人工智能+5G背景下小學Python校本課程開發的理論與實踐初探

鄧正媛

摘 要：隨著人工智能和5G技術的發展，使編程成為教育的重要組成部分。傳統的Logo或Scratch編程已不能滿足數字時代的需求。Python語言簡單易學，功能強大，應用領域廣泛，注重解決問題而無需關注語言、語法規則本身，適合不同年齡段的人學習編程。根據小學生的年齡和心理特點，從Python編程語言的特點和教學要點入手，用不同的教學策略以條件判斷邏輯為案例進行初探，從而打開Python小學教學的研究的大門。

關鍵詞：Python ;人工智能和5G技術;計算思維;條件判斷

2017年7月國務院發布《新一代人工智能發展規劃》，明確指出在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育[1]。12月14日，國家工業和信息化部發布《促進新一代人工智能產業發展三年行動計劃（2018-2020年）》。人工智能已深入我們生活，編程也將成為教育領域的重頭戲，學編程成為時代所需。北京和浙江把 Python 編程基礎納入信息技術課程和高考的內容體系，山東省更是將Python內容納入最新出版的小學信息技術六年級教材中。Python成為目前最受歡迎的編程語言，也是最接近人工智能的語言。

當前在小學教學中常以Logo或Scratch等編程作為學生主要的學習工具。但是小學生作為數字時代的原住民，小學教學應緊跟時代的步伐，更要走在時代的前列，做好與中高等教育的銜接，與此同時，由于大數據、人工智能、5G的蓬勃發展，Python語言應用領域越來越廣泛，市場對Python應用與開發的人才需求，也正在不斷上漲。因此小學Python校本課程開發迫在眉睫。

1 背景

1.1 人工智能+5G的時代背景

2019年6月6日，國家工業和信息化部正式頒發5G商用牌照，這標志著人工智能+5G時代正式到來。人們將關注點聚焦在人工智能和5G網絡之上。然而，人工智能曾因被盲目追捧而遭遇發展的低谷，但隨著人類不斷突破核心算法、開發應用環境以及大量資金的持續投入，使得人工智能從2010年開始，獲得了飛躍式發展。目前第五代移動通信技術正式啟用，人工智能在5G這條信息高速公路上，可以為用戶提供更快的響應速度、豐富的內容、更智能的應用模式以及更直觀的體驗。5G為人工智能的發展注入新動力。5G在推動人工智能發展的同時，人工智能技術也會助力5G自動化、智能化的發展進程。5G技術在網絡規劃、網絡優化及網絡維護方面要求高，將大量增加以人工為主的傳統工作量和復雜度。此時，Python程序開發的人工智能技術通過對網絡運營和海量數據進行分析將會為網絡自動化運行提供重要支撐。

1.2 Python 編程語言的特點及教學要點

Python，是一種面向對象的解釋型計算機程序設計語言，具有豐富和強大的庫，已經成為繼JAVA，C++之后的第三大語言，它具有免費開源、可移植性、可擴展性、可嵌入性等特點[2]。Python作為一門編程語言，其魅力遠超Java、C++，被稱為“膠水語言”、 “最美麗的”編程語言[3]，具有開發效率高、功能強大、應用領域廣泛等優勢，在人工智能與機器學習、自動化運維、網絡爬蟲與數據分析等方面獨占鰲頭，得到廣泛支持和應用。

在小學開展Python 語言教學時要更多地專注應用計算機解決問題的思路和方法，讓學生在用計算機編程的過程中， 逐步提高思考問題、分析問題、解決問題的能力，而不是注重太多的語法細節和計算機底層知識，就像我們只需知道如何利用腳下的路，去更遠的地方，看更多的風景，而不需要知道路是如何修的一樣。然后編寫代碼，通過不斷調試修改達到預期結果，進而達到培養學生計算思維和解決問題的能力[4]。在以問題驅動為導向的Python 語言教學過程中，從學生實際生活出發，讓學生能夠將所學到的編程知識和大腦記憶中的真實任務情境聯系起來，有利于學生去理解學習生活中的工作邏輯、工作原理。比如智能家居系統所涉及到的數據采集和機器學習等，教師將Python 知識點與實際生活相結合，讓其感覺到計算機解決實際問題的作用，幫助他們建立學習自信，進一步激發學習的興趣與欲望。Python語言不僅能讓學生通過指令和計算機交流，專注于算法思維和程序的邏輯結構，形成人機共存，還能在編程過程中用接近自然語言的方式通過代碼來傳情達意，讓學生對技術“祛魅”，從小培養他們正確合理地使用技術的意識，從而更好地發展學生的核心素養。

2 Python校本課程教學探索

依據人工智能的時代背景，結合小學生的心理特點，Python程序設計課程內容主要包括：Python簡介，Python安裝，Python輸入輸出，數據類型與變量，運算符，條件語句，循環語句等。

2.1 教學策略

2.1.1 視頻或游戲交互式教學，激發學生學習的興趣

興趣是打開語言世界大門的鑰匙。小學生對視頻畫面和游戲較感興趣，緊緊抓住他們的興趣點，使學生的注意力很快集中到課堂上，同時也給學生提供將腦海中的想法可視化并轉換成現實的機會，充分利用充滿趣味的視頻和游戲，激發學生的求知欲，為學生搭建通往Python世界的橋梁，讓學生能夠將無形的抽象思維變成現實世界有模有樣的畫面。學會編程能夠讓你創造更新奇的程序——互動故事、視頻游戲、及交互動畫等。

2.1.2 故事與案例相融合，讓學生自主探究合作學習

以故事與感興趣的案例導入，讓學生主動的探索現實世界的問題和挑戰，從而加深對知識和技能的印象。在案例基礎上稍作變化，舉一反三，學生便能編寫出更多程序和應用，直至實現程序的可視化，這就是讓學生在探索的同時享受到編程的樂趣。

2.1.3 項目與應用體驗相結合，循序漸進，打開Python的大門

學生有一定編程基礎后，可以教學生運行Python項目工程，調節傳感器參數來模擬機器“學習”的過程，體驗人工智能人機交互的基礎原理，完成簡單的動作識別，這種實驗方式讓學生得到初步的知識和體驗，以此消除在進階學習過程中的畏難心理。如從學生日常接觸的小米AI音箱（小愛同學），微軟的小冰聊天機器人，谷歌的智能人工交互體驗程序等話題和素材入手，拓展出有趣味性的Python課堂，讓學生圍繞這些話題提出討論，進而培養學生的創新精神。以小米AI音箱為例可以提出：還想讓小愛同學實現哪些功能？學生可能提出：要求小愛像鬧鐘一樣叫我起床，并播放我最喜歡的音樂，開啟美好的一天;要求小愛建立“心情樂庫”，感知心情播放歌曲;要求小愛定時給我的父母、好友發生日祝福歌曲等等，這些貼近生活實際問題的討論本身就是教學的最好形式。

2.2 Python 編程教學案例

2.2.1 情境創設? 激發興趣

播放視頻《復仇者聯盟》片段，如果滅霸集齊6顆能量寶石他就能毀滅宇宙。從而引出本課學習的內容：滅霸的野心——條件判斷。利用學生生活中所見所聞的話題巧妙地拉開精彩課堂的序幕。

2.2.2 自主探究? 分享交流

通過情景演化出普通任務（單項判斷邏輯：if語句），學生自學條件判斷并模仿創作。

教學方法上采用情景教學法和任務驅動法，通過情景分析讓學生理解命令、使用命令，在任務驅動中發現有關print（）函數前的空格縮進問題[5]。同學們深入思考，利用觀察法和聯想法（小學語文作文空兩格）找到了解決問題的思路和方法，并在小組內分享交流，滿足學生的表現欲，提升學生的獲得感。由此學生知曉Python語言冒號的語法規則，即為區分代碼之間的層級關系，幫助理解執行條件的邏輯和先后順序。自主學習讓學生更好的發揮內在動力去探索編程的樂趣。

2.2.3 合作學習? 釋疑解難

經過幾場戰斗，滅霸已經搶到了3顆寶石，展現了漫威宇宙強大的反派實力。但滅霸不會就此罷休，他要繼續尋找靈魂寶石，直到集齊6顆，達到他的目的為止。如果6顆寶石沒集齊，就繼續收集寶石。由普通任務生成進階任務一（雙向判斷邏輯：if…else…語句）。

編程過程中同學們根據課堂任務生成有關if與else層級關系的問題，采用對比教學法利用數學四則運算之間的關系讓學生明白if與else平級的關系：如果不滿足if條件，就執行else其他條件。課中利用分層教學，給出了進階任務二（多向判斷邏輯）。讓編程能力較好的同學能夠在課堂上得到充分的展示。從進階任務中可以看出，小學生可以很快地吸納條件判斷的知識點，運用新知完成熟悉的簡單任務， 不僅增強了學習自信心，還能為其接下來的學習做好積極的心理準備，進而培養計算思維。

2.2.4 自由創作? 展示評價

自由創作能較好地發揮學生的個性特點，體現出學生的能力差異，讓其運用所學內容進行編程完成高階任務，以達到學以致用的目的。教師給出我的暑假計劃和我與媽媽的公約等貼近學生生活的開放性主題或者學生自定有意義的條件判斷主題讓他們鞏固知識。在這部分的授課方式和課堂語言的組織上，以學生的編程思維引導為重點，以方法的總結歸納為突破，從而達到學生從“我要做什么”向“我要怎么做”轉變，最后做到“我還能這樣做”[6]的質的飛躍。

根據學生完成的情況和課堂時間，鼓勵學生主動分享程序，講解編程思路，并進行展示。通過多元化評價不僅能夠活躍課堂氣氛，促進學生之間的交流與合作，讓學生實現自我反思和自我判斷的蛻變。最后在思考、欣賞同學編程的過程中，對所學知識進行梳理總結，拓展提升，培養學生的計算思維和創新能力。

3 總結

芬蘭教育部長說：“在未來，如果你的學生懂編程，他就是未來世界的創造者;如果他不懂，他只是使用者。”以編程為基礎的技術革新已成為新一輪產業變革的驅動力，將會對世界經濟、社會進步和人類生活產生極大的影響。Python以它獨特的優點成為我們能夠與世界前沿科技相溝通的首選。學習編程并不是要讓學生掌握編寫程序的技巧，而是讓其逐步接觸、理解、體驗編程的邏輯操作、算法、數據結構等通用的工程方法和數學知識，鼓勵學生基于現有的技術應用做合理的科學創新，以文學創作的形式表現出來，突出編程技術為追求崇高生活而服務，增強編程的人文性，從而做到橫向實現學科之間的融合，縱向關注學科知識的掌握和學生實踐能力與核心素養的提升，以此達到編程教學的根本目的。

參考文獻：

[1] 國務院.新一代人工智能發展規劃（國發〔2017〕35號）[Z].2017-07-08.

[2] 梁杰，丁嘉瑞，禹常隆 譯.《Python語言及其應用》 [M].北京：人民郵電出版社，2015：5-6.

[3] 韓志豪.人工智能背景下的Python教學探索[J].計算機時代，2018（7）：76-81.

[4] 陳前永，章偉.小學信息技術教學中進行Python編程語言教學的策略[J].數字教育，2019.4（2）：82-86.

[5] 蘇金國，易鄭超 譯.《父與子的編程之旅》[M].北京：人民郵電出版社，2019：66-70.

[6] 章偉.培養計算思維的小學編程校本教材開發與應用[J].中小學數字化教學，2018.6（3）：55-57.