K-12视野下的人工智能与机器人教育6671.pptx
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1、K-12K-12K-12K-12视野下的视野下的 人工智能人工智能人工智能人工智能与与机器人教育机器人教育机器人教育机器人教育K-12K-12K-12K-12视野下的视野下的视野下的视野下的 人工智能人工智能人工智能人工智能与与与与机器人教育机器人教育机器人教育机器人教育 AIAI的教育应用之分类的教育应用之分类 AI AI与机器人教育课程与机器人教育课程 基于标准的机器人竞赛课程基于标准的机器人竞赛课程 关于关于AI&RAI&R课程改革的设想课程改革的设想 面向面向K12K12的的AIAI应用系统案例应用系统案例AIAI的教育应用的教育应用之之之分类分类 借鉴:借鉴:“计算机的教育应用计算机
2、的教育应用”3 3L L分类分类(按应用对象分类):1.1.学习计算机学习计算机 (L L L Learn about computerearn about computer);2.2.用计算机学习用计算机学习(L L L Learn with computerearn with computer);3.3.从计算机学习从计算机学习(L L L Learn from computerearn from computer)。同理,同理,“AIAI的教育应用的教育应用”3L3L分类:分类:1.1.学习学习AIAI(L L L Learn about AI)earn about AI)把把AIAI作
3、为学习对象,内容包括作为学习对象,内容包括AIAI的基础知识、基本技能及其对社的基础知识、基本技能及其对社会的影响等。会的影响等。2.2.用用AIAI学习学习(L L L Learn with AI)earn with AI)学生把学生把AIAI技术与工具作为学习工具,主要包括用技术与工具作为学习工具,主要包括用AIAI来处理信息。来处理信息。3.3.从从AIAI学习学习(L L L Learn from AI)earn from AI)教师把教师把AIAI作为一种辅助的教学工具来辅助教学、辅助测试、辅助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。备课、管理教学等工作
4、。面向面向面向面向k12k12k12k12的的的的 人工智能的教育应用人工智能的教育应用人工智能的教育应用人工智能的教育应用 研究框架研究框架研究框架研究框架学学人工智能人工智能 走进人工智能的神秘殿堂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与高中人工智能课程人工智能语言与程序人工智能语言与程序知识及其表示知识及其表示人机博弈与智能化搜索人机博弈与智能化搜索推理技术与专家系统推理技术与专家系统机器学习与神经网络机器学习与神经网络机器翻译与自然语言处理机器翻译与自然语言处理人工智能的进一步探索人工智能的进一步探索 用用人工智能人工智能 用人工智能技术优化教学用人工智能技术优化教学
5、智能教学系统概述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结构与技术智能教学系统的设计智能教学系统的设计 智能化答疑系统智能化答疑系统智能化教育决策支持系统智能化教育决策支持系统基于基于WebWeb的智能化教学系统的智能化教学系统智能代理技术的教育应用智能代理技术的教育应用典型系统实例分析典型系统实例分析教教人工智能人工智能 课程改革视野中的人工智能课程改革视野中的人工智能人工智能教育概述人工智能教育概述 高中人工智能课程的目标与要求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国际比较人工智能课程的教学设计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
6、的教学策略人工智能课程的教学评价人工智能课程的教学评价 教学平台与教学案例教学平台与教学案例人工智能教学存在的问题与对策人工智能教学存在的问题与对策 机器人机器人教育教育 机器人教育与学生创新能力培养机器人教育与学生创新能力培养机器人与机器人教育机器人与机器人教育教育机器人的构成与原理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类型与规则机器人竞赛的辅导与组织机器人竞赛的辅导与组织人工智能技术与智能机器人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机器人教育存在的问题与对策
7、人工智能课程研究人工智能课程研究人工智能课程研究人工智能课程研究2023/3/132023/3/1355张剑平张剑平张剑平张剑平 张家华张家华张家华张家华 著著著著人民教育出版社人民教育出版社2009.62009.6我们的工作:我们的工作:2023/3/132023/3/13多多媒媒体体技技术术应应用用2023/3/132023/3/1377高中高中高中高中AI&RAI&R课程目标课程目标课程目标课程目标AIAI课程的总目标:课程的总目标:了解信息技术发展的前沿,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,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,感受人工智能
8、对学习和生活的影响,激发对信息技术未来的追求。激发对信息技术未来的追求。机器人课程的目标:机器人课程的目标:知道单片机和机械传动的基本知识知道单片机和机械传动的基本知识能设计与制作能设计与制作(单片机和传动机械等组成的单片机和传动机械等组成的)简易自动简易自动控制机器人或简单的自动控制系统。控制机器人或简单的自动控制系统。1 1、基本概念、基本概念能描述人工智能的概念与基本特点能描述人工智能的概念与基本特点2 2、知识及其表达知识及其表达 列举人工智能的主要应用领域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掌握知识的概念、知识表达的基本方法3 3、推理与专家系统推理与专家系统
9、 演示或使用简单的产生式专家系统软件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学会使用一个简易的专家系统外壳专家系统外壳4 4、人工智能语言与问题求解、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状态空间的概念与方法 了解了解用盲目搜索技术进行搜索,知道启发式搜索用盲目搜索技术进行搜索,知道启发式搜索2023/3/132023/3/1388高中高中AIAI课程:内容标准课程:内容标准1.1.单片机及其控制程序单片机及其控制程序(
10、1 1)知道单片机的特点及应用。)知道单片机的特点及应用。(2 2)知道单片机的基本组成及工作过程。)知道单片机的基本组成及工作过程。(3 3)知道单片机集成电路引脚的功能。)知道单片机集成电路引脚的功能。(4 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。)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 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。)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 6)能操作单片机编程器将编写的程序烧结固化。)能操作单片机编程器将编写的程序烧结固化。2.2.单片机与控制电路单片机与控制电路(1 1)了解电子控制系统
11、的基本组成,知道单片机是一种使用广泛的控制电路。)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 2)知道常见的传感器及其作用。)知道常见的传感器及其作用。(3 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。)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 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。)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。3.3.单片机与传动机械单片机与传动机械(1 1)知道一般机械的组成,了解常见的机械传动的方式。)知道一般机械的组成,了解常见的机械传动的方式。(2 2)了解常见齿轮传动
12、的特点、形式和应用,会计算简单的齿轮传动比。)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 3)能按照装配图样安装简单的齿轮装置,并进行调试。)能按照装配图样安装简单的齿轮装置,并进行调试。(4 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。)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 5)能设计一个简单的电动机械,并进行安装和调试。)能设计一个简单的电动机械,并进行安装和调试。(6 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)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
13、易机器人或简单的自动控制系统,并能通过试验完成简易机器人或简单的自动控制系统,并能通过试验完成2 23 3个规定的动作。个规定的动作。高中高中高中高中“简易机器人制作简易机器人制作简易机器人制作简易机器人制作”课程标准课程标准课程标准课程标准机器人竞赛是机器人课堂教学的一种补充形式机器人竞赛是机器人课堂教学的一种补充形式目前情况目前情况:竞赛游离于课堂教学之外。竞赛游离于课堂教学之外。Igor Mverner(1999)Igor Mverner(1999)研究了基于竞赛的机器人课程研究了基于竞赛的机器人课程Robin R.Murphy(2000)Robin R.Murphy(2000)提出将竞
14、赛与课程进行整合提出将竞赛与课程进行整合机器人教育研讨会机器人教育研讨会美国美国TSATSA协会协会(Technology Student AssociationTechnology Student Association)20062006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STEMSTEM(ScienceScience,TechnologyTechnology,EngineeringEngineering,MathematicsMathematics)教育教育提出以下列标准为基础的,适于高中生的提出以下列标准为基础的,适于高
15、中生的“机器人竞赛课机器人竞赛课程开发框架程开发框架美国国家科学标准(美国国家科学标准(NSTANSTA)技术素养标准(技术素养标准(ITEAITEA)职业生涯标准职业生涯标准(CCSS)(CCSS)国家数学标准国家数学标准(NCTM(NCTM)机器人课程开发机器人课程开发机器人课程开发机器人课程开发:基于标准的竞赛课程基于标准的竞赛课程基于标准的竞赛课程基于标准的竞赛课程NSTANSTA标准准机器人机器人课程内容程内容机器人技能机器人技能学生学生评价价职业发展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,
16、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
17、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
18、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
19、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
20、-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
21、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(以美国国家科学标准(NSTANSTA)为基础的机器人竞赛课程开发框架)为基础的机器人竞赛课程开发框架1 1、特点、特点(1 1)结合四个标准,为指导高中生学习机器人知识和技能提)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。供了一个宏观的框架。(2 2)充分利用现代信息技术,整合了机器人教育涉及的多门)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。学科。(3 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)为学生适应未来社会生存的能力提供
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