人工智能在信息技術教學中的實踐探索

沈菊峰

【摘 要】人工智能作為引領未來的戰略性新興技術，正在深刻影響著社會的方方面面，也將深刻改變我們的生產生活方式。在教學研究和應用中，教師應在觀念上，重視人工智能教育;在教學中，融入人工智能技術;在課程上，體驗人工智能應用。由此，要正視學生的基礎現狀和接受能力，著力培養學生的思維素養，充分發揮好教師的專業優勢和能力特點，在小學信息技術課程的基礎上擴展延伸人工智能的教學探索。

【關鍵詞】人工智能;信息技術;編程思維

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2020）02、03-109-04

近年來，隨著人工智能技術的快速發展，深度學習、跨界整合、人機協同等新特性，使得人工智能技術的應用場景越來越豐富;推動著社會各個領域經歷從數字化、網絡化向智能化躍升和革新，深刻改變著人們的生活方式和思維模式。

2017年國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》明確指出，人工智能已成為國際競爭的新焦點。我國應逐步開展全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程、逐步推廣編程教育、建設人工智能學科。2018年教育部印發了《教育信息化2.0行動計劃》，明確要求要完善課程方案和課程標準，使中小學人工智能和編程課程內容能充分適應信息時代、智能時代發展需要。這個時代背景下，在充分調動學生學習興趣，提升學生的信息意識、計算思維、數字化學習與創新等核心素養的同時，也對如何開展以人工智能為內容的信息技術教學提出了新的要求。

在觀念上，重視人工智能教育

人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI。它是研究開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。但縱觀國內小學人工智能課程現狀，當前的課程尚存在以下不足。

一是人工智能課程重視技能訓練，輕視計算思維的培養。

從當前的課程實踐來看，中小學的人工智能教育主要依托編程教育和機器人教育來開展。編程教育，多停留在指導學生利用程序設計語言完成具體的編程題目。現階段中小學人工智能教材大多屬于產品說明書或用戶指南類，缺少對學生思維能力培養的科學引導。

二是人工智能課程缺少相對完善的課程內容體系。

從課程內容來看，人工智能教育主要依托于信息技術課程、STEM課程、創客課程、計算機科學課程來開展，從小學、初中到高中都有不同專題的人工智能相關課程，但是這些課程是碎片化的，缺少對人工智能意識、方法、能力目標的系統化設計。從課程的學段設置來看，人工智能教育多在初中、高中開展，小學甚少涉及。

因此，對當前人工智能教育需要給予足夠的重視，人工智能課程需要建立覆蓋小學到高中的完善的課程體系，從而讓學生接受系統的人工智能教育。

在教學中， 融入人工智能技術

人工智能技術應用范圍廣，主要是機器視覺、聽覺、觸覺、感覺及思維方式的模擬，如指紋識別、人臉識別、視網膜識別、掌紋識別、智能搜索、語音識別等等。能與人工智能技術搭上邊的有很多，這些都是能夠讓學生感興趣的，但是要找一個符合小學生年齡段學習的內容卻并不多。最后定“單詞識別”這個內容，筆者的意圖是英語單詞本身就是小學生課堂上學習的內容，程序設計從易到難，循序漸進，讓學生初步掌握編程的基本流程，不論是內容還是技術，學生能夠容易理解和掌握。

1.以生活實例激情引趣，引入課題

興趣是推動學生學習的內部動力，是影響學生學習自覺性和積極性的直接原因。學生如果對學習產生了興趣，就會產生一種積極的情緒狀態，鼓舞學生認真而愉快地主動學習。在實際教學中，教師應該依托實際生活場景，以學生生活中熟知的應用、感興趣的高科技領域應用背景，通過清晰的視頻、逼真的動畫等信息技術手段，為創設激發學生興趣的教學提供有力支持。

例如，在“單詞識別”的課例教學引入中，先請學生看一段關于人工智能改變生活的視頻。在這個視頻中，出現頻率最高的詞是“人工智能”，在短短的1分鐘內出現6次。教師說：“在我們的生活中已經出現了人工智能的技術和應用產品，特別是交通工具占了大部分。所以，現在我們的出行越來越方便了。”接著教師出示視頻中的智能娃娃圖片，提問：“它有什么功能？”學生回答：“辛迪智能娃娃，能說出寫在卡片上的英語單詞，可以識別650個單詞（圖1）”。教師：“對，人工智能娃娃。今天這節課我們一起來設計‘單詞識別功能。”

像這樣，教師通過有趣的視頻和圖片引入課題，讓學生通過各種感官的刺激，帶著問題主動探究知識，從而輕而易舉地吸引學生參與教學活動。

2.以編程軟件為依托，初步體驗

慧編程是一款面向STEAM教育領域的積木式和代碼編程軟件，基于Scratch 3.0開發而成。孩子們可以通過拖拽積木塊或編寫Python代碼，創作有趣的游戲、動畫，激發想象力和創造力。更重要的是，慧編程將AI引入編程教學，讓用戶使用前沿科技，編出前沿創造力。它融入了微軟認知服務和谷歌深度學習功能，可編程實現如人臉識別檢測年齡和電腦玩“剪刀石頭布”游戲等好玩的應用，讓孩子輕松理解 AI 技術背后的邏輯和原理，實現更多創造。

例如，在“單詞識別”教學的“初步體驗”環節中，教師先應用事先設計好的程序，讓學生親自體驗到成功的喜悅，充分調動了學生的積極性和主動性，同時對程序充滿了好奇，讓學生體驗到將知識應用于實踐中的快樂。教師課前給每個學生注冊賬號，課上再簡單介紹下“慧編程”軟件。請學生添加人工智能模塊“認知服務”指令，并進行簡單了解。由于指令通俗易懂，學生很快就能找出跟“單詞識別”相關的指令，結合已有的編程基礎，做好編程的準備。

3.以自然語言描述編程思想，找出問題

慧編程支持對硬件編程，編程結果通過硬件直接呈現，給學生帶來更強的成就感，激發其編程學習興趣。同時，慧編程與硬件搭配可實現虛實結合的多種玩法，讓課堂教學的內容和形式更豐富。有時我們會碰到程序設計本身沒有問題，結果完全符合要求，但在現實調試操作中，一些外部因素會影響檢測，使得不能達到預期效果的情況。

例如，在“單詞識別”教學的“嘗試設計”中，面對“編寫一個識別英文的程序”制作任務，學生能夠小組討論、互相幫助。教師幫助學生分析程序，引導學生用自然語言描述程序設計的想法，然后讓學生嘗試編程，并檢測是否成功（圖2）。在操作中，教師發現大部分學生能完成程序的編寫，而且程序本身是正確的，但在識別手寫英文時，成功率不高。那是什么原因呢？學生回看自己的操作步驟，發現字寫得潦草、字跡淡、手拿卡片不穩、拿到攝像頭前速度太慢等等，這些都有可能導致程序的驗證失敗。

所以，在平時生活中，要讓學生多認識人工智能，體驗各種人工智能產品。讓學生學會與較復雜的智能工具打交道，進一步了解人工智能在生活中發揮的作用，自己分析體驗所涉及的人工智能的相關技術。

4.以流程圖分析計算思維，重在感悟

使用流程圖可以輔助小學生學習程序設計，將復雜的問題與過程直觀化，幫助學生加深對程序設計的理解，提高課堂學習效率。

例如，在“單詞識別”教學的“正確識別”中，學生設計程序時，可以利用原有的思維模式先行解決部分問題。學生都能完成“能識別英文”的程序，但是本課需要解決的教學難點是“識別正確的單詞”，反之，不正確的單詞就不能識別出來。教師引導學生理解其中的差異，可以讓學生用“如果……就……”的句式來整理問題描述，厘清判斷的條件及條件成立后要執行的內部腳本。待學生解決難點后，教師可引導學生根據上一環節的程序設計，說出一個條件判斷的程序流程，順勢出示流程圖，由學生說出對應的腳本。這種從流程圖再到腳本圖的正向引導，是程序設計整體思路的一次梳理。

接著，教師再次利用腳本圖引導學生說出對應的指令功能。這種從腳本圖到描述指令功能的反向理解，是程序設計整體思路的二次梳理。通過正反兩次的梳理，就能幫助學生建立程序設計的流程步驟并理解算法，徹底解決教學難點。這樣的教學方法，既初步完成了任務腳本，又訓練了學生的計算思維。

5.以精簡高效解決生活問題，收獲知識

程序設計是思維抽象性、邏輯性很強的學習內容，而且內容比較枯燥。學生不容易理解，往往不愿意學。教師要在原有程序設計正確的基礎上，對其簡化，方便學生分解大問題，逐一破解小問題。就這樣降低了學習難度，而且訓練了學生的分解思維能力和程序整合思維能力。

例如，在“單詞識別”教學的“正確識別多個單詞”中，教師請學生思考如何識別更多的單詞。學生想到的是增加多個條件語句，并驗證他們的想法是正確的。這樣可以解決識別多個單詞的問題，但同時帶來一個問題，程序越來越長，不精簡，以后修改也不方便。教師提問有沒有更好的方法簡化程序。教師出示修改過的程序設計圖，學生嘗試檢測后成功，使學生深刻感受到程序設計要靈活運用。

在課程中，體驗人工智能應用

小學人工智能課程應重在讓學生感悟人工智能對生活和學習的影響，體驗生活中的人工智能，直觀地了解人工智能的特點，激發探究的熱情和積極性。在教學中可以選擇一些貼近學生日常生活的話題和素材，比如圍繞人工智能醫生可討論的話題有：為什么需要機器醫生、哪些工作機器醫生更擅長、機器醫生診斷與人類醫生診斷的異同、機器醫生會取代人類醫生嗎、機器醫生誤診怎么辦等等，這些貼近生活實際問題的討論本身就是人工智能科普的好形式。再例如，通過語音識別、刷臉測表情、測年齡等技術，讓學生對人工智能的應用領域等建立直觀的認識，讓學生知道人工智能可以做什么、不可以做什么;從認知視角體驗人工智能的用途，學習如何與人工智能機器人合作，如何利用簡單的人工智能工具來提高工作效率，更好地為我們的學習、生活、工作服務等等。