中小學人工智能教育中計算思維的培養策略探討

鄒連凱 杜汕

2017年，教育部提出要推廣人工智能教育，在中小學階段廣泛設置人工智能的教學內容，從而為編程教育打下基礎。在中小學組織人工智能教學，主要是為了能夠讓學生先簡單了解人工智能的原理，對其計算思維、實踐能力進行培養，從而幫助學生在后續的學習中養成獨立思考的習慣，提高學生的綜合能力。

一、人工智能教育現狀

中小學進行人工智能教學主要體現在計算機課程方面，但是在這一課程中主要是介紹計算機的發展史和一些基礎的理論，對人工智能的全面應用沒有進行講解，不能滿足現在人工智能教育的根本需求。從課堂實踐的角度來看，在進行教學時，仍然是對學生進行簡單的技能訓練，不重視對學生計算思維的培養，而是采用固化的教學方式，讓學生被動地接受并對其模仿，這樣的教學會導致學生無法擴展自己的思維，只是機械地學習，在學習中不能主動思考，一些創新型的編程技能無法得到提升。從教學內容來看，目前中小學都會進行計算機教學課程，內容常常是反復的，沒有形成一個規范化的體系，使教學的內容不能逐漸遞進。同時，一些教學內容還會出現碎片化現象，其中缺乏一些實踐的案例，使中小學生在學習時會出現障礙，計算、創新、實踐等能力都會降低。為了能夠保證人工智能教育的效率，并在教育中培養學生的計算思維，就需要利用不同的教學方式，結合學生的年齡、性格特點，創新教學的方式，使計算思維的培養更有效。

二、中小學人工智能教育中計算思維的培養策略

1. 利用游戲培養計算思維

通過對中小學人工智能教育的現狀分析，可以發現其教育效率不高，所以教師在進行教學時要盡量采用游戲化的方式，利用數字游戲或者是游戲活動，提高學生的積極性。例如，教師可以把學生分為兩組，一組設計電子游戲的情境，讓學生了解相關的信息技術知識，另一組則仍然采用傳統的理論講解方式。教學完成后，對這兩組學生的學習成果進行檢驗發現，第一組學生在計算思維、實踐能力等方面都得到了提升，所以這種游戲化教學是比較有效的。在游戲教學時，也可以采用電子游戲網絡評估平臺，這一平臺主要是對學生在打游戲時的一些操作進行智能批改，并對學生的排名進行公告，這也是一種比較流行的智能教育系統。在智能平臺中，教師主要是把一些編程中需要運用的計算思維生成一個個短小的游戲，讓學生在游戲中完成教師所布置的學習任務，這樣學生就能在輕松的氛圍中進行學習，并切實地提升自身的計算思維。除了數字游戲教學以外，教師還可以進行游戲活動的教學，讓學生從實踐角度去學習計算機的知識，并且可以利用自身的計算思維去編寫，提升學生實踐操作、計算的能力。

2. 采用小組合作方式

目前的教學現狀逐漸從“以教師為主”轉變為“以學生為主”，學生才是教育的主體，所以在進行人工智能教學的時候，就要采用小組合作的方式，學生在虛擬的環境中通過互助協作的方式完成教師布置的任務，可以提高對社會的認知水平，也讓學生的計算、創新能力得到了提升。在合作的過程中，學生可以通過自主性的思想來進行角色的分配，小組成員之間相互合作完成計算的任務。計算思維其實也是解決問題的思維，把學生的解題過程通過“程序化”的方式表達出來，然后再根據這一具體的算法轉換成程序編寫。小組合作的時候，如果在解題過程中出現思路堵塞、計算錯誤等問題，小組的其他成員就能及時地指出，降低了計算的錯誤率。在小組合作的過程中，教師可以提供多元化的學習材料或者是學習虛擬場景。由于中小學生有一定的操作能力和想象力，所以教師在布置學習任務的時候要結合學生的特點，提供一些相應的“半成品”，這樣就可以為學生提供交流以及操作方面的機會。教師在安排小組虛擬場景時，應注意創造多樣化的場景，利用多樣化的場景開發學生的想象力，培養學生的計算和合作能力，它不僅有利于人工智能教育的進一步發展，還能提高學生的協商和計算能力。

3. 采用翻轉課堂進行教學

中小學生現階段的特點是記憶力好、可塑性強，但同時其注意力也容易分散，所以學生很快就會對重復的內容失去興趣。因此，在實施翻轉課堂時，應注意學生的身心特點，所使用的學習資源應盡量保持簡短，同時形式多樣。所以，有必要探索具有一定特點的人工智能翻轉課堂，并為不同的學習模塊（如，編程、繪圖、計算等）開設不同類型的課程，以使學生能夠逐步適應具有計算特點的人工智能翻轉課堂。為了更好地實施翻轉課堂，不僅需要對教師進行技能培訓，還需要對學生進行一定程度的培訓。必要的可操作性可使學生更好地融入翻轉課堂，學生操作平板電腦的能力不同，因此學校有必要為學生提供基礎培訓，包括計算機基礎編程操作、檢索、整理信息等。這不僅能提高學生計算思維的運用效率，還能培養學生自主學習和研究性學習的習慣，最終實現個性化學習，教學效率得到提升。例如，在對“計算機科學”這一內容進行翻轉課堂教學的時候，教師可以引導學生用四分之三的時間進行計算機的實際操作，完成教師布置的任務，實現了人工智能的測評；教師再用剩下四分之一的時間對學生傳授計算機科學知識的關鍵理論，加強學生在實踐中的理解。翻轉課堂的教學可以讓教師從繁重的教學任務中得到釋放，同時也讓人工智能的應用更深入，激發學生的學習積極性，促進其計算思維的提升。

4.通過案例進行實踐教學

如果想要保證中小學生在人工智能教學中提升計算思維能力，那么實踐教學方式必不可少，可以通過開展一些有趣的活動，把信息技術方面的知識和計算思維融合，提升學生的學習水平，讓學生在分解、抽象、計算等思維過程之后更好地解決問題。例如，在對“分解”這一知識進行教學的時候，學生需要將情景中出現的問題進行分解，并且要寫出具體的解決步驟，在“莫妮卡地圖”這個活動中，學生需要在增長地圖中找到兩個物體之間最短的距離，在找到最短的路徑之后，學會使用乘數來表達解題過程。學生在完成這些任務之后，就可以深入地了解分解算法、模擬等計算的概念，使其計算思維能力得到提升。在實踐教學活動開展的過程當中，教師需要指導學生對于人工智能知識當中存在的隱性特點進行初步的了解，進而深入體會和把握其所具備的真正核心內涵，選擇可以直接用來展現這些實質特征的計算方法，并且能夠做到掌握解題速度、計算的準確性、創新性等諸多方面的基本要素。在實踐教學的開始，教師需要先為學生講解與人工智能知識有關的內容，如果教學的時間足夠充裕，還可以與學生一起觀看編程、分解等具體的內容，讓學生能夠在整體上對信息技術方面的知識有一定的認識和理解。在這之后，教師還可以針對編程的變化、AI指令的變化做好標記，以此來進行提醒和說明，讓學生能夠更好地對這一知識進行理解，拓展學生的計算思維。

5. 隱喻及支架培養策略

在教學中采用隱喻的方法，可以把比較抽象的事物具象化，避免煩瑣的邏輯理論和概念給學生帶來的學習困難。可以利用隱喻和圖片化的編程軟件進行教學，采用學生生活中容易理解的事物對一些抽象化的指令進行解析。同時，隱喻的教學方法可以呈現出人工智能中的邏輯關系，然后比較清晰地對問題進行解答，降低學生在學習、記憶和實踐中的難度，有利于培養其計算思維能力。而采用支架教學方法主要是采用人工智能技術創設出教學情境，讓復雜的問題通過情境層層剝離，從而使學生一步步地解決問題。由于人工智能中的一些理論原理是很難理解和學習的，所以就可以采用智能語音等技術，構建一個情境支架，讓學生在這一情境中創設出一個作品，使其原理在作品中展現，從而展現教學的層次化，也使學生在分解的時候充分運用計算思維，降低了代碼的編寫難度，使學生在學習人工智能知識的時候更有積極性，促進其計算思維的發展。

三、結論

綜上所述，在人工智能教育中培養中小學生的計算思維，可以使其在思考問題時更加全面，對信息技術的運用能力更強。主要是從游戲、合作、案例等角度進行培養，讓中小學生的計算思維可以得到全面拓展，逐漸提高學生對人工智能的掌握程度，激發學生學習的興趣，達到創新培養的效果。

（作者單位：鄒連凱 山東省教育學會；杜 汕山東省濟南商貿學校）

責任編輯：莊 源