通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)創(chuàng)新小學(xué)人工智能教學(xué)方式

郝君

隨著科技的發(fā)展，人類(lèi)已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，當(dāng)前，我國(guó)人工智能的發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視并大力支持發(fā)展人工智能。習(xí)近平總書(shū)記在黨的十九大、2018年兩院院士大會(huì)、全國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作會(huì)議、十九屆中央政治局第九次集體學(xué)習(xí)等場(chǎng)合多次強(qiáng)調(diào)要加快推進(jìn)新一代人工智能的發(fā)展。2017年國(guó)務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，將新一代人工智能放在國(guó)家戰(zhàn)略層面進(jìn)行部署。要發(fā)展人工智能，應(yīng)該從義務(wù)教育階段，尤其是小學(xué)階段，就要讓學(xué)生了解人工智能，因?yàn)樗麄冋硖幵谌斯ぶ悄馨l(fā)展的大環(huán)境下。

研究背景與學(xué)情分析

本課選自《小學(xué)人工智能基礎(chǔ)》上冊(cè)第二單元《知識(shí)表示與推理》，是本單元的起始課。人類(lèi)智能的進(jìn)化與知識(shí)的學(xué)習(xí)密切相關(guān)，如幼兒在3歲左右詞匯量快速增加并逐漸接近成年人的說(shuō)話(huà)方式，兒童在4歲左右語(yǔ)言已具有一定的邏輯性、在5歲左右可以根據(jù)討論的話(huà)題表達(dá)自己的見(jiàn)解。機(jī)器是怎樣擁有知識(shí)并像人類(lèi)一樣利用知識(shí)進(jìn)行思考的呢？《知識(shí)表示與推理》就是讓學(xué)生去體驗(yàn)從機(jī)器到智能的過(guò)程。本課作為單元起始課，以二進(jìn)制這一計(jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的數(shù)制為主要內(nèi)容，引領(lǐng)學(xué)生從最簡(jiǎn)單的“0”和“1”開(kāi)始，逐步了解人工智能領(lǐng)域機(jī)器表示信息的方法。

在課前調(diào)查中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生們思維活躍，對(duì)學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)內(nèi)容有著極高的熱情與渴望，愿意思考并嘗試用多種方式解決問(wèn)題。在第一單元《走進(jìn)人工智能》的學(xué)習(xí)中，他們已經(jīng)了解了什么是人工智能，體驗(yàn)了典型的人工智能產(chǎn)品。在已有的數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)方面，他們對(duì)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)及進(jìn)位方法掌握的極好，但對(duì)于二進(jìn)制的相關(guān)內(nèi)容沒(méi)有認(rèn)知。

實(shí)踐活動(dòng)是從學(xué)生的真實(shí)生活和發(fā)展需要出發(fā)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生親身經(jīng)歷各項(xiàng)活動(dòng)，在動(dòng)手做、實(shí)驗(yàn)、探究的過(guò)程中進(jìn)行體驗(yàn)。著名心理學(xué)家皮亞杰指出：“真正的學(xué)習(xí)不是由教師傳給兒童，而是出自?xún)和旧恚@是一個(gè)主動(dòng)的發(fā)展過(guò)程。”教師通過(guò)多種途徑喚醒學(xué)生的自主意識(shí)，啟發(fā)學(xué)生從被動(dòng)接受學(xué)習(xí)中走出來(lái)，引導(dǎo)他們積極思索，自主實(shí)踐，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，生動(dòng)活潑地健康發(fā)展。本課利用學(xué)生已有的數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)和信息技術(shù)，將任務(wù)與情境相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在觀察、實(shí)踐中認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)。

本課的學(xué)習(xí)目標(biāo)有以下幾項(xiàng)：認(rèn)識(shí)二進(jìn)制數(shù)，知道計(jì)算機(jī)中主要用的數(shù)制是二進(jìn)制;通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)，體驗(yàn)二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換;使用圖特板，體驗(yàn)用二進(jìn)制表示信息的方法。教學(xué)重點(diǎn)在于認(rèn)識(shí)二進(jìn)制數(shù)并能夠體驗(yàn)用二進(jìn)制表示信息的方法，而教學(xué)難點(diǎn)是能夠進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換。

課程實(shí)踐探索

本課的學(xué)習(xí)方式以學(xué)生在教師指導(dǎo)下開(kāi)展的實(shí)踐活動(dòng)為主。針對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容，教師設(shè)計(jì)了不同主題的實(shí)踐活動(dòng)——認(rèn)一認(rèn)、擺一擺、數(shù)一數(shù)、動(dòng)一動(dòng)、看一看、做一做，力求將略顯枯燥的資料性、概念性知識(shí)融入活動(dòng)中，使學(xué)生在活動(dòng)體驗(yàn)中逐步認(rèn)識(shí)二進(jìn)制數(shù)并能夠體驗(yàn)用二進(jìn)制表示信息的方法，能夠進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換。

1.認(rèn)一認(rèn)，了解0和1

教師出示教具并對(duì)學(xué)生提問(wèn)：你認(rèn)識(shí)這個(gè)符號(hào)嗎？你在哪里見(jiàn)過(guò)它？如圖1。學(xué)生會(huì)很快地回答是“開(kāi)關(guān)”符號(hào)，在電腦、電視機(jī)等一些家用電器上見(jiàn)過(guò)。教師提問(wèn)并板貼：請(qǐng)你仔細(xì)觀察，這個(gè)開(kāi)關(guān)符號(hào)是由哪兩個(gè)數(shù)字組成的呢？教師用自制的教具將“開(kāi)關(guān)”符號(hào)分解成0和1。學(xué)生們都恍然大悟，其實(shí)開(kāi)關(guān)符號(hào)是由0和1組成。

圖1 開(kāi)關(guān)教具及分解圖示

接下來(lái)，教師將分好的0和1教具貼在黑板上，繼續(xù)提問(wèn)：生活中有很多像這樣表示兩種相對(duì)狀態(tài)的事物，你能說(shuō)一說(shuō)嗎？這個(gè)時(shí)候?qū)W生回答一個(gè)就在教具0和1下面對(duì)應(yīng)書(shū)寫(xiě)板書(shū)。學(xué)生們回答完畢后，教師拿出兩張卡牌問(wèn)學(xué)生紙牌的正面和反面可以用0和1表示嗎？請(qǐng)學(xué)生代表上臺(tái)前擺好。

教師總結(jié)，像這樣兩種狀態(tài)的事物，都可以用0和1來(lái)表示。從生活實(shí)際出發(fā)，讓學(xué)生了解身邊的0和1。

2.擺一擺，初識(shí)二進(jìn)制

教師拿出一套大的卡牌在黑板上演示。如圖2。

圖2 卡牌演示圖

請(qǐng)學(xué)生結(jié)合以往的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，說(shuō)出反過(guò)來(lái)的卡牌應(yīng)該是幾點(diǎn)。學(xué)生很容易說(shuō)出是8點(diǎn)，因?yàn)樗麄冋业揭?guī)律，相鄰兩張卡牌的點(diǎn)數(shù)左邊是右邊的2倍。運(yùn)用已有的數(shù)學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題。翻過(guò)卡牌學(xué)生觀察從左到右卡牌上的點(diǎn)數(shù)是從大到小的規(guī)律。

教師邀請(qǐng)學(xué)生共同玩一個(gè)游戲：每位學(xué)生拿出一套小卡牌，自己先在課桌上按照教師演示的順序從左到右依卡牌上的點(diǎn)數(shù)從大到小的規(guī)律擺好卡牌。教師出示一個(gè)數(shù)字（十進(jìn)制數(shù)），請(qǐng)你快速地用所有朝上的卡牌點(diǎn)數(shù)之和將數(shù)字表示出來(lái)。并注意卡牌順序不能改變，不用的卡牌請(qǐng)反過(guò)來(lái)，不要拿走。如教師出示22這個(gè)數(shù)，請(qǐng)學(xué)生操作。

教師請(qǐng)擺得快的學(xué)生在黑板上擺好大卡牌。學(xué)生們都擺完后，教師和學(xué)生交流，你能用0和1來(lái)表示現(xiàn)在卡牌的狀態(tài)嗎？教師用手指向剛才的板書(shū)來(lái)提示學(xué)生。很快學(xué)生可以說(shuō)出正面的卡牌用1表示，反面的卡牌用0表示。教師和學(xué)生一起在卡牌下面標(biāo)注上0和1，如圖3。

圖3? 22的十進(jìn)制和二進(jìn)制表示

通過(guò)卡牌游戲，學(xué)生感受用兩種狀態(tài)組成的序列來(lái)表示一個(gè)數(shù)字，一個(gè)數(shù)既可以用十進(jìn)制表示，也可以用二進(jìn)制表示，從而引出二進(jìn)制數(shù)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)借助卡牌直接將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的方法。

3.數(shù)一數(shù)，熟悉二進(jìn)制

教師拿出兩個(gè)計(jì)數(shù)器請(qǐng)學(xué)生們觀察：你認(rèn)識(shí)它們嗎？你能說(shuō)說(shuō)它倆的區(qū)別嗎？

圖4 十進(jìn)制與二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

學(xué)生對(duì)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器很熟悉，看到旁邊的計(jì)數(shù)器很容易判斷出是二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，二進(jìn)制計(jì)數(shù)器每個(gè)數(shù)位上只有兩粒算珠，而且數(shù)位是1? 2? 4? 8? 16。

教師請(qǐng)一位學(xué)生上前來(lái)?yè)苡?jì)數(shù)器，其他學(xué)生來(lái)數(shù)。最后師生共同推理并小結(jié)：十進(jìn)制計(jì)數(shù)法是“每相鄰的兩個(gè)計(jì)數(shù)單位之間的進(jìn)率都為十”的計(jì)數(shù)法則，逢十進(jìn)一。二進(jìn)制計(jì)數(shù)法是“每相鄰的兩個(gè)計(jì)數(shù)單位之間的進(jìn)率都為二”的計(jì)數(shù)法則，逢二進(jìn)一。通過(guò)活動(dòng)，推理出二進(jìn)制的進(jìn)位規(guī)則。

4.動(dòng)一動(dòng)，體驗(yàn)二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)。請(qǐng)每個(gè)小組討論用什么姿勢(shì)表示0和1，并確定自己組要展示的十進(jìn)制數(shù)，全組共同將這個(gè)十進(jìn)制數(shù)用二進(jìn)制表示出來(lái)。有的組用“蹲-站”的方式體驗(yàn)十進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換，有的組用正反面來(lái)表示。然后請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)前來(lái)展示。學(xué)生展示時(shí)出現(xiàn)了鏡像問(wèn)題，教師即時(shí)引導(dǎo)說(shuō)明表演要以觀眾的視角來(lái)看，所以請(qǐng)展示的學(xué)生用鏡像的方式面對(duì)臺(tái)下的學(xué)生。臺(tái)下的學(xué)生通過(guò)轉(zhuǎn)換猜出展示的數(shù)十進(jìn)制是哪個(gè)數(shù)字。分組展示時(shí)還可以增加難度，請(qǐng)臺(tái)下的學(xué)生出示十進(jìn)制數(shù)，臺(tái)上的學(xué)生轉(zhuǎn)換后用二進(jìn)制數(shù)表示出來(lái)。因?yàn)槊總€(gè)組的人數(shù)有限，所以要求臺(tái)下的學(xué)生考慮到這個(gè)數(shù)在轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)時(shí)的位數(shù)。通過(guò)活動(dòng)，學(xué)生充分體驗(yàn)二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。

5.看一看，了解計(jì)算機(jī)與二進(jìn)制的關(guān)系

認(rèn)識(shí)了二進(jìn)制，掌握了二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，接下來(lái)我們會(huì)進(jìn)入到看一看的環(huán)節(jié)。在這個(gè)環(huán)節(jié)，教師給學(xué)生出示一系列早期計(jì)算機(jī)的圖片視頻，帶領(lǐng)學(xué)生回歸到計(jì)算機(jī)發(fā)明之初，了解計(jì)算機(jī)中主要使用的數(shù)制就是二進(jìn)制。通過(guò)觀看視頻和圖片，讓學(xué)生了解早期計(jì)算機(jī)的工作原理及計(jì)算機(jī)與二進(jìn)制的關(guān)系。

6.做一做，通過(guò)智能工具體驗(yàn)二進(jìn)制傳遞信息

至此本課的教學(xué)重點(diǎn)得到了落實(shí)，教學(xué)難點(diǎn)也得到了突破，通過(guò)前期的活動(dòng)學(xué)生們認(rèn)識(shí)了二進(jìn)制，知道計(jì)算機(jī)中主要用的數(shù)制是二進(jìn)制，那么從機(jī)器轉(zhuǎn)化到智能如何來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？在這節(jié)課最后，教師向?qū)W生介紹在學(xué)習(xí)人工智能時(shí)經(jīng)常會(huì)使用的圖特板，帶領(lǐng)學(xué)生初次嘗試使用圖特板來(lái)體現(xiàn)0和1的表示。在操作之前教師提出要求：每人一板;A鍵0，B鍵1，嘗試使用圖特板，用二進(jìn)制的方式表示一個(gè)你想要傳遞的數(shù)字信息，如自己的年齡、班級(jí)的人數(shù)等。學(xué)生開(kāi)始進(jìn)行實(shí)踐操作，教師加強(qiáng)巡視、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)。在圖特板進(jìn)行表示的時(shí)候教師弱化了編程環(huán)節(jié)，固定了用A鍵表示0，B鍵表示1，只是讓學(xué)生體驗(yàn)表示這個(gè)過(guò)程。最后讓一位學(xué)生展示，其他學(xué)生來(lái)猜，通過(guò)這樣的展示活動(dòng)加深和鞏固學(xué)生對(duì)1和0的認(rèn)識(shí)，同時(shí)教師也及時(shí)對(duì)展示學(xué)生和猜對(duì)的學(xué)生進(jìn)行表演鼓勵(lì)。借助圖特軟板，在活動(dòng)中讓學(xué)生親身體驗(yàn)使用二進(jìn)制數(shù)表示信息。

7.課堂小結(jié)談感受

我們圍繞0和1做了幾個(gè)有趣的活動(dòng)，在課堂總結(jié)環(huán)節(jié)，學(xué)生都對(duì)今天課的收獲和感受發(fā)表了自己的看法。有的學(xué)生說(shuō)，信息技術(shù)也好、人工智能也罷，都不是什么高深莫測(cè)的東西，我們現(xiàn)在所處的時(shí)代，就是一個(gè)處處有信息技術(shù)和人工智能的時(shí)代，它們已經(jīng)成為我們生活中非常常見(jiàn)和有趣的存在。未來(lái)，讓我們一起學(xué)習(xí)、了解、體驗(yàn)它們！

課后反思

教具使用讓復(fù)雜的學(xué)習(xí)過(guò)程變簡(jiǎn)單。卡牌的拼擺和計(jì)數(shù)器的演示更有利于四年級(jí)學(xué)生變抽象為具象地理解二進(jìn)制“逢二進(jìn)一”的這一根本特點(diǎn)，有利于他們快速地完成十進(jìn)制數(shù)和二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)化，從根本上讓復(fù)雜的學(xué)習(xí)過(guò)程變簡(jiǎn)單。

實(shí)踐活動(dòng)讓枯燥的學(xué)習(xí)內(nèi)容變有趣。0和1是計(jì)算機(jī)工作的底層原理也是人工智能的基礎(chǔ)，對(duì)于這樣一個(gè)非常重要的人工智能核心概念的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)習(xí)形式的選擇尤為重要。在本節(jié)課中我設(shè)計(jì)了多種形式的活動(dòng)，學(xué)生由認(rèn)到擺，從數(shù)到動(dòng)，最終看和做，通過(guò)這樣的體驗(yàn)活動(dòng)來(lái)完成知道二進(jìn)制數(shù)的表示。由于這樣的活動(dòng)方式是學(xué)生最喜歡的，所以他們的參與度和活動(dòng)效果都非常顯著。

本課是為了之后的學(xué)習(xí)內(nèi)容做準(zhǔn)備，讓學(xué)生了解機(jī)器是怎樣表示圖片、文字等信息并像人類(lèi)一樣進(jìn)行思考。二進(jìn)制在小學(xué)數(shù)學(xué)與信息技術(shù)課程中出現(xiàn)，在教學(xué)中偏重于二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換，小學(xué)生很難體會(huì)二進(jìn)制與信息技術(shù)或是人工智能有什么樣的聯(lián)系、二進(jìn)制在從機(jī)器到智能的過(guò)程中是什么作用。所以在本課中并沒(méi)有強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)技巧，而是通過(guò)紙牌游戲和計(jì)數(shù)器給學(xué)生展示一種新的理解方式，梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)，從最基礎(chǔ)的理解二進(jìn)制是如何定位和進(jìn)位的，為之后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，建立在興趣基礎(chǔ)上的教學(xué)更有效，所以教師要將枯燥的知識(shí)與學(xué)生生活相聯(lián)系，提升學(xué)生興趣，提高課堂效率。

作者單位：北京市東城區(qū)黑芝麻胡同小學(xué)