基于計(jì)算思維的小學(xué)人工智能課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘 "要 "計(jì)算思維是信息科技課程的核心素養(yǎng)之一。人工智能作為信息科技教學(xué)內(nèi)容出現(xiàn)，在課堂中該如何有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維呢？項(xiàng)目式學(xué)習(xí)注重引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并通過(guò)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)性和指向核心素養(yǎng)的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)很好地契合了計(jì)算思維。以五年級(jí)“制作能對(duì)話的百科機(jī)器人”為例，通過(guò)設(shè)計(jì)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索，活用多學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)并制作人工智能產(chǎn)品，讓學(xué)生在問(wèn)題的解決過(guò)程中提升計(jì)算思維。

關(guān)鍵詞 "人工智能；計(jì)算思維；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；百科機(jī)器人；核心素養(yǎng)；微課

中圖分類號(hào)：G623.58 """文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）13-0-05

0" 引言

當(dāng)前我國(guó)中小學(xué)人工智能教育開始進(jìn)入快速發(fā)展軌道，但縱觀國(guó)內(nèi)中小學(xué)人工智能課程現(xiàn)狀，尚存在諸多不足。人工智能教育主要依托信息技術(shù)課程、STEM課程、創(chuàng)客課程、計(jì)算機(jī)科學(xué)課程開展，人工智能教育缺乏明確的目標(biāo)指引。雖然從小學(xué)、初中到高中都有不同專題的人工智能相關(guān)課程，但是課程內(nèi)容趨向碎片化，缺少對(duì)人工智能意識(shí)、方法、能力目標(biāo)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，更未凸顯對(duì)人工智能學(xué)科思維、計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。新課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出，教學(xué)目標(biāo)要以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，教學(xué)內(nèi)容要跳出學(xué)科邏輯和知識(shí)點(diǎn)羅列的窠臼，以結(jié)構(gòu)化的方式來(lái)組織課程內(nèi)容，如引入大主題驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)來(lái)重構(gòu)課程內(nèi)容。本文以“制作能對(duì)話的百科機(jī)器人”項(xiàng)目為例，探究人工智能課程中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的方法與策略。

1" 基于計(jì)算思維的小學(xué)人工智能課程項(xiàng)目式"" 學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

1.1" 項(xiàng)目主題

本課內(nèi)容改編自中央電教館人工智能教材（小學(xué)版）第3章第2節(jié)“讓小飛回答你的問(wèn)題”，主要內(nèi)容是學(xué)習(xí)如何使用自然語(yǔ)言處理技術(shù)，運(yùn)用人機(jī)對(duì)話程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人解決問(wèn)題的能力。五年級(jí)的學(xué)生對(duì)于原理理解有一定難度，具有信息搜集能力，有一定編程基礎(chǔ)，因此結(jié)合學(xué)生實(shí)際學(xué)情進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)綜合性項(xiàng)目“制作能對(duì)話的百科機(jī)器人”引導(dǎo)學(xué)生感受人工智能技術(shù)與社會(huì)現(xiàn)實(shí)間的相互關(guān)系，幫助學(xué)生成長(zhǎng)為智能技術(shù)的使用者和創(chuàng)造者。本項(xiàng)目共用4課時(shí)完成，見(jiàn)圖1。

1.2" 項(xiàng)目目標(biāo)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的目標(biāo)不僅包括對(duì)人工智能知識(shí)的習(xí)得，還包括具體技能和思維習(xí)慣的養(yǎng)成。在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)目標(biāo)的制定上，結(jié)合《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出的四個(gè)核心素養(yǎng)確定項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1）信息意識(shí)：結(jié)合項(xiàng)目問(wèn)題情境，學(xué)生能夠有意識(shí)地借助網(wǎng)絡(luò)搜索和選擇百科資料，設(shè)計(jì)百科機(jī)器人的問(wèn)答系統(tǒng)，感受運(yùn)用信息技術(shù)獲取信息的優(yōu)勢(shì)。

2）計(jì)算思維：能夠簡(jiǎn)單描述人機(jī)對(duì)話的基本過(guò)程，通過(guò)綜合性項(xiàng)目“制作能對(duì)話的百科機(jī)器人”這一學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生在分組、合作探究、展示交流、作品評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)分解問(wèn)題、抽象問(wèn)題、設(shè)計(jì)算法、測(cè)試評(píng)估、反思優(yōu)化并總結(jié)解決問(wèn)題的方法，并將其遷移到其他問(wèn)題的求解中。

3）數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：能夠合理運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)資源、微課資源開展自主學(xué)習(xí)和合作探究，掌握“制作能對(duì)話的百科機(jī)器人”需要的關(guān)鍵人工智能知識(shí)，綜合運(yùn)用人機(jī)對(duì)話、語(yǔ)音合成等編程模塊，積極探索、大膽想象和設(shè)計(jì)百科機(jī)器人，通過(guò)互動(dòng)課堂平臺(tái)、問(wèn)卷星等工具進(jìn)行小組展示與評(píng)價(jià)，在反思和交流中對(duì)學(xué)習(xí)作品進(jìn)行完善與迭代。

4）信息社會(huì)責(zé)任：通過(guò)“人機(jī)百科問(wèn)答PK賽”，通過(guò)看、聽(tīng)、說(shuō)、想等多感官維度的人工智能場(chǎng)景產(chǎn)品體驗(yàn)，建立對(duì)人工智能的直觀認(rèn)識(shí)，感受人工智能給生活帶來(lái)的巨大改變。

2" 基于計(jì)算思維的小學(xué)人工智能課程項(xiàng)目""" 式學(xué)習(xí)實(shí)踐

2.1" 項(xiàng)目確定與分析

項(xiàng)目確定與分析包括提出問(wèn)題、創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目主題情境、小組討論、匯報(bào)展示、項(xiàng)目分解等多個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)內(nèi)容。為了更有效地引導(dǎo)學(xué)生開展項(xiàng)目探究，本課利用暢言智AI編程平臺(tái)、暢言智慧課堂互動(dòng)平臺(tái)、問(wèn)卷星等一系列工具支持教學(xué)，同時(shí)設(shè)計(jì)了項(xiàng)目學(xué)習(xí)單、微課學(xué)習(xí)資源（見(jiàn)圖2）。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了三個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)，幫助學(xué)生將項(xiàng)目問(wèn)題進(jìn)行分解和抽象，提高學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解與分析能力。

學(xué)習(xí)活動(dòng)1：創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題

通過(guò)互動(dòng)游戲“趣味百科問(wèn)答”引入，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)視頻“人機(jī)百科問(wèn)答PK賽”中人戰(zhàn)勝了機(jī)器人汪仔，引發(fā)學(xué)生思考：機(jī)器人汪仔是如何實(shí)現(xiàn)百科問(wèn)答的呢？你能設(shè)計(jì)并制作一款服務(wù)我們學(xué)習(xí)生活的百科機(jī)器人嗎？學(xué)生也可以通過(guò)項(xiàng)目學(xué)習(xí)單了解項(xiàng)目情境。

學(xué)習(xí)活動(dòng)2：微課導(dǎo)學(xué)，任務(wù)初探

【項(xiàng)目分解1】機(jī)器人“汪仔”是如何實(shí)現(xiàn)百科問(wèn)答的呢？機(jī)器人汪仔實(shí)現(xiàn)百科問(wèn)答的核心知識(shí)點(diǎn)是人機(jī)對(duì)話，教師通過(guò)提供微課資源，引導(dǎo)學(xué)生先進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過(guò)微課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠知道制作能對(duì)話的百科機(jī)器人的核心是設(shè)計(jì)問(wèn)答系統(tǒng)，也就是需要提前將機(jī)器人要回答的問(wèn)題和答案設(shè)計(jì)好，然后編寫到機(jī)器人的程序中，這樣機(jī)器人就可以實(shí)現(xiàn)百科問(wèn)答。看完微課后，可以通過(guò)自測(cè)問(wèn)卷對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行檢測(cè)，了解學(xué)生自學(xué)效果。

【項(xiàng)目分解2】你能設(shè)計(jì)并制作一款服務(wù)我們學(xué)習(xí)生活的百科機(jī)器人嗎？在學(xué)生了解該項(xiàng)目的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)之后，給學(xué)生一定的時(shí)間先初步探究制作能對(duì)話的百科機(jī)器人，進(jìn)一步鞏固項(xiàng)目學(xué)習(xí)必備的人工智能編程知識(shí)，了解人機(jī)對(duì)話編程實(shí)現(xiàn)的基本過(guò)程，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并嘗試解決問(wèn)題。

學(xué)習(xí)活動(dòng)3：匯報(bào)展示，項(xiàng)目分解

初步探究后組織學(xué)生匯報(bào)展示，結(jié)合作品制作遇到的問(wèn)題進(jìn)行集中討論（表1）。

2.2" 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施

結(jié)合項(xiàng)目分析，學(xué)生已經(jīng)對(duì)項(xiàng)目作品制作有了基本思路，項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施主要包括四個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)。為尊重學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需要，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多樣化的選題方向，多學(xué)科融合主題學(xué)習(xí)活動(dòng)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)人機(jī)對(duì)話、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別等人工智能技術(shù)的綜合應(yīng)用。學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人特長(zhǎng)（信息素養(yǎng)、繪畫等）選擇相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)展開合作（表2）。在學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程中，教師的主要任務(wù)是觀察和了解每個(gè)小組的項(xiàng)目開展情況，指導(dǎo)小組成員的分工，并對(duì)項(xiàng)目開展過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行跟蹤和記錄。

任務(wù)1：設(shè)計(jì)_____百科機(jī)器人

學(xué)生小組討論，確定選題方向及任務(wù)分工。學(xué)生首先上網(wǎng)查閱主題相關(guān)百科資料，然后討論確定出問(wèn)答系統(tǒng)中的問(wèn)題和答案內(nèi)容，并填寫到學(xué)習(xí)單上（圖3）。

結(jié)合前面的項(xiàng)目分析，學(xué)生在初步體驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，為了更好地讓其他學(xué)生體驗(yàn)百科機(jī)器人，需要給機(jī)器人設(shè)計(jì)導(dǎo)航封面用于呈現(xiàn)在機(jī)器人屏幕上，學(xué)生使用彩筆繪制導(dǎo)航封面（圖4）。

任務(wù)2：編程制作能對(duì)話的百科機(jī)器人

依據(jù)已有的問(wèn)答系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)器人導(dǎo)航封面設(shè)計(jì)，結(jié)合人機(jī)對(duì)話等相關(guān)編程知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生開始動(dòng)手編程，通過(guò)不斷嘗試、調(diào)試、改進(jìn)以達(dá)到更好的呈現(xiàn)效果。與此同時(shí)，思考本組設(shè)計(jì)的百科機(jī)器人與實(shí)際生活的聯(lián)系，即這款機(jī)器人可以應(yīng)用在什么場(chǎng)合。基于場(chǎng)景應(yīng)用的思考，能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人特色功能的設(shè)計(jì)。

在作品調(diào)試過(guò)程中，學(xué)生將自己遇到的困難及解決辦法記錄在學(xué)習(xí)單上，為作品展示分享做準(zhǔn)備（圖5）。從學(xué)習(xí)單記錄情況看，學(xué)生遇到的問(wèn)題主要有“機(jī)器人無(wú)法識(shí)別提問(wèn)，無(wú)法作答，沒(méi)有聲音”“導(dǎo)航圖片不能顯示”等，有些小組通過(guò)重試或調(diào)整程序解決了部分問(wèn)題。

2.3" 項(xiàng)目展示與評(píng)價(jià)

項(xiàng)目作品展示采用線上線下相結(jié)合的方式進(jìn)行（圖6）。線上展示通過(guò)人人通平臺(tái)發(fā)布學(xué)生展示作品，并線上發(fā)表看法。線下組織學(xué)生在課堂中分小組進(jìn)行作品展示，主要展示組內(nèi)分工、作品效果、遇到的困難及解決辦法。其他小組結(jié)合評(píng)價(jià)記錄表或互動(dòng)討論工具對(duì)每個(gè)小組的作品完成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要從作品完整度、創(chuàng)新性、小組合作學(xué)習(xí)等方面作評(píng)價(jià)。學(xué)生在相互交流展示項(xiàng)目成果時(shí)，會(huì)迸發(fā)出許多思維的火花，如多樣的問(wèn)題解決方法、新穎的觀點(diǎn)等，通過(guò)聽(tīng)取不同同學(xué)的想法，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)更多的問(wèn)題解決思路，從而促進(jìn)計(jì)算思維的提升。在此基礎(chǔ)上，還可以通過(guò)問(wèn)卷星對(duì)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，了解學(xué)生互評(píng)和自評(píng)的基本情況。

2.4" 項(xiàng)目總結(jié)與拓展

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)能夠使學(xué)生切實(shí)體驗(yàn)到真實(shí)的情境，并在完成項(xiàng)目過(guò)程中反思和抽象出知識(shí)，通過(guò)活動(dòng)后的反思，使學(xué)生的思維層次得到提高，解決實(shí)際問(wèn)題的能力得以提升。結(jié)合本項(xiàng)目中較難理解的人機(jī)對(duì)話原理問(wèn)題與學(xué)生一起進(jìn)行總結(jié)和歸納，以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程中“對(duì)機(jī)器人說(shuō)話，有時(shí)機(jī)器人會(huì)沒(méi)有反應(yīng)”等問(wèn)題進(jìn)行討論，進(jìn)一步理解人機(jī)對(duì)話背后的原理。除此之外，教師提前搜集好拓展視頻資源支持學(xué)生線上或線下學(xué)習(xí)，進(jìn)一步延伸人機(jī)對(duì)話的應(yīng)用場(chǎng)景，還可以通過(guò)繪制項(xiàng)目主題小報(bào)等進(jìn)一步加強(qiáng)和鞏固學(xué)習(xí)效果（圖7）。

3 "課堂實(shí)踐反思

“制作能對(duì)話的百科機(jī)器人”項(xiàng)目是基于計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能課程，學(xué)生在制作能對(duì)話的百科機(jī)器人的過(guò)程中，能夠進(jìn)一步理解人機(jī)對(duì)話的技術(shù)原理，在制定解決人工智能問(wèn)題的方案并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過(guò)程、計(jì)算思維過(guò)程和數(shù)字化工具應(yīng)用過(guò)程，建構(gòu)知識(shí)，提升問(wèn)題解決能力。在合作與展示作品的過(guò)程中，學(xué)生的溝通與協(xié)作能力得到進(jìn)一步提升。通過(guò)引入多元化的數(shù)字資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，有效支持學(xué)生在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境下進(jìn)行自我規(guī)劃、自我管理和自我評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。

學(xué)生最終設(shè)計(jì)的百科機(jī)器人作品如何真正與自己的生活實(shí)際相聯(lián)系？即思考自己設(shè)計(jì)的百科機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景，如應(yīng)用于語(yǔ)文課堂的語(yǔ)文百科機(jī)器人、應(yīng)用于家庭解答英語(yǔ)知識(shí)的百科機(jī)器人、應(yīng)用于天文館的天文百科機(jī)器人等，由于這些場(chǎng)景需要的機(jī)器人功能更加完備，問(wèn)答卡資源需求更豐富，因此較難實(shí)現(xiàn)學(xué)生作品的實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)化。后期可以結(jié)合學(xué)校實(shí)際需要，挑選問(wèn)答卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容較少的場(chǎng)景，如“設(shè)計(jì)可以介紹學(xué)校歷史的問(wèn)答機(jī)器人”“設(shè)計(jì)智能皮影館用于介紹四代皮影的百科機(jī)器人”“設(shè)計(jì)校園植物百科機(jī)器人”等，這樣的場(chǎng)景設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生進(jìn)一步走出課堂、走進(jìn)學(xué)校，更有效地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)想法的實(shí)際應(yīng)用。

4" 結(jié)束語(yǔ)

人工智能教育致力于培養(yǎng)適應(yīng)智能社會(huì)發(fā)展的未來(lái)公民。然而，現(xiàn)階段人工智能課程的普及、深化均面臨諸多挑戰(zhàn)。計(jì)算思維作為全球公認(rèn)的信息時(shí)代公民的必備能力，是一個(gè)高度抽象、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多維度概念。以學(xué)生為主體的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，不僅能讓學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)的人工智能知識(shí)，而且保證了知識(shí)系統(tǒng)的連貫性，也能有效提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。小學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展與培養(yǎng)需要循序漸進(jìn)的過(guò)程與豐富多樣的形式，未來(lái)將繼續(xù)做出更多的嘗試和探究。