K-12视野下的人工智能与机器人教育

K-12视野下的

人工智能与机器人教育K-12视野下的

人工智能与机器人教育

AI的教育应用之分类AI与机器人教育课程

基于标准的机器人竞赛课程关于AI&R课程改革的设想面向K12的AI应用系统案例AI的教育应用之分类借鉴：“计算机的教育应用”3L分类（按应用对象分类）：学习计算机(Learnaboutcomputer)；用计算机学习(Learnwithcomputer)；从计算机学习(Learnfromcomputer)。

同理，“AI的教育应用”3L分类：学习AI(LearnaboutAI)

把AI作为学习对象，内容包括AI的基础知识、基本技能及其对社会的影响等。用AI学习(LearnwithAI)

学生把AI技术与工具作为学习工具，主要包括用AI来处理信息。从AI学习(LearnfromAI)

教师把AI作为一种辅助的教学工具来辅助教学、辅助测试、辅助备课、管理教学等工作。面向k12的人工智能的教育应用研究框架学人工智能走进人工智能的神秘殿堂人工智能与高中人工智能课程人工智能语言与程序知识及其表示人机博弈与智能化搜索推理技术与专家系统机器学习与神经网络机器翻译与自然语言处理人工智能的进一步探索用人工智能

用人工智能技术优化教学智能教学系统概述智能教学系统的结构与技术智能教学系统的设计智能化答疑系统智能化教育决策支持系统基于Web的智能化教学系统智能代理技术的教育应用典型系统实例分析教人工智能

课程改革视野中的人工智能人工智能教育概述高中人工智能课程的目标与要求人工智能课程的国际比较人工智能课程的教学设计人工智能课程的教学策略人工智能课程的教学评价教学平台与教学案例人工智能教学存在的问题与对策机器人教育

机器人教育与学生创新能力培养机器人与机器人教育教育机器人的构成与原理机器人课程的目标与教学设计机器人课堂教学的实施与评价机器人竞赛的类型与规则机器人竞赛的辅导与组织人工智能技术与智能机器人机器人教育存在的问题与对策人工智能课程研究2022/11/135张剑平张家华著人民教育出版社2009.6我们的工作：2022/11/13多媒体技术应用

算法与程序设计数据管理技术网络技术应用人工智能初步

信息技术基础必修

（2学分）选修

（2+X学分）12345高中《信息技术》课程中的人工智能选修课

我国教育部在高中《信息技术》课程的标准中，已经正式将人工智能列入信息技术基础课程并设置了选修模块，它意味着人工智能教育在普及层面上进入了一个新的阶段。2022/11/137高中AI&R课程目标AI课程的总目标：了解信息技术发展的前沿，体验若干典型人工智能技术的应用，感受人工智能对学习和生活的影响，激发对信息技术未来的追求。机器人课程的目标：知道单片机和机械传动的基本知识能设计与制作(单片机和传动机械等组成的)简易自动控制机器人或简单的自动控制系统。1、基本概念能描述人工智能的概念与基本特点2、知识及其表达列举人工智能的主要应用领域掌握知识的概念、知识表达的基本方法3、推理与专家系统

演示或使用简单的产生式专家系统软件知道专家系统正向、反向推理的基本原理学会使用一个简易的专家系统外壳4、人工智能语言与问题求解

学会使用一种人工智能语言求解简单问题了解状态空间的概念与方法了解用盲目搜索技术进行搜索，知道启发式搜索2022/11/138高中AI课程：内容标准1.单片机及其控制程序（1）知道单片机的特点及应用。（2）知道单片机的基本组成及工作过程。（3）知道单片机集成电路引脚的功能。（4）了解一种单片机编程语言，掌握一种单片机常用的编程指令。（5）学会用指令编制简单控制的程序，并能根据试验进行修正。（6）能操作单片机编程器将编写的程序烧结固化。2.单片机与控制电路（1）了解电子控制系统的基本组成，知道单片机是一种使用广泛的控制电路。（2）知道常见的传感器及其作用。（3）了解继电器的结构和工作原理，并能掌握简单的使用方法。（4）能用传感器、单片机和继电器等安装一个简单控制装置，并进行试验。3.单片机与传动机械（1）知道一般机械的组成，了解常见的机械传动的方式。（2）了解常见齿轮传动的特点、形式和应用，会计算简单的齿轮传动比。（3）能按照装配图样安装简单的齿轮装置，并进行调试。（4）了解常见的连杆传动机构的结构及其应用，能设计和制作简单的连杆装置。（5）能设计一个简单的电动机械，并进行安装和调试。（6）能设计和制作一个由传感器、单片机、继电器、电动机和传动机械等组成的简易机器人或简单的自动控制系统，并能通过试验完成2～3个规定的动作。高中“简易机器人制作”课程标准机器人竞赛是机器人课堂教学的一种补充形式目前情况:竞赛游离于课堂教学之外。IgorMverner(1999)研究了基于竞赛的机器人课程RobinR.Murphy(2000)提出将竞赛与课程进行整合机器人教育研讨会——美国TSA协会（TechnologyStudentAssociation）2006会议主题：通过使用以标准为基础的机器人竞赛评价来加强STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育提出以下列标准为基础的，适于高中生的“机器人竞赛课程开发框架美国国家科学标准（NSTA）技术素养标准（ITEA）职业生涯标准(CCSS)国家数学标准(NCTM）机器人课程开发:基于标准的竞赛课程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·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·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(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。以美国国家科学标准（NSTA）为基础的机器人竞赛课程开发框架1、特点（1）结合四个标准，为指导高中生学习机器人知识和技能提供了一个宏观的框架。（2）充分利用现代信息技术，整合了机器人教育涉及的多门学科。（3）为学生适应未来社会生存的能力提供了一个清晰的远景2、启示（1）明确了机器人教育的价值，对机器人产品提出了更高要求。（2）为课程整合及学生能力培养都提供了指导。（3）作为竞赛课程后，可以部分采用虚拟机器人开展教学。特点与启示集中式（Pre-DefinedMorphology）机器人积木式（Bricks）机器人实体机器人与学生年龄阶段在选择教育机器人时，除了考虑教学需要，还要考虑各个阶段学生使用的机器人应当适应的认知水平。实体机器人根据虚拟环境不同，可分二维与三维虚拟机器人虚拟机器人机器和场景编辑界面机器人仿真器和可视化终端虚拟机器人的教育功能（1）作为程序设计的教学工具（2）作为人工智能的学习、科研平台（3）作为竞技平台虚拟机器人平台的优势与局限虚拟机器人是纯软件环境、投入及维护费用低、便于教学管理等。

可开展实体机器人与虚拟机器人结合的教学，发挥两者所长。思路：机器人教育的“虚实结合”教育机器人所体现的知识的综合性使它不仅能成为信息技术教育的载体，也可以成为信息技术与中小学课程整合的载体。义务教育阶段：将机器人教学与“综合实践活动”、“信息技术课”有机结合；高中阶段：将教育机器人与“人工智能初步”、“算法与程序设计”、“简易机器人制作”、“电子控制技术”等技术类课程进行结合。有条件的学校：开设“人工智能与机器人”课程。通过虚拟与实体机器人相结合开展机器人教育。思路：机器人与人工智能课程的结合面向K12的AI应用系统实例

ALSE案例1：Z+Z智能教育平台主要功能：几何作图画笔工具；动态几何逻辑构图；

函数作图；多点驱动生成轨迹几何变换动画跟踪符号运算自动推理课件制作开发广州景中教育软件有限公司网址http://

内容涵盖初中、高中所有新课程数学教材环境WindowsALSE案例1：Z+Z智能教育平台知识资源库、智能工具箱、系统工程Z+Z：“为中国基础教育量身定做”ALSE案例-2：代数学习软件Aplusix功能与特点：题型：数值计算（Calculate）、扩展和简化（Expandandsimplify）、因式分解（Factor）、解方程式（Solveequation）、解不等式（Solveinequation）和解方程组（Solvesystemofequation）。能判断解答步骤是否完整，答案是否正确。每种题型都有9个不同难度等级，分成练习（Training）和测验（Test）两种活动供选择。能够记录学生的每一解题步骤，整个班级的学生答题时间、正确率、错误步骤等也将以统计图表呈现。包括3个子程序：AplusixAdmin（管理员）、AplusixEditor（教师用）和

Aplusix（学生用）。开发单位法国JosephFourier大学网址http://aplusix.imag.fr/en

功能帮助学生学习代数学使用对象12-16岁中学生运行环境Windows开发工具Pascal语言主要技术知识推理技术ALSE案例2：代数学习软件AplusixAplusixEditor（教师用）用于编制习题。可以有两种类型：代数题（例如，“x＋5＝8”）、以文字或图片格式出现的应用题。学生答题形式有三种：教师没有提示，由学生解答；学生根据提示语一步步解题；填空回答。可以设定习题的目的：练习或测验。如果是测验，则还需设定测验时间等。代数学习软件Aplusix（学生用）练习（Training）习题来源：习题库；事先由教师编制；学生从课本上自选。红色叉表示该步有误，蓝色叉表示该步不完整。测验（Test）测验时间30分钟，通常10题。自我修正（Self-correction）记录了刚才学生的测试过程，并对解题步骤进行了批改。观察报告（Observation）记录了学生的所有活动情况，还以统计图表的形式呈现。ALSE案例3：适应性数学学习环境Activemath一个创新的基于web的适应性数学学习环境。用于指导学生自我调节学习过程，可以适应个人知识基础和兴趣爱好、学习目标，有利于学生释放自己的学习潜力。基本组成：课程生成器：运用教育学知识，根据学习者的学习目标，学习能力，背景和喜好自动装配个性化课程。练习子系统：诊断学生的错误，提供反馈和结构化的指导性策略。模糊全文检索工具（可与Google等引擎同步）和概念图认知工具。开发单位DFKI&UniversityofSaarland,German网址

http://www.A

功能

用户适应性数学学习使用对象

不同程度的数学学习者运行环境

IE6.0以上开发工具Java主要技术

语义知识表示、用户模型、教育数据挖掘、

自然语言处理ALSE案例3：适应性数学学习环境ActivemathActivemath当前的软件：（1）微积分学（DifferentialCalculus）（2）中学数学：分数（SchoolMathematics:Fractions）（3）统计学（Statistics）（4）逻辑学（Logic）

（5）运筹学（OperationResearch）

（6）最优化方法（OptimizationMethods）Activemath的访问：作为一般的用户登录；创建个人帐户；作为匿名用户进入。“最优化”的例子“分数”的例子ALSE案例4：智能教学口语对话系统ITSPOKE软件名称ITSPOKE：AnIntelligentTutoringSpokenDialogueSystem开发单位ComputerScienceDepartmentLearningResearch&DevelopmentCenter，UniversityofPittsburgh，USA

网

址/~litman/itspoke.html功

能基于经验的自然语言语音识别，避免学生语音情感的丢失。开发工具why2（一种基于图集文本的教学系统）主要技术语音情感识别技术呈现问题学生输入（答案、问题、评论）对话记录ALSE案例4：智能教学口语对话系统ITSPOKE系统结构：

学生的语音被数字化后送到sphinx语音识别引擎进行句法和语义分析；分析结果以XML形式被送到Why2；导师的文本输出被发送到Cepstral文本-语音转换系统，并从情感语音数据库中获得语音的情感特征，把转化的结果通过扬声器或耳机发出。应用实例：

AutoTutor，在网络学习中，利用自然语言引导学生进行会话，追踪学生的语音情感，向学生呈现问题，给予学生反馈并识别学生的误解。课题组完成的相关研究成果立项课题：·浙江省哲学社会科学规划课题：人工智能教育问题研究——内容与实施（2006-2008）·浙江省教育规划课题：在中学开展人工智能教育的研究与实践（2004-2006）·中国教育技术协会信息技术教育专委会重点课题：中小学人工智能与机器人教育研究（2006-2008）

·全国中小学计算机教研中心课题：高中人工智能教育的研究与实施（2003-2004）

·浙江省留学基金委员会课题：基于新课程标准的智能型教学平台研制（2005-2006）·全国教育规划重点课题子课题：普通高中《信息技术》课程标准研制（2002）教材：·张剑平主编，高中新课标教材《人工智能初步》，教育科学出版社，2004·张剑平主编，《人工智能初步·教学辅导书》，教育科学出版社，2004·张剑平主编，《信息技术教育：概观与展望》，高等教育出版社，2003

课程标准（参编）：·教育部制订，《普通高中技术课程标准》，人民教育出版社，2003.4·教育部组织编写，《技术课程标准研修（信息技术）》，高等教育出版社，2004.8·技术课程标准组，《技术课程标准解读》，湖北教育出版社，2004.4学位论文：·张家华，高中人工智能课程及其教学问题研究，浙江师大硕士论文，2006.5·梁灵辉，“启智”专家系统工具的设计及其教育应用，浙江师大教育硕士论文，2007.5·王

益，STS教育视野下的机器人教育问题研究，浙江师大硕士论文，2007.11·杜海琼，基于