基于設計的培養計算思維的人工智能教學模式與實踐探究

黃靜?李幸?余盼

【摘 要】基于設計的人工智能教學模式包括：情境感知、協作方案設計、算法編程、作品制作、改進完善作品、交流演示評價。該模型融合計算思維的基本要素，以解決復雜的結合真實生活情境的人工智能問題為主，以設計為載體，深度融合人工智能教學要素，可以更好地培養小學生計算思維。

【關鍵詞】人工智能 基于設計 計算思維

計算思維是人工智能時代智慧型人才的必備素質，是讀、寫、算之外的又一項基本素養。計算思維是涵蓋算法思維、創造力、批判思維等多元能力的高階應用型技能，用以進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解。學生通過編程解決實際問題可以轉變傳統的思維模式，學會從計算思維的角度去分析問題并找出使用計算機解決問題的路徑。但由于當前人工智能課程缺少教學模式的指導，忽略真實生活情境，不重視技術與其他學科內容的融合，計算思維因而失去其解決真實世界復雜問題的內核價值。因此，如何構建本土化的教學模式，精準培養計算思維，是教育工作者與教育研究者亟須解決的問題。

基于設計的學習（Design-based Learning，DBL）模式共分為五步：鑒別與定義情境、背景研究、開發個人與集體觀念、構建產品、反饋。基于設計的學習對于問題解決能力、批判思維、創造力、協作思維均有顯著的提升作用。

一、培養學生計算思維的教學模型

學習者在分析與設計的過程中，收集數據，評估方案，形成想法，最終建構自己的知識。在設計流程圖和編輯程序的過程中，通過反復思考“如何做”“需要什么”“為什么”“是怎樣”，最終借助計算機解決現實問題。學生收集與分析信息的過程是批判思維的重要部分;在小組討論的過程中設計產品方案，提升創造力;借助計算機將真實世界中的問題轉換成編程設計，在編程的過程中開發產品的原型，培養算法思維;在作品的修改與迭代中，提升創造力和設計思維;在作品的展示分享中，進行反思和深化。整個學習過程體現出學生解決真實世界復雜問題即計算思維的能力。

基于設計的人工智能教學模式由三部分組成：一是基于設計的學習;二是人工智能的學科知識，即具體的學習內容;三是計算思維。以基于設計的學習作為基本流程，融合人工智能的學科內容，最終提升學習者的計算思維。包括六個方面。

情境感知。學習者鑒定真實的情境問題，明確學習任務。以與生活息息相關的真實情境知識為核心，結合AI技術設計整體教學主題，融合計算思維實踐，包括問題分解與問題抽象。

協作方案設計。頭腦風暴設計產品方案，繪制解決問題的流程圖;在設計的過程中融合計算思維，包括數據分析、數據呈現、并行處理。

算法編程。學習者學習編程與算法，主要是學習基于編程軟件的編程與計算概念，融合計算思維實踐，包括算法與過程、自動化、模擬等。

作品制作。應用學習到的編程與算法知識構建物理實物與虛擬編程相結合的產品原型，該部分融合較多的計算思維實踐，如數據收集、數據分析、算法與過程、自動化與模擬。

改進完善作品。該過程通過測試產品的編程部分以及物理構建部分，確保迭代完善改良產品。

交流演示評價。小組開展評價反饋工作，包括梳理和總結學科知識、匯報產品制作過程以及收獲。計算思維實踐包括數據分析、并行處理。

二、基于設計的人工智能教學實踐—以“文字識別小助手”一課為例

1. 教學內容與目標分析

“文字識別小助手”是人工智能教材中“智能學習伙伴”章節中的一課，主要是讓學生通過體驗來感知人工智能中的文字識別技術，理解文字識別的工作過程，體會其在學習上的應用。為了給學生營造真實的問題情境，研究結合學生正在學習的語文學科中第六單元的“語文園地”中的生詞，設計“識字接龍”游戲，與機器人比賽認讀生詞，在體驗的過程中產生真實的問題—“機器人是如何認讀的？”“怎樣設計一個智能文字識別小助手幫我們認讀生字呢？”從而引出本節課的學習主題—設計智能文字識別小助手。

通過編程設計智能文字識別小助手，將想法用流程圖表示出來，培養學生的問題解決能力、計算思維、創造力等。

本節課涉及的具體的知識點有：了解文字識別技術及其應用;通過程序設計完成智能文字識別小助手的制作;在文字識別小助手的幫助下學會生字、生詞。

2. 教學對象與教學環境

本節課的教學對象是三年級9班45名學生。學習人工智能課程之前，學生均沒有接觸過編程，個別學生對人工智能技術的應用有一定的了解。

教學的環境是學校的人工智能教室，有充足的平板電腦、機器人、筆記本電腦設備，無線網絡覆蓋，教室桌椅可以隨意組合，學生學習的空間較為自由，學習資源充沛。

3. 教學設計與實施

（1）情境感知

計算思維解決問題的第一步是界定問題，體驗作品的過程也是界定問題的過程。通過與機器人一起玩“識字接龍”游戲（見圖1），體會計算機強大快速的計算功能和海量的存儲功能，激發學生對人工智能技術中文字識別技術探索的興趣。以真實的情境知識為核心，學習基本知識框架中的科學概念與知識，設計整體教學主題。

（2）協作方案設計

到底什么是文字識別呢？學生通過視頻學習和理解文字識別的應用及工作的過程，初步理解人工智能技術工作的原理，思考如何運用信息知識與技術去解決問題—設計文字識別小助手。學生在思考問題解決的過程中進行理性分析，將一個復雜的問題轉變為若干便于解決的簡單問題：讓機器聯網;獲取數據庫信息;啟動文字識別的功能;讓機器看到生字單;讓機器讀出文字識別的結果。

（3）算法編程

學生借助流程圖厘清解決問題的思路，借助圖形化編程軟件和開源機器人進行程序的編輯，將設計方案變成現實，初步體驗用機器實現想法的過程，通過探索理解程序設計的關鍵指令（見圖2）。

實現功能的過程就是算法設計的過程，學生將問題分解為小的步驟，思考使用哪些指令、通過什么樣的語法設計實現目標;再通過編寫程序將角色行為抽象為算法，編寫、調試程序的過程實現計算思維的增量和迭代。

（4）作品制作

學生優化算法、完善代碼，利用學科內容知識進行編程和工程設計，構建物理實物與虛擬編程相結合的產品原型，完成文字識別小助手的制作、產品說明書的制作。作品制作的過程需要小組分工，以協作的方式完成，充分體現了小組的合作能力。

（5）改進完善作品

學生在完成最基本的文字識別助手設計的任務之后，教師組織學生思考當前作品中存在的不足，以及是否有更多的需求，以小組為單位討論，提出優化方案，整理思路，并將解決問題的方法以流程圖的形式展示出來，然后根據優化的流程圖來設計新的程序，確保迭代完善改良產品。該活動可以讓學生充分發揮創造力和動手實踐的能力，借助計算機實現心中的所需所想。

學生將問題解決方法通過流程圖進行設計分析，體現了計算思維中“抽象”“分解”“概括”等重要方法;并運用圖示將大問題分解成小問題，從最基礎的問題開始求解，直到整體問題被解決。

（6）交流演示評價

學生以小組為單位展示作品，首先介紹流程圖的設計思路，然后演示作品的功能，全班互評。作品的展示和評價可以幫助學生從更全面的角度看待問題，在評價他人作品的同時也不斷反思自己的方法思路是否存在問題，是否需要優化等，還可以幫助學生個體利用群體資源，促進學生更深入理解計算思維概念，建構計算思維知識體系。

本研究通過基于設計的人工智能教學模式開展小學人工智能課程的教學，將計算思維融入實踐項目中，讓學生在真實的問題情境中理解問題、定義問題，通過小組協作制定問題解決的方案，設計流程圖，借助編程工具讓機器解決實際問題，從計算思維的角度去分析問題并找出使用計算機解決問題的路徑。全新的思維方式可以激發學生創新動力，在解決復雜問題的過程中也能發展合作和溝通的能力。當然，本研究也存在一些不足，對于影響計算思維發展的其他諸如環境、資源等因素沒有加以分析，后期將繼續深入研究。

（作者單位：1、3. 湖北省武漢市經濟技術開發區實驗小學;2.江漢大學數字媒體技術系）

責任編輯：孫昕