矩，从而改变速度和传输给轮子的能量。运用不同的齿轮比来展示所引起的变化确定不同底盘设计的重心描述能量流动图和不同模件内/之间的力检查，拆卸和重装简单的机械装置并能描述各部分的作用。估测某部件的变动对整个系统的影响搭建一个机器人或机器人的某部分并平衡能量预算。创造各种机会用于理解和调查新的技术。运用跨学科的机会去理解事物的工作原理，通过系统分析设计解决问题的办法。初学者在考虑如何搭建一个完成的机器人的时候会感到困惑关注装置之间的交互可以使任务更容易处理。评估和理解设备之间如何交互需要机会去调查它们是如何操作和彼此影响的

12、科学探究标准进行科学探究的必备能力。对科学探究的理解在限定条件下，学生能够交流他们如何采用工程学的过程解决问题组装电子构件来控制操作的顺序。进行一次调查，收集证据，用公式阐述对初始问题的回答能够描述各模块，以及它们是如何组装在一起并相互作用从而完成任务的物理科学标准-物质的结构和属性-运动和能量-能量守恒-能量和物质转换光电效应电池，弹簧，重力，和装满空气的(压力，体积)设备中的能量 势能VS动能 运动，热以及摩擦产生的能量 能量在竞赛过程中是种受限制的资源远程控制的机器人 信号强度和变化频率能量守恒滑动摩擦：如双手摩擦生热 受约束的轴磨擦的积极效应。 6轮机器人：使用物理学的F(牵引)=F(

13、重量)，确定模型位置，因此Cg是在驱动轮上；理解什么是可再充电电池与消耗电池；提出改变能量供应的解决方法 ；理解光敏传感器的光电效应学生能够通过系统画出能量流程图 机器人来自轮子与地面相互作用的力=车轮的半径所传递的力矩Fr=Fm*N齿轮箱/r车轮运用光电效应预计和防止竞赛中的光线问题科学和技术标准 -技术设计的能力-对科学和技术的理解。设计过程 在限制性规则下完成主题任务。开发策略。发展概念以执行策略。 细节化模件以建构概念。融合了设计，费用，风险和收益 小组协作- 将来自于不同科学技术概念的思想整合到解决统一问题的过程中。头脑风暴的方式 讨论可选择的设计策略只要你有所期望，经常观察，总能找

14、到改变的方法。解释这些变化如何融进了机器人。 能够在小组协作中进行沟通并在设计模型中采纳工程学的过程。个人与社会视角中的科学标准-个人和群体的健康；人口增长；自然资源；环境质量；自然和人为引起的危险；处于地方、国家和全世界挑战中的科学和技术科技的创新性受驱于理解自然世界的欲望，而技术设计受驱于满足人类需求和解决人类问题的需要材料可能变化。反复弯曲的金属从有弹性转为可塑性。金属具疲劳性和不可靠性，塑料具有可塑性，玻璃具有易碎性，螺丝钉会松动，电池会消耗殆尽科学不只是存在的真理，更是一种工作模式。科学的历史与本质的标准-科学是人类的一种努力；科学的本质；科学史基本的机器人技术以及由于科学、技术的进

15、步，它们是如何随着更多系统和子系统的发展而发展的。随着技术的进步，对能源和能量运用进行比较和对比编程语言的发展如何给我们社会中的机器人提供更多的选择描述能量是如何转换成多种形式的并且为什么可再生能源在提高我们的环境中具有重要意义。以美国国国家科学学标准（NSTA）为基础础的机器器人竞赛赛课程开开发框架架1、特点（1）结合四四个标准准，为指指导高中中生学习习机器人人知识和和技能提提供了一一个宏观观的框架架。（2）充分利利用现代代信息技技术，整整合了机机器人教教育涉及及的多门门学科。（3）为学生生适应未未来社会会生存的的能力提提供了一一个清晰晰的远景景2、启示示（1）明确了了机器人人教育的的价值，

16、对机器器人产品品提出了了更高要要求。（2）为课程程整合及及学生能能力培养养都提供供了指导导。（3）作为竞竞赛课程程后，可可以部分分采用虚拟机器器人开展教学学。特点与启启示集中式（Pre-DefinedMorphology）机器人人积木式（Bricks）机器人人实体机器器人与学学生年龄龄阶段在选择教教育机器器人时，除了考考虑教学学需要，还要考考虑各个个阶段学学生使用用的机器器人应当当适应的的认知水水平。实体机器器人根据虚拟拟环境不不同，可可分二维维与三维维虚拟机机器人虚拟机器器人机器和场场景编辑辑界面机器人仿仿真器和和可视化化终端虚拟机器器人的教教育功能能（1）作为程程序设计计的教学学工具（2）

17、作为人人工智能能的学习习、科研研平台（3）作为竞竞技平台台虚拟机器器人平台台的优势势与局限限虚拟机器器人是纯纯软件环环境、投投入及维维护费用用低、便便于教学学管理等等。可开展实实体机器器人与虚虚拟机器器人结合合的教学学，发挥挥两者所所长。思路：机机器人教教育的“虚实结结合”教育机器器人所体体现的知知识的综综合性使使它不仅仅能成为为信息技技术教育育的载体体，也可可以成为为信息技技术与中中小学课课程整合合的载体体。义务教育育阶段：将机器人人教学与与“综合合实践活活动”、“信息息技术课课”有机机结合；高中阶段段：将教育机机器人与与“人工工智能初初步”、“算法法与程序序设计”、“简简易机器器人制作作”

18、、“电子控控制技术术”等技技术类课课程进行行结合。有条件的的学校：开设“人工智智能与机机器人”课程。通过虚拟拟与实体体机器人人相结合合开展机机器人教教育。思路：机机器人与与人工智智能课程程的结合合面向K12的AI应用系统统实例ALSE案例1：Z+Z智能教育育平台主要功能能：几何作图图画笔工具具；动态态几何逻逻辑构图图；函数作图图；多点点驱动生生成轨迹迹几何变换换动画跟踪踪符号运算算自动推理理课件制作作ALSE案例1：Z+Z智能教育育平台知识资源源库、智智能工具具箱、系系统工程程Z+Z：“为中中国基础础教育量量身定做做”ALSE案例-2：代数学习习软件Aplusix功能与特特点：题型：数值计计算

19、（Calculate）、扩展展和简化化（Expandand simplify）、因式式分解（Factor）、解方方程式（Solveequation）、解不不等式（Solveinequation）和解方方程组（Solvesystemofequation）。能判断解答步骤骤是否完完整，答答案是否否正确。每种题型型都有9个不同难度等级级，分成练练习（Training）和测验验（Test）两种活活动供选选择。能够记录学生的每每一解题题步骤，整个班班级的学学生答题题时间、正确率率、错误误步骤等等也将以以统计图图表呈现现。包括3个子程序：AplusixAdmin（管理员员）、AplusixEditor（教

20、师用用）和Aplusix（学生用用）。开发单位位法国JosephFourier大学网址址http:/aplusix.imag.fr/en功能能帮助学生生学习代代数学使用对象象12-16岁中学生生运行环境境Windows开发工具具Pascal语言主要技术术知识推理理技术ALSE案例2：代数学习习软件AplusixAplusixEditor（教师用用）用于编制制习题。可以有有两种类类型：代代数题（例如，“x58”）、以以文字或或图片格格式出现现的应用用题。学生答题题形式有有三种：教师没没有提示示，由学学生解答答；学生生根据提提示语一一步步解解题；填填空回答答。可以设定定习题的的目的：练习或或测验。

21、如果是是测验，则还需需设定测测验时间间等。代数学习习软件Aplusix（学生用用）练习（Training）习题来源源：习题题库；事事先由教教师编制制；学生生从课本本上自选选。红色叉表表示该步步有误，蓝色叉叉表示该该步不完完整。测验（Test）测验时间间30分钟，通通常10题。自我修正正（Self-correction）记录了刚刚才学生生的测试试过程，并对解解题步骤骤进行了了批改。观察报告告（Observation）记录了学学生的所所有活动动情况，还以统统计图表表的形式式呈现。ALSE案例3：适应性数数学学习习环境Activemath一个创新新的基于于web的适应性性数学学学习环境境。用于于指导

22、学学生自我我调节学学习过程程，可以以适应个个人知识识基础和和兴趣爱爱好、学学习目标标，有利利于学生生释放自自己的学学习潜力力。基本组成成：课程生成成器：运运用教育育学知识识，根据据学习者者的学习习目标，学习能能力，背背景和喜喜好自动动装配个个性化课课程。练习子系系统：诊诊断学生生的错误误，提供供反馈和和结构化化的指导导性策略略。模糊全文文检索工工具（可可与Google等等引擎同步）和概念念图认知知工具。ALSE案例3：适应性数数学学习习环境ActivemathActivemath当前的软软件：（1）微积分分学（DifferentialCalculus）（2）中学数数学：分分数（SchoolMa

23、thematics: Fractions）（3）统计学学（Statistics）（4）逻辑学学（Logic）（5）运筹学学（OperationResearch）（6）最优化化方法（OptimizationMethods）Activemath的访问问：作为一般般的用户户登录；创建个个人帐户户；作为为匿名用用户进入入。“最优化化”的例例子“分数”的例子子ALSE案例4：智能教学学口语对对话系统统ITSPOKE呈现问题学生输入（答案、问题、评论）对话记录ALSE案例4：智能教学学口语对对话系统统ITSPOKE系统结构构：学生的语音被被数字化化后送到到sphinx语音识别别引擎进进行句法法和语义义分析

24、；分析结结果以XML形式被送送到Why2；导师的文本输输出被发发送到Cepstral文本-语音转换换系统，并从情情感语音音数据库库中获得得语音的的情感特特征，把把转化的的结果通通过扬声声器或耳耳机发出出。应用实例例：AutoTutor，在网络络学习中中，利用用自然语语言引导导学生进进行会话话，追踪踪学生的的语音情情感，向向学生呈呈现问题题，给予予学生反反馈并识识别学生生的误解解。课题组完完成的相相关研究究成果立项课题题：浙江省哲哲学社会会科学规规划课题题：人工工智能教教育问题题研究内容与实实施（2006-2008）浙江省教教育规划划课题：在中学学开展人人工智能能教育的的研究与与实践（2004-

25、2006）中国教育育技术协协会信息息技术教教育专委委会重点点课题：中小学学人工智智能与机机器人教教育研究究（2006-2008）全国中小小学计算算机教研研中心课课题：高高中人工工智能教教育的研研究与实实施（2003-2004）浙江省留留学基金金委员会会课题：基于新新课程标标准的智智能型教教学平台台研制（2005-2006）全国教育育规划重重点课题题子课题题：普通通高中信息技术术课程标准准研制（2002）教材：张剑平主主编，高高中新课课标教材材人工智能能初步，教育科科学出版版社，2004张剑平主主编，人工智能能初步教学辅导导书，教育科科学出版版社，2004张剑平主主编，信息技术术教育：概观与与展

26、望，高等教教育出版版社，2003课程标准准（参编）：教育部制制订，普通高中中技术课课程标准准，人民教教育出版版社，2003.4教育部组组织编写写，技术课程程标准研研修（信信息技术术），高等教教育出版版社，2004.8技术课程程标准组组，技术课程程标准解解读，湖北教教育出版版社，2004.4学位论文文：张家华，高中人人工智能能课程及及其教学学问题研研究，浙浙江师大大硕士论论文，2006.5梁灵辉，“启智智”专家家系统工工具的设设计及其其教育应应用，浙浙江师大大教育硕硕士论文文，2007.5王益，STS教育视野野下的机机器人教教育问题题研究，浙江师师大硕士士论文，2007.11杜海琼，基于Prolog语言的高高中人工工智能课课程教学学探索，浙江师师大硕士士论文，2009.5张国民，虚拟机机器人在在中学教教育中的的应用研研究，浙浙江师大大硕士论论文，200