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指向計算思維培養(yǎng)的初中人工智能教學(xué)設(shè)計與實踐——以《人工智能初探》一課為例
上海市嘉定區(qū)金鶴學(xué)校 沈文斌 2024/4/8 19:09:22
摘要 在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中，計算思維被列為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，人工智能則是信息科技課程六大邏輯主線之一，本文以《人工智能初探》一課為例，通過課前調(diào)查了解學(xué)生對人工智能的認知和計算思維水平，基于學(xué)生認知在引入、體驗、實踐等教學(xué)環(huán)節(jié)進行設(shè)計，旨在實現(xiàn)指向計算思維培養(yǎng)的終極目標(biāo)。
關(guān)鍵詞 人工智能 圖形化編程 教學(xué)設(shè)計 計算思維
人工智能（英文名：Artificial Intelligence，英文縮寫：AI）。它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。經(jīng)過漫長的發(fā)展歷程，人工智能在21世紀進入發(fā)展的快車道，深刻地影響了我們的生活方式。如何將計算思維的培養(yǎng)融入到人工智能教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，根據(jù)學(xué)生的認知水平合理地設(shè)計教學(xué)內(nèi)容和活動，引導(dǎo)學(xué)生通過計算思維和信息科技手段解決生產(chǎn)、生活、科技等問題，正是本文想要實踐探索的內(nèi)容。
課前問卷，了解學(xué)生的人工智能認知現(xiàn)狀
本節(jié)課授課對象為六年級的學(xué)生，在前期的學(xué)習(xí)中，他們已經(jīng)學(xué)過基礎(chǔ)的編程知識，會使用圖形化編程軟件制作小程序，掌握一定的編程方法。筆者在本節(jié)課實教學(xué)前，針對六年級全體學(xué)生下發(fā)并回收了300份問卷。對于“問題1：你知道什么是人工智能嗎？”有82%的學(xué)生選擇知道，5%的學(xué)生選擇不知道，13%的學(xué)生選擇說不清楚。 “問題2：你知道人工智能的工作流程嗎？”3%的學(xué)生選擇了知道，絕大部分學(xué)生選擇了“知道一點”或“不知道”，在“問題3：請?zhí)顚懩阌∠笞钌畹娜斯ぶ悄軕?yīng)用場景”里，答案大部分聚焦在“智能空調(diào)”“智能掃地機器人”“無人駕駛車”等非常直觀且學(xué)生生活能接觸到的場景或物體，而“圖像/人臉識別”“機器學(xué)習(xí)”等比較深層的應(yīng)用鮮有提及。可見，大部分學(xué)生經(jīng)常接觸到人工智能的應(yīng)用環(huán)境，自認為知道什么是人工智能，但對人工智能的定義和工作流程尚不清楚，對人工智能的認知還停留在表面。
指向計算思維培養(yǎng)的初中人工智能的教學(xué)設(shè)計實踐探索
學(xué)生的學(xué)習(xí)和對客觀世界的認知具有循序發(fā)展規(guī)律。在學(xué)生的認知發(fā)展過程中，他們的認知心理隨著有效智力勞動的增加而得到循序發(fā)展和提高，遵循著“感知——理解——識理”的認知過程。在教學(xué)設(shè)計上，教師要有意識的引導(dǎo)學(xué)生運用計算機科學(xué)的思想方法，在解決真實問題的過程中開展分解、建模、算法設(shè)計等思維活動。在符合學(xué)生認知規(guī)律前提下，通過對真實問題的探究和解決，以主題式、體驗性的形式開展人工智能教學(xué)。
筆者按“情境創(chuàng)設(shè)——過程體驗——類比分析——實踐應(yīng)用——思考遷移”作為人工智能教學(xué)的流程（見圖1）。以問題鏈、任務(wù)鏈貫穿課堂始終。設(shè)計了“人工智能初探——AI初體驗”一課。作為人工智能探究的第一課時，教師創(chuàng)設(shè)海洋智能機器人“小智”這一角色，提出“修復(fù)工程師”考核的任務(wù)，以核心任務(wù)為目標(biāo)，化身“智能修復(fù)工程師”，帶領(lǐng)學(xué)生進入主題式場景，以計算思維的方式，將大任務(wù)拆分成感受、體驗、分析、實踐、思考這5個循序漸進的小任務(wù)，使學(xué)生體驗用計算思維分解任務(wù)或問題的過程，切實感受人工智能的工作方式，進一步完善學(xué)生對人工智能的認知，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做好鋪墊。
圖1 課堂任務(wù)鏈設(shè)計
1.引入環(huán)節(jié) 引入環(huán)節(jié)往往是提出本節(jié)課核心問題或核心任務(wù)的環(huán)節(jié)，是一個大問題/大任務(wù)，解決問題或完成任務(wù)的方案往往不可能直接拿出，教師便要在這里引導(dǎo)學(xué)生思考，大問題是否可以拆分成小問題，大任務(wù)是否可以拆分成小任務(wù)。此時此刻，教師扮演了“引導(dǎo)者”這一角色，在接到機器人小智的給出的考核任務(wù)后，帶領(lǐng)學(xué)生思考如何分解考核任務(wù)，進而一步一步從體驗這個簡單的任務(wù)開始，逐步完成大任務(wù)，體驗了分解并完成任務(wù)的過程。
2.過程體驗環(huán)節(jié) 本環(huán)節(jié)中，筆者設(shè)計了“找一找”與“辨一辨”兩個活動，向?qū)W生提供了三種魚類圖片。先引導(dǎo)學(xué)生使用百度識圖功能，查找三張圖片中魚的名稱，通過“找一找”活動的實施，學(xué)生明確了三種魚的名稱。通過圖片識別完成了對三種魚類的認知后，接著開展“辨一辨”活動，依次展示三種魚類的其他角度照片讓學(xué)生識別名稱并說出原因。這3幅圖片的挑選是基于三種魚類的特征相似程度，本環(huán)節(jié)的設(shè)計旨在引導(dǎo)學(xué)生體驗人類對物體進行識別的基本方法，通過記憶物體的某些具體特征，并根據(jù)特征相似度來判斷是否屬于同一種類的物體。對于第一和第二幅圖片，學(xué)生能夠從魚的外形、鱗片、嘴唇等特征的相似程度來識別和判斷魚的種類，并因顏色等特征的不同給出不同的相似度，大多學(xué)生給出的相似度在70%（未完，下一頁）
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