基于Arduino的人工智能课程：点燃学生问题解决能力的智慧引擎
作者： 杨蓉
在当今的数智化新时代，人工智能已成为推动社会进步和发展的关键动力，教育领域也迎来了前所未有的变革，如何培养具有创新思维和解决问题能力的青年人才，已成为当前教育界面临的重要课题。基于Arduino的人工智能课程以其独特的优势，为学生搭建了一个探索科技、实践创新的广阔平台。课程通过一系列精心设计的项目实践活动，让学生不仅能够掌握人工智能的基础知识和技能，还能够在面对真实问题时，灵活运用所学知识，提出并执行有效的解决方案。笔者从理论与实践两个层面深入探讨，分析基于Arduino的人工智能课程如何通过分阶段实践教学、开放式项目设计和跨学科合作，提升学生解决问题的能力。
一、基于Arduino的人工智能课程概述
（一）Arduino简介
Arduino作为一款开源的软硬件开发平台，以其简明的操作指令、直观的编程方法、易用性、开放的接口协议和丰富的教学资源，为中学生提供了一个探索人工智能领域的优质学习环境。这一环境极大地推动了学生在开源硬件项目和自主学习方面的能力提升。教师能够通过多样化的操作途径，运用富有趣味性的软硬件实验，向学生展示Arduino硬件的多功能应用，帮助学生有效克服了因算法和程序设计的枯燥性及学习难度带来的畏难情绪。再者，Arduino拥有丰富的外围模块和扩展接口，应用范围十分广泛，可以连接各种传感器、执行器、显示屏等，能够支持学生开发出多样化且极具趣味性的作品。将Arduino开源硬件融入教学实践，不仅能激发学生对人工智能的学习兴趣，还能在解决实际问题和设计创新作品的过程中，不断提升他们的创造力。
（二）人工智能课程中Arduino的应用现状
基于以上优势，Arduino在中小学人工智能课程，特别是在机器人制作和智能设备开发课程中，展现出了广泛的应用潜力，受到了一定的关注。但在将Arduino深度融合于教学中提升学生解决问题能力方面的实践与探索中，我们也面临着教师技术知识储备不足、课程评价体系不完善等问题，特别是在教学方法的创新方面还有待进一步深入。
（三）基于Arduino的人工智能课程特点
基于Arduino的人工智能课程以其独特的教学方式，在培养学生解决问题能力方面展现出了显著优势。在紧密结合了硬件实践与软件编程的课程中，学生可以通过亲手搭建电子系统、连接传感器和执行器等，深入体验从理论到实践的转化过程。同时，Arduino的开源特性为学生提供了丰富的资源和灵感，让他们能够快速实现创意作品，创新思维和自主学习能力都得到了大幅提升。此外，Arduino的低成本和便捷性降低了学习门槛，使得更多学生有机会参与实践，自由探索和尝试新想法，这有助于培养学生敢于尝试、勇于创新的精神。
在逻辑思维能力的培养方面，Arduino课程通过项目实践，逐步锻炼和强化学生的逻辑思维能力。在实践动手能力的提升方面，学生在设计项目和编程、搭建时，也能不断增强实际操作能力，养成面对问题时冷静思考、主动寻找解决办法的习惯。而且，在完成项目的过程中，学生需要运用计算机编程、电子电路、数学运算和物理原理等多学科知识，这也极大地培养了他们综合运用知识解决复杂问题的能力，为今后深入学习和从事相关领域的工作奠定了坚实的基础。
二、基于Arduino的人工智能课程提升学生解决问题能力的教学路径
（一）在课堂教学中激发学生解决问题的潜能
1.开设基础实践课程，引导学生掌握Arduino基础知识
学习之舟，扬帆于坚实的知识基础之上。在基于Arduino的人工智能课程中，我们在教学之初就着重于为学生打下坚实的理论基础，确保他们能够在学习之旅中稳步前行。
与常规的理论基础教学方法不同，本课程采用了一种渐进式的实践教学策略，旨在逐步深化学生对知识点的掌握。教师从基础出发，逐步引导学生通过亲身实践来深入理解并掌握各个知识要点。教师通过基础项目来巩固理论知识，将每个知识点都转化为一个微项目，使学生在相对独立而相互联系的项目中，既能学习新知识，又能复习和巩固旧知识。教师从“点亮一盏LED小灯”的简单实践开始，逐步引导学生认识Arduino的核心功能，再通过“呼吸灯”“数码管”“传感器”及“电机与舵机”等逐步提升难度的微项目，采用理论与实际相结合的教学方法，使学生在动手操作中循序渐进地掌握必要的基础知识。
同时，教师在教学过程中不断激发学生的创造力。例如，在教学“LED灯控制”的知识点时，我们设计了三个层次递进的教学微项目：“点亮一盏LED小灯”“呼吸灯”和“让我设计的灯会‘说话’”。每个项目都围绕核心知识点构建，确保教学内容具有递进性。在最后一个项目中，我们鼓励学生发挥自己的想象力，创造出独具特色的“会说话”的灯，这不仅锻炼了学生的创新思维，也强化了对知识的理解与应用。
如图1，从“呼吸灯”到其他复杂控制，这一系列体验不仅让学生感受到将Arduino应用于实践的乐趣，而且为后续复杂项目的设计奠定了坚实的知识基础。
2.进阶项目实践，让学生在复杂项目中解决实际问题
一旦学生掌握了Arduino的基础操作技能，教师便可引入一系列开放式项目，这些项目不设置固定答案，旨在鼓励学生将所学知识应用于现实问题的解决。在教学中，教师倡导自由思考，让学生根据自己的见解和创意，探索和挖掘新的解决方案。通过问题解决教学法，教师引导学生自主发现问题、深入分析，并鼓励他们不受传统束缚，大胆尝试各种可能的方法，最终找到解决方案，创造出独具匠心的作品。
近年来，课程以“身边的机器人”“协作式机器人”“社区服务机器人”和“智慧校园”等为主题，开展了一系列实践项目。这些项目充分激发了学生的创造力，引导他们独立设计并完成了如“智能垃圾处理机器人”“智能过桥米线上菜机器人”“智慧停车场引导系统”“智能鲜切花包装机器人”“智能发试卷机器人”“社区智慧药店抓中药机器人”和“未来书海领航员”等创新作品（如图2）。这些项目不仅提升了学生掌握技术的能力，也培养了他们解决现实问题的能力，为他们创新思维和实践技能的提升搭建了平台。
以“社区服务机器人”的实践项目为例，各学习小组从多元视角出发，展开了充满创意的设计工作。有的小组仅绘制了初步草图，有的则进一步制作了完整的功能性作品。例如，“智能过桥米线上菜机器人”的设计团队，到各商业区，从具有地方特色的过桥米线店汲取灵感，为这些店铺量身打造了既方便实用又充满创意的作品。与此同时，另一组学生针对疫情防控期间社区药店面临的无人抓药的难题，设计了“社区智慧药店抓中药机器人”。这一创新解决方案在疫情防控期间乃至后疫情时代，都有望在众多药店得到广泛应用。
Arduino平台的灵活性极大地激发了学生的想象力和创造力。在这种鼓励个性化和创新思维的课堂环境中，教师引导学生关注并解决身边的现实问题，从实际情境出发，深化对知识应用价值的理解，不仅培养了学生的批判性思维和问题解决能力，而且进一步激发了他们的创造力。学生利用资源和空间，发展和展现了自己独特的个性和才华。
（二）在跨学科团队协作中培养学生解决问题的能力
建立理论知识与实际问题之间的桥梁，是培养学生解决问题能力的有效途径之一。在项目团队中，教师的鼓励促使学生根据自己的兴趣和特长，形成跨学科的协作小组。这些团队汇聚了具备不同知识和能力的学生，他们共同参与多元化的项目研究和实践，通过充分的交流与合作，共同探索各种问题的解决方案。
在各小组组长的组织下，团队成员从各自擅长的学科视角出发思考和解决问题。他们将现有知识与新现象相结合，将单一学科的理论与其他学科的视角相融合，在集体智慧的汇聚中，从信息技术、数学、物理、化学、生物，甚至地理、历史等不同学科角度审视问题。在研究过程中，每个团队的设计愿景和最终作品都呈现出独特的个性。团队成员有的擅长编程，有的精于结构设计，有的善于视觉艺术，有的乐于文案撰写和宣传工作，每一位都有自己独立的任务和职责。他们取长补短，即相互依赖，又各自独立。
小组协作过程中，全体成员不断激发内在的创造力，孕育出一系列解决方案。这种跨学科的团队协作不仅促进了知识的综合运用，也锻炼了学生在多元文化背景下的沟通能力和团队精神，为他们的全面发展和解决问题能力的提升提供了优渥的土壤。
以“智能鲜切花包装机器人”设计团队为例，该团队由四位具有不同视角和知识背景的学生组成。面对这一挑战，他们共同确定了设计主题，并明确了作品所需的实现功能。在这一过程中，团队成员共同进行了现场调研，积极听取各方意见，表达自己的观点，并在有效的沟通和协作中逐步明确了设计任务，形成了切实可行的设计方案。随后，分工明确，两位成员负责结构设计，两位成员负责程序编写。通过实践操作，他们将所学理论知识应用于解决实际问题中，逐步提升自己的创新能力。同时，具有艺术设计才能的成员在整个制作过程中不断润色，为作品增添了美学价值。最后，由一位成员负责撰写设计报告，将团队的创意和成果以书面形式展现。在所有团队成员的共同努力下（如图3），一个具有实际应用价值的创新作品得以成功设计并制作完成。
（三）将竞赛作为提升学生问题解决能力的综合实践平台
竞赛不仅为学生提供了一个将理论知识应用于实践的环境，更是构建了一个激发创造力的竞技场。在这个平台上，学生可以运用他们所学的Arduino电子电路设计、机械结构设计和系统集成等硬件设计技能，结合计算机视觉、语音识别等编程知识，解决各种实际问题。竞赛经历不仅锻炼了学生的实践能力，也显著地增强了他们的自信心和团队合作精神。
在完成基于Arduino的人工智能课程初阶、中阶教学后，教师在进入高阶教学时，就会从能力出众的学生中选拔参赛者，针对不同认知水平的学生，培养他们的综合分析和问题解决能力，并根据竞赛的具体要求提供专业的项目指导，助力学生在竞赛中取得优异成绩。
竞赛同样为教师和学生提供了宝贵的反思机会。教师在带领学生参与各项人工智能竞赛后，通过反思不仅能回顾和总结比赛经验，更能深入地审视自己的教学方法和内容，识别并改进指导过程中的不足，以此优化教学策略，提升教学成效。教师也能更全面地了解学生，为他们量身定制更具针对性的个性化指导。
对学生来说，竞赛不仅是展示自己作品的舞台，也是与他人深入交流、相互启发的良机。学生能从其他参赛作品中汲取创作灵感，认识到自己在知识、技能和创意方面的不足，从而加深对知识的掌握，明确改进方向，更加有效地规划个人学习路径。
基于Arduino的人工智能课程为学生打开了探索科技创造的新天地。它不仅强调了实践与创新的核心地位，更超越了单纯的知识传授，激发了学生解决问题的潜能。这种教学模式是对传统教育的有益补充和积极创新，它能进一步突破传统教育的局限，为学生提供一个更为广阔的舞台，让他们的能力得到充分的展现，对于培养学生的创新精神和实践能力具有至关重要的作用。通过不懈的探索和深入的反思，我们相信这种教学模式将在当代乃至未来的教育领域中扮演更加关键的角色，为社会培养杰出的科技人才，为国家的科技进步作出更大的贡献。
【本文系中国自动化学会青少年人工智能创新后备人才培育工程项目“基于Arduino的高中人工智能课程设计与实施研究”（项目编号：HBRC-JKY-124）的阶段性成果】