基于計(jì)算思維培養(yǎng)的 小學(xué)人工智能初步校本課程實(shí)踐

魏麗端 方瑤捷

2019年年底，《廈門市教育局關(guān)于開展義務(wù)教育階段學(xué)校人工智能教育試點(diǎn)工作的通知》出臺，指出為加快推進(jìn)義務(wù)教育階段學(xué)生人工智能普及教育，將組織100所學(xué)校先期探索人工智能教育的途徑和方法，鼓勵學(xué)校綜合考慮學(xué)生的心智發(fā)展水平、年齡特征，探索開發(fā)人工智能校本課程。筆者所在學(xué)校有幸成為其中的一所試點(diǎn)校。因?yàn)槭堑谝淮伍_展，一系列的問題擺在了我們面前：人工智能是什么？該課程要培養(yǎng)學(xué)生哪些方面的能力？如何根據(jù)目標(biāo)開發(fā)適合本校學(xué)情的人工智能校本課程？該選擇什么教學(xué)模式、教學(xué)策略實(shí)施課程？基于以上問題，學(xué)校開展了“基于計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)人工智能初步校本課程開發(fā)研究”。從人工智能發(fā)展和應(yīng)用角度來看，信息技術(shù)學(xué)科是人工智能初步校本課程的“基石”。因此，作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一的“計(jì)算思維”理應(yīng)是人工智能初步課程的學(xué)科核心素養(yǎng)之一。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，也能更好地發(fā)展計(jì)算思維能力。

● 課程內(nèi)容的選擇

明確了人工智能初步校本課程的目標(biāo)之后，開學(xué)初，筆者通過對學(xué)生問卷調(diào)查了解到：學(xué)校四年級學(xué)生65.97%有一定的編程基礎(chǔ)，34.03%沒有;學(xué)生對人工智能課程非常感興趣，更喜歡在教師的指導(dǎo)下開展小組合作學(xué)習(xí);學(xué)生希望通過該課程獲得多方面能力的發(fā)展，尤其是實(shí)踐創(chuàng)造能力。

立足實(shí)情，筆者先組織學(xué)生學(xué)習(xí)了四個課時的圖形化編程，縮小學(xué)生間的基礎(chǔ)差距。在參考華東師范大學(xué)出版社的《AI上智慧生活》一書的基礎(chǔ)上，通過反復(fù)磨課，并進(jìn)行自主課程選擇、改編和補(bǔ)充性開發(fā)，最終以教學(xué)方案形式形成了具有學(xué)校特色的人工智能初步校本課程。內(nèi)容包括《人工智能簡介》《有趣的編程1～4課》《初識智慧生活》等系列主題課。

● 教學(xué)模式的選擇

“學(xué)習(xí)的本質(zhì)”應(yīng)是促進(jìn)學(xué)生深度思考，發(fā)展多種思維，培養(yǎng)問題解決能力。項(xiàng)目化學(xué)習(xí)能夠還原學(xué)習(xí)的本質(zhì)。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，學(xué)生能聯(lián)系真實(shí)生活發(fā)現(xiàn)問題，再通過教師提供的一系列腳手架進(jìn)行探究合作，從而解決具有開放性、綜合性、挑戰(zhàn)性、指向核心素養(yǎng)的驅(qū)動性問題。參考《重新定義學(xué)習(xí)：項(xiàng)目化學(xué)習(xí)15例》，筆者在學(xué)生學(xué)完人工智能的一些事實(shí)性知識后，組織學(xué)生開展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動，切實(shí)有效地幫助學(xué)生整合、提升學(xué)科知識，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

● 項(xiàng)目化學(xué)習(xí)案例分析

1.項(xiàng)目設(shè)計(jì)，提出驅(qū)動性問題

（1）項(xiàng)目簡介

本項(xiàng)目讓學(xué)生聚焦日常居家生活，通過互動討論居家生活中遇到的問題，提出“智”造家具方案，創(chuàng)造性地借助人工智能工具設(shè)計(jì)制作家具模型，形成對問題智能化解決的初步解釋。

（2）驅(qū)動性問題

智能家具給我們的生活帶來了極大的便利。但實(shí)際上還有很多家具并沒有智能化，還有很多不便之處。如何為居家生活設(shè)計(jì)一個智能化家具，讓我們生活變得更美好？

（3）知識與技能要點(diǎn)

認(rèn)識亮度傳感器、溫濕度傳感器、聲音傳感器、觸碰傳感器的原理、功能、用途;能結(jié)合各種傳感器的功能，在分析家具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，搭建、寫流程圖、編程。

（4）核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

①計(jì)算思維：界定問題——能聯(lián)系日常居家生活，思考哪些家具可再“智”造，以解決日常居家生活問題。分析數(shù)據(jù)、抽象建?！軐?fù)雜的居家生活問題抽象約簡為簡單的可計(jì)算的問題。算法設(shè)計(jì)——能繪制智能化家具智能化的流程圖并編程實(shí)現(xiàn)。評估最優(yōu)方案——在不斷“試錯”的過程中，獲得家具智能化的最優(yōu)解決方案。遷移運(yùn)用——學(xué)會將“智”造家具問題的解決方法遷移到其他問題中。

②信息意識：能夠根據(jù)解決居家生活問題的需要，自覺、主動地尋求人工智能方法分析、解決問題;在合作解決問題過程中，愿意與小組成員共享信息。

③數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：在設(shè)計(jì)制作智能家具模型的過程中，能探究合作學(xué)習(xí)各種傳感器的原理、功能、用途，并靈活甄選合適的傳感器，創(chuàng)造性解決家具“智”造問題。能通過UMU互動平臺開展自主探究、合作學(xué)習(xí)與知識分享。

④信息社會責(zé)任：培養(yǎng)學(xué)習(xí)人工智能課程的興趣;感受并增強(qiáng)人工智能技術(shù)服務(wù)于生活的責(zé)任感。

2.項(xiàng)目實(shí)施，培養(yǎng)計(jì)算思維

本項(xiàng)目活動共計(jì)8課時，具體教學(xué)安排如下。

（1）項(xiàng)目引入階段

教師活動：以教師晨起喝不上溫水的困擾，想擁有一個智能水壺為例，引出問題“你能根據(jù)遇到的問題，設(shè)計(jì)創(chuàng)作一個智能化家具，讓我們的居家生活更美好嗎？”并組織學(xué)生填寫問題單，展示問題單。

學(xué)生活動：交流討論，填寫問題單。

（2）探究合作階段

教師活動：組織學(xué)生結(jié)合前面所學(xué)的紅外測距傳感器、超聲波傳感器的方法，學(xué)習(xí)亮度傳感器、溫濕度傳感器、聲音傳感器、觸碰傳感器的原理、功能、用途。引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合各種傳感器的功能、問題單，在UMU平臺上設(shè)計(jì)“智”造家具活動方案。

學(xué)生活動：小組合作探究學(xué)習(xí)亮度傳感器、溫濕度傳感器、聲音傳感器、觸碰傳感器的原理、功能、用途。在UMU平臺上設(shè)計(jì)活動方案。

（3）解惑釋疑階段

教師活動：組織學(xué)生明確項(xiàng)目活動評價(jià)量規(guī);組織學(xué)生小組合作搭建智能家具模型;組織學(xué)生繪制流程圖，并反饋問題;組織學(xué)生在uKit EDU軟件上編寫程序，反饋調(diào)試，實(shí)現(xiàn)家具的智能化。

學(xué)生活動：小組合作，搭建智能家具模型，寫出算法流程圖。并編寫程序，實(shí)現(xiàn)家具的智能化。

（4）成果評價(jià)階段

教師活動：組織學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目成果展評要求進(jìn)行展評，并說出收獲與反思。并根據(jù)項(xiàng)目評價(jià)量規(guī)，組織學(xué)生自評、互評，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行綜合評定。

學(xué)生活動：根據(jù)展評要求介紹“智”造家具過程與作品，說一說收獲與反思。

3.項(xiàng)目成效及反思

①真實(shí)情境中學(xué)習(xí)，培養(yǎng)界定問題能力。在項(xiàng)目引入階段，學(xué)生能結(jié)合親身經(jīng)歷，在問題單中寫出生活中遇到的真實(shí)問題。例如，A隊(duì)學(xué)生的問題：“平時在家看書，經(jīng)?？粗粗?，眼睛距離書本越來越近。因此，想改造臺燈，希望臺燈能輔助提醒、糾正看書的姿勢”。B隊(duì)學(xué)生寫陽臺外的晾衣架遇到下雨天無法自動回收，想改造晾衣架，使其遇到下雨能自動收回屋檐下，晴天自動伸出屋檐……通過本環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)會將學(xué)習(xí)與生活建立聯(lián)系，從生活中發(fā)現(xiàn)、提出自己感興趣的可研究性問題，并提出自己的想法。

②探究合作中學(xué)習(xí)，培養(yǎng)組織分析數(shù)據(jù)、抽象建模能力。在探究合作學(xué)習(xí)階段，因?yàn)閷W(xué)生前面已經(jīng)學(xué)了紅外測距傳感器、超聲波傳感器的原理及使用方法。因此，教師引導(dǎo)學(xué)生知識遷移，認(rèn)識亮度傳感器等傳感器的原理，探究如何通過傳感器讀數(shù)讀取當(dāng)前環(huán)境下各種參數(shù)的變化，并結(jié)合“如果…執(zhí)行…，否則執(zhí)行…”功能塊簡單應(yīng)用傳感器。

為了考查學(xué)生是否真正理解傳感器的功能，能否運(yùn)用簡單的人工智能方法解決生活中遇到的問題，教師讓學(xué)生根據(jù)已學(xué)知識技能，在UMU平臺上填寫“智”造家具活動方案。該環(huán)節(jié)，學(xué)生需要綜合考慮如何借助目前所掌握的知識技能，通過分析、抽象“智”造家具結(jié)構(gòu)與功能，采用自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)家具的智能化。很明顯，學(xué)生的組織分析數(shù)據(jù)、抽象建模能力進(jìn)一步提升了。

③不斷試錯中學(xué)習(xí)，發(fā)展計(jì)算思維能力。程序流程圖可以很好地展現(xiàn)學(xué)生解決問題的思維過程，并影響后續(xù)編程以及自動化方案能否實(shí)現(xiàn)。剛開始，有些學(xué)生寫出來的算法流程圖是錯誤的;有些學(xué)生只會用口頭說出自己的想法。于是，教師采用范例教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何繪制流程圖。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生探究合作編寫圖形化程序。為檢驗(yàn)邏輯思維過程是否正確，學(xué)生還必須不斷反饋調(diào)試。

反饋調(diào)試過程，其實(shí)就是學(xué)生發(fā)展邏輯思維、批判思維的過程。例如，有一小隊(duì)的學(xué)生，在繪制流程圖和編寫的程序時提出疑問：“老師，我一時對著聲音傳感器大喊，燈不亮??？”教師經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對理解存在問題。教師反問：“‘教室里安靜得一點(diǎn)聲音都沒有是聲音強(qiáng)度值大于100還是小于100？”學(xué)生回答：“小于100。”教師繼續(xù)追問：那將“‘教室里安靜得一點(diǎn)聲音都沒有放到判斷框中，什么意思？”學(xué)生答：“如果‘教室里安靜得一點(diǎn)聲音都沒有執(zhí)行亮燈，否則關(guān)閉眼燈?！睂W(xué)生突然頓悟，將程序流程圖和編程錯誤的地方都修改了。

● 多元性評價(jià)中推動項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

在本項(xiàng)目落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維的過程中，學(xué)習(xí)評價(jià)量規(guī)起到了功不可沒的作用。教師一方面借助班級優(yōu)化大師對學(xué)生的探究學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行過程表現(xiàn)性評價(jià)，另一方面借助本校人工智能初步計(jì)算思維能力評價(jià)表（如上表）推進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)程，以及落實(shí)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)成果的綜合評定。

● 結(jié)束語

人工智能校本課程的開發(fā)實(shí)踐研究過程好比學(xué)生項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過程。雖然，目前學(xué)校還處于初級探索階段，但相信歷經(jīng)剝繭抽絲、披沙揀金后，定能形成一套具有本校特色的人工智能初步校本課程，使學(xué)生受益無窮。