指向計算思維培養(yǎng)的人工智能課程教學(xué)實踐研究

摘要：本文以新冠疫情為背景，設(shè)計了智能測溫貓課程，將計算思維根植其中，引導(dǎo)學(xué)生在制作非接觸式的智能測溫作品過程中，圍繞實際問題，運(yùn)用計算思維創(chuàng)造性地分析問題、拆解問題、解決問題，讓學(xué)生去體驗、感受計算思維，并逐步形成計算思維。

關(guān)鍵詞：人工智能；計算思維；智能測溫貓；教學(xué)設(shè)計與實踐

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）21-0000-03

國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出：“在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程。”教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動計劃》提出：“要完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，使中小學(xué)人工智能課程開展與實施適應(yīng)信息時代、智能時代發(fā)展需求。”新冠疫情的暴發(fā)進(jìn)一步催化了人工智能在多場景中運(yùn)用所發(fā)揮的重要作用，在此背景下，筆者聚焦人工智能與課程革新，以識人說話的智能測溫貓為例，設(shè)計開發(fā)了人工智能相關(guān)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，引導(dǎo)學(xué)生形成良好的信息素養(yǎng)。

小學(xué)人工智能教育的關(guān)鍵點(diǎn)

1.人工智能教育的培養(yǎng)核心是計算思維

開展人工智能教育的目的不僅僅是對學(xué)生進(jìn)行人工智能知識的科普，也不是去培養(yǎng)編程人才，而通過提高學(xué)生的問題求解能力，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。只有具備了計算思維，學(xué)生才能更好地理解人工智能的基本思想和理念。

2.基于認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，層層推進(jìn)小學(xué)人工智能課程

皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論指出：“小學(xué)階段的學(xué)生可以將感知動作內(nèi)化，并能在具體內(nèi)容的支持下進(jìn)行簡單的抽象邏輯思維。”教師可以通過一系列人工智能小故事或視頻，讓小學(xué)生直觀了解什么是人工智能，也可以通過生活中應(yīng)用到的智能小工具讓學(xué)生感受人工智能給生活帶來的便利等。學(xué)生通過初步體驗人工智能的用途，明白人工智能的實際應(yīng)用，建立對人工智能的認(rèn)識和感悟。此外，在小學(xué)階段可以引入圖形化編程工具，對學(xué)生進(jìn)行編程及計算思維的啟蒙與滲透，讓學(xué)生通過簡單的圖形化編程，完成人工智能相關(guān)作品。

智能測溫貓教學(xué)設(shè)計與實踐

1.教學(xué)設(shè)計

在新冠疫情背景下，筆者設(shè)計了可用于疫情防控的智能化作品——測溫貓。采用紅外測溫技術(shù)及人工智能技術(shù)對特定人員進(jìn)行非接觸式體溫檢測，通過數(shù)碼管顯示溫度，并運(yùn)用WIFI連接物創(chuàng)云平臺，在云端實時監(jiān)管監(jiān)測數(shù)據(jù)。若體溫判斷正常，則語音播報并自動打開舵機(jī)閥門；若體溫判斷過高，則語音播報且亮紅燈警示，并自動關(guān)閉舵機(jī)閥門。

（1）學(xué)習(xí)對象和教學(xué)內(nèi)容

本次課程的開展對象為本校六年級的學(xué)生，主要側(cè)重對編程的基本知識與基本技能的掌握。學(xué)生在三年級時接觸了圖形化編程，對圖形化編程的界面較為熟悉，五年級學(xué)習(xí)了Python編程課程，編程能力得到了明顯的提升，同時，五年級已經(jīng)開展了對人工智能基礎(chǔ)概念的講解。

識人說話的智能測溫貓的設(shè)計與開發(fā)，主要包括紅外測溫模塊和人臉識別模塊，智能貓的智慧防疫主控板使用杜邦線與各類傳感器連接，包含紅外測溫傳感器、聲音傳感器、數(shù)碼管模塊、人體紅外傳感器，及執(zhí)行模塊（紅燈、舵機(jī)）等硬件。將各種傳感器通過杜邦線與主控板連接進(jìn)行硬件搭設(shè)。使用Arduino進(jìn)行硬件設(shè)計，采用了圖形化以及積木搭建的編程方式，可以實現(xiàn)在線運(yùn)行和下載運(yùn)行。

（2）教學(xué)目標(biāo)

①通過視頻感受人工智能在新冠疫情防控場景中的使用情況，建立對人工智能的直觀認(rèn)識，感受人工智能發(fā)揮的重要作用。②通過對開源機(jī)器人智能貓軟硬件的認(rèn)識，初步理解人工智能的基礎(chǔ)知識與基本思想，能簡單解釋人工智能產(chǎn)品背后的原理。③通過編程的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)計算思維和實踐能力，能夠在實踐中完成簡單的人工智能作品。

（3）教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：紅外測溫模塊的編程設(shè)置。

難點(diǎn)：人臉識別模塊的編程設(shè)置。

（3）教學(xué)方法和策略

本課程采取“項目導(dǎo)入、任務(wù)驅(qū)動”的教學(xué)方法。以新冠疫情防控的現(xiàn)實需求導(dǎo)入項目，將任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，貫穿于教與學(xué)的始終，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在理解項目初衷的前提下自主設(shè)計與創(chuàng)新，逐步深入項目，從而獲得創(chuàng)新能力的提升。

2.教學(xué)實踐

（1）情境導(dǎo)入

教師活動：播放短視頻《AI體溫監(jiān)測新冠疫情防控系統(tǒng)如何在車站等人員密集場所進(jìn)行新冠疫情管控》。通過生活中人工智能的真實應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)生的思考，并展示本節(jié)課的作品案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

學(xué)生活動：集中注意力，認(rèn)真觀看視頻，思考視頻中的AI體溫監(jiān)測新冠疫情防控系統(tǒng)是如何發(fā)揮作用的，并積極回答教師提出的問題。

（2）任務(wù)一：智能貓硬件組成與外觀設(shè)計

教師活動：開展識人說話的智能測溫貓的設(shè)計與開發(fā)。引導(dǎo)學(xué)生思考智能貓需要哪些智能模塊，分組開展項目式學(xué)習(xí)，完成基本硬件的連接；引導(dǎo)學(xué)生采用環(huán)保塑料設(shè)計拼搭智能貓的外形，使硬件布局合理。

學(xué)生活動：劃分小組，思考智能貓測溫系統(tǒng)需要哪些組成部分，并動手完成智能貓硬件系統(tǒng)的連接和組裝，通過小組探究和詢問教師這兩種方式解決硬件搭建過程中遇到的問題。

（3）任務(wù)二：紅外測溫模塊和人臉識別模塊的編程設(shè)置

教師活動：

師：智能貓已經(jīng)搭建完畢，但它還不能智能思考。同學(xué)們需要給智能貓一個“智能的大腦”，通過xDing編程平臺對紅外測溫模塊和人臉識別模塊進(jìn)行編程設(shè)置，程序編寫用圖形化編程語言實現(xiàn)，紅外測溫模塊包括紅外測溫設(shè)置和數(shù)碼管顯示溫度設(shè)置，人臉識別模塊包括人臉識別錄入設(shè)置和特定人臉紅外測溫。

學(xué)生活動：認(rèn)真聆聽知識要點(diǎn)，分析任務(wù)要求，并進(jìn)行組內(nèi)交流，共同梳理各模塊的編程思路，優(yōu)化方法。

（4）協(xié)同任務(wù)完成

教師活動：引導(dǎo)學(xué)生思考，分解任務(wù)，輔助學(xué)生拆解操作過程中遇到的問題，鼓勵學(xué)生大膽創(chuàng)新嘗試。

學(xué)生活動：小組合作完成作品“智能貓”的搭建與編程設(shè)計，遇到難點(diǎn)積極與組內(nèi)學(xué)生探討，嘗試多種解決方案。

（5）成功作品分享

教師活動：為學(xué)生提供交流展示的平臺；對學(xué)生展示的內(nèi)容進(jìn)行評價，提出亮點(diǎn)，分析不足等。

學(xué)生活動：各組分別進(jìn)行匯報展示，分享智能貓制作的過程、心得體會，及完成作品之后的收獲。

（6）課外拓展

教師活動：

師：智能貓已經(jīng)可以自動識別人臉和測溫，可是智能貓如何把監(jiān)測的數(shù)據(jù)圖像反饋給我們呢？通過WIFI連接物創(chuàng)云平臺可以實現(xiàn)云數(shù)據(jù)的存儲與上傳、圖形化顯示與分享。通過云端實時監(jiān)管檢測數(shù)據(jù)，可以對數(shù)據(jù)異常進(jìn)行反控。（微視頻指導(dǎo)學(xué)生課外學(xué)習(xí)）

學(xué)生活動：課后有興趣可以進(jìn)行編程嘗試，實現(xiàn)這一功能。

3.教學(xué)評價與分享

本課程采用項目小組內(nèi)部評價與教師評價相結(jié)合的方式。在作品展示環(huán)節(jié)，可以先進(jìn)行組內(nèi)自評、組間他評，然后再進(jìn)行教師評價。此外，教師可以對小組項目的匯報進(jìn)行過程性評價；學(xué)生則可以從該小組作品設(shè)計的美觀性、適用性、可操作性等方面進(jìn)行結(jié)果性評價。

在項目的評比、交流過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生對作品進(jìn)行優(yōu)化，不斷改進(jìn)完善智能貓，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、抽象思維能力以及自主創(chuàng)新能力，同時也提升學(xué)生的社會責(zé)任感。

4.教學(xué)反思

在教學(xué)設(shè)計中，教師應(yīng)珍惜學(xué)生“試錯”的機(jī)會，因為“試錯”本身就是一種學(xué)習(xí)，而不是一味地追求教學(xué)預(yù)設(shè)與實驗結(jié)果完全一致。當(dāng)出現(xiàn)預(yù)設(shè)與實驗結(jié)果不一致時，應(yīng)當(dāng)積極地引導(dǎo)學(xué)生找出問題所在，然后調(diào)整方案直至問題解決。在教學(xué)過程中，應(yīng)以拓展學(xué)生計算思維為核心，讓學(xué)生在課堂上思考、實踐，協(xié)作開展學(xué)習(xí)交流，體會到人工智能技術(shù)發(fā)揮的重要作用。

結(jié)束語

在小學(xué)階段開展人工智能教育，需要充分考慮學(xué)生的認(rèn)知能力、知識水平等因素，分層次地設(shè)計人工智能課程內(nèi)容。在人工智能教學(xué)中，教師應(yīng)重視對計算思維的培養(yǎng)，將計算思維融入到理論和實踐教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，鍛煉學(xué)生抽象、分解、轉(zhuǎn)換以及仿真能力，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)造力和處理現(xiàn)實問題的能力，從而為人工智能的發(fā)展培養(yǎng)新一代“智能”人才。

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本論文為江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度課題“基于計算思維測評的小學(xué)生階梯式編程教育研究”（批準(zhǔn)號為：D/2021/02/543）的成果之一。