指向計算思維培養的人工智能教學銜接研究

【摘 要】隨著科技的進步，時代的發展，從國家到地方陸續出臺了中小學人工智能教育相關文件，在中小學開展人工智能教育是大勢所趨。計算思維是當前教育領域關注的熱點內容，也是新時代數字化公民的必備技能之一，2022年教育部發布的《義務教育信息科技課程標準》，也將計算思維作為核心素養之一，本文結合人工智能教學現狀，闡釋基于計算思維培養的人工智能教學銜接。

【關鍵詞】計算思維;人工智能;教學銜接

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）09-011-03

人工智能教學現狀

我國于2017年3月首次將人工智能寫入政府工作報告。2017年7月國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，明確指出“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”。2018年教育部印發《高等學校人工智能創新行動計劃》，指導推進中小學開設專門的人工智能課程。[1]《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱“信息技術新課標”）和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“信息科技課標”）都設置了人工智能模塊的內容。從我國教育事業發展角度看，人工智能教育的普及、課程的實施，有著十分重要的意義。

根據2022年發布的人工智能教育藍皮書來看，由于各地在經費保障、師資培訓、技術支持、教材建設、課程實施設置等軟硬件條件存在差異，造成人工智能教育落地實施情況參差不齊，只有37.95%的學校開展過人工智能教育教學活動，20.94%的學校正籌備開展，沒有開設的學校主要原因集中在沒有技術支持、缺乏專業師資、經費不足、學生無基礎等方面。在具體實施層面也存在一些關鍵性的“痛點”，人工智能教學進入教材易、進入課堂難，課時無法保障直接導致了不同學段的人工智能教學持續徘徊在感知、體驗的層面，無法深入。教師“智能”素養的缺失也導致教師對人工智能教學存在“畏難”情緒，無法融會貫通地設計教學內容，選擇教學方法。相比其它學科，人工智能教學的相關教學資源較少，進一步加劇了人工智能教育普及的難度，提高了人工智能教育落地的“門檻”。[2]讓人工智能教育在中小學真正落地，還有許多問題值得深入研究。

人工智能課程教學與計算思維

1.計算思維的內涵

美國華裔計算機科學家周以真教授于2006年首次提出“計算思維”的概念，并進行了多次補充，她認為計算思維就是運用計算機科學的思維方式及基礎概念進行問題解答和系統設計，像計算機科學家一樣思考問題、理解問題、解決問題等一系列涵蓋計算機科學的思維活動。[3]

信息技術新課標中將計算思維界定為：個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動。[4]計算思維受到越來越多的關注，眾多國家將計算思維作為基礎教育階段信息技術課程的指導理念和核心要素，作為信息科技（技術）學科核心素養培養的核心議題之一，計算思維已被公認為信息化社會中數字公民所應具備的基本素養。將計算思維融入中小學信息科技（技術）課程，對于提升信息科技（技術）課程內涵也具有重要價值，在人工智能教學中培養學生的計算思維非常重要。

2.人工智能課程的內涵

人工智能是模擬人的意識、思維的過程，是計算機科學、心理學、數學、神經科學等多學科的交叉，強調多學科知識融合，需要編程、算法、數學等基礎知識相互支撐。其精髓在于人工智能背景下的各學科知識融會貫通，使學生形成具體的能力與素養。在智能社會中，它將對各行各業滲透和影響，即使不從事人工智能相關領域，也需要對其有感知，具有人工智能素養。

信息科技課標中定義了人工智能是研究和開發用于模擬、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。[5]從中小學人工智能課程的目標和內容來看，計算思維是人工智能課程培養目標中的一項重要能力，中美兩國都提出了要注重計算思維、創新創造力、信息時代社會責任感等培養內容，旨在培養適應智能社會發展的公民，提升學生人工智能素養，在中小學人工智能課程中培養學生計算思維至關重要。

基于計算思維培養的人工智能跨學段銜接教學

信息技術新課標和信息科技課標在核心素養銜接方面一致性較好，都以信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任作為共同的學科核心素養，兩個課標中都有人工智能模塊，隨著新學期義務教育信息科技課標的實施，我們需要對小學、初中、高中三個學段從全局上考慮它們之間的關聯，思考學段間的銜接實施問題。

為了更好地落實新課標，我們從小學、初中、高中三個學段各選取一個人工智能教學案例，分別從目標、內容、方法三個維度，從培養學生計算思維角度出發，結合新課標進行修改調整，嘗試探索不同學段人工智能教學中的銜接教學。

1.人工智能教學跨學段目標銜接策略

以小學“身邊的人工智能”為例，原教學目標包括體驗人工智能設備，了解什么是人工智能;了解人工智能技術的定義和應用領域;分析人工智能產品，了解人工智能基本原理。改進后的教學目標則變為：了解人工智能的基本概念和特點，知道與人類智能的區別;通過實際操作，體驗人工智能的典型應用;能知道人工智能技術對社會生活的影響;能結合開源軟件，通過算法設計與程序開發，實現簡易的人工智能應用。

以初中“人工智能基礎”為例，原教學目標包括了解人工智能的概念，知道人工智能應用的場景;了解人工智能相關技術，感受人工智能對生活的影響;理解人工智能技術的核心是機器學習。改進后的教學目標則變為：通過體驗機器識花的過程與結果，與人類識別過程做比較，了解人和機器學習的過程;通過對比人類學習過程，抽象概括機器學習的一般過程，能利用圖形化編程軟件搭建簡單的識花模型;通過體驗百度人工智能模塊，了解人工智能應用方向，說出常見人工智能應用場景，感知技術對生活的影響。

以高中“探秘人工智能”為例，原教學目標包括知道人工智能的定義、價值和具體應用;通過分析人工智能應用典型場景，培養學生發現問題和解決問題的能力;通過對人工智能案例的分析，激發學生對人工智能的興趣。改進后的教學目標則變為：通過辯一辯、聽一聽、看一看等活動，了解人工智能的概念和發展歷史，激發學習興趣;通過圖像識別、語音合成等活動，體驗人工智能，了解人工智能技術的典型應用范圍;通過人工智能在生活中的應用，認識人工智能在信息社會中的重要作用，激發學生學習知識報效祖國的思想感情。

2.人工智能教學跨學段內容銜接策略

以小學“身邊的人工智能”為例，原活動內容包括由生活中的智能應用導入;什么是人工智能;認識語音識別;認識人臉識別;智能機器人;暢想未來的人工智能。改進后的活動內容則變為：人機識物，認識人工智能;活動（1）：使用APP軟件識別植物;說一說：通過軟件“認識”的植物名稱;做一做：使用“形色”程序來識別植物。動手操作，嘗試人工智能;活動（2）：使用xDing設計識圖小程序;結合人和機器識別植物的過程，使用xDing軟件設計一個人工智能小程序。分析作品，理解人工智能;活動（3）：探究人工智能的基本實現原理;思考：機器是如何具有這種認知能力的？在動物識別應用中，機器學習的是什么內容。暢所欲言，感受人工智能應用;活動（4）：暢談人工智能應用;觀看案例視頻，說一說：視頻中的人工智能技術主要模仿了人類哪方面的技能;你能從人工智能模仿人的角度出發，說一說你身邊的人工智能應用嗎？

以初中“人工智能基礎”為例，原活動內容包括什么是智能;判斷人工智能的標準是什么;人工智能的科學特點;人工智能的研究領域;人工智能的發展;圖像識別體驗;用人工智能開放平臺功能，識別圖像。改進后的活動內容則變為：體驗人工智能;活動（1）：人工識花和機器識花;實踐：嘗試利用百度識圖識別花名;總結：人工智能概念。認識人工智能;討論：你是怎么認識某種花的，說說你的認識過程;猜想：計算機為什么會認識花;總結提煉：機器學習過程。實踐體驗人工智能;活動（2）：解密計算機識花;實踐：利用mind+圖形化編程軟件實現簡單的花種識別模型。

以高中“探秘人工智能”為例，改進后的活動內容變為：問題一：人工智能的概念和分類;活動（1）：辯一辯人工智能產品;活動（2）：自學書本內容，了解概念和分類;問題二：人工智能的序幕和發展;活動（3）：聽音樂，比較、感受圖靈實驗;活動（4）：觀看人工智能的發展史，體驗自己的人機大戰;問題三：人工智能中的技術和應用;活動（5）：“我來出圖你來猜”，了解人工智能中的技術應用;活動（6）：理解人工智能中的技術并體驗;問題四：人工智能對人類社會的影響;活動（7）：分析正面影響與負面影響;活動（8）：討論面對人工智能社會，我們要做些什么。

3.人工智能教學跨學段教學方法銜接策略

以小學“身邊的人工智能”為例，原教學方法包括任務驅動法、學習支架結構法等。改進后的教學方法則變為：基于建構主義理論，通過對比“形色”App識圖認物的過程，感受人工智能的產品;采用“使用—修改—創作”的教學思路，使用xDing編程軟件設計自己的“識圖認物”人工智能作品，進一步激發學生的學習興趣;通過觀看視頻直觀展示機器學習過程，幫助學生了解人工智能的核心是機器學習。

以初中“人工智能基礎”為例，原教學方法包括任務驅動法、示范性教學法等。改進后的教學方法則變為：基于學習遷移理論，類比人類智能以及人類學習的過程，幫助學生總結人工智能的概念以及機器學習的一般過程;采取探究學習、支架式教學幫助學生在問題解決的過程中深度體會機器學習的一般過程;提供學習支架、表格、半成品程序。

以高中“探秘人工智能”為例，原教學方法包括任務驅動法、體驗學習教學法等。改進后的教學方法則變為：通過學生已有的生活經驗入手，引導學生思考對比人類智能與人工智能;通過了解人工智能的典型應用，引導學生對人工智能的深層思考;借助于百度、科大訊飛等人工智能開放平臺，幫助學生理解人工智能核心技術。

我們發現在不同版本的教材中，同樣主題的教學內容可能在中小學三個學段中都會有，比如同樣是初識人工智能的教學內容，三個學段都有涉及，它們之間如何銜接，不同學段步步深入的地方又如何體現，這些都是值得我們去思考的內容。在教學中我們可以通過建構“設計—實踐—反思—設計”反復循環的課堂教學實施結構，不斷優化迭代人工智能教學的銜接問題。

在中小學開展人工智能教育是大勢所趨，是時代發展的必然，是學生個性化發展的需求，在當下顯得尤為重要，如何把高深的人工智能專業知識下移降維到適合中小學生學習，要處理好不同學段間的銜接問題，把人工智能的專業知識滲透給他們。計算思維是信息科技（技術）學科的核心素養之一，將計算思維的培養融入到人工智能課程教學中非常有意義，基于計算思維培養的人工智能教學，是培養學生計算思維的新路徑，通過人工智能課程的學習，學會應用智能技術思考和解決問題，更好地適應智能時代，提升他們的人工智能素養，從而培養他們的計算思維。

參考文獻

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令莉. 高中信息技術基礎課程在培養學生計算思維中的策略探究[J]. 教育教學論壇，2019（33）： 186-187.

[5] 中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準（2022年版）[M]. 北京：北京師范大學出版社，2022.