人工智能在信息技術(shù)教學(xué)中的實(shí)踐探索

沈菊峰

【摘 要】人工智能作為引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略性新興技術(shù)，正在深刻影響著社會(huì)的方方面面，也將深刻改變我們的生產(chǎn)生活方式。在教學(xué)研究和應(yīng)用中，教師應(yīng)在觀念上，重視人工智能教育;在教學(xué)中，融入人工智能技術(shù);在課程上，體驗(yàn)人工智能應(yīng)用。由此，要正視學(xué)生的基礎(chǔ)現(xiàn)狀和接受能力，著力培養(yǎng)學(xué)生的思維素養(yǎng)，充分發(fā)揮好教師的專業(yè)優(yōu)勢和能力特點(diǎn)，在小學(xué)信息技術(shù)課程的基礎(chǔ)上擴(kuò)展延伸人工智能的教學(xué)探索。

【關(guān)鍵詞】人工智能;信息技術(shù);編程思維

【中圖分類號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2020）02、03-109-04

近年來，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，深度學(xué)習(xí)、跨界整合、人機(jī)協(xié)同等新特性，使得人工智能技術(shù)的應(yīng)用場景越來越豐富;推動(dòng)著社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域經(jīng)歷從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化躍升和革新，深刻改變著人們的生活方式和思維模式。

2017年國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出，人工智能已成為國際競爭的新焦點(diǎn)。我國應(yīng)逐步開展全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程、逐步推廣編程教育、建設(shè)人工智能學(xué)科。2018年教育部印發(fā)了《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，明確要求要完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，使中小學(xué)人工智能和編程課程內(nèi)容能充分適應(yīng)信息時(shí)代、智能時(shí)代發(fā)展需要。這個(gè)時(shí)代背景下，在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新等核心素養(yǎng)的同時(shí)，也對如何開展以人工智能為內(nèi)容的信息技術(shù)教學(xué)提出了新的要求。

在觀念上，重視人工智能教育

人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI。它是研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)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)。但縱觀國內(nèi)小學(xué)人工智能課程現(xiàn)狀，當(dāng)前的課程尚存在以下不足。

一是人工智能課程重視技能訓(xùn)練，輕視計(jì)算思維的培養(yǎng)。

從當(dāng)前的課程實(shí)踐來看，中小學(xué)的人工智能教育主要依托編程教育和機(jī)器人教育來開展。編程教育，多停留在指導(dǎo)學(xué)生利用程序設(shè)計(jì)語言完成具體的編程題目。現(xiàn)階段中小學(xué)人工智能教材大多屬于產(chǎn)品說明書或用戶指南類，缺少對學(xué)生思維能力培養(yǎng)的科學(xué)引導(dǎo)。

二是人工智能課程缺少相對完善的課程內(nèi)容體系。

從課程內(nèi)容來看，人工智能教育主要依托于信息技術(shù)課程、STEM課程、創(chuàng)客課程、計(jì)算機(jī)科學(xué)課程來開展，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，但是這些課程是碎片化的，缺少對人工智能意識(shí)、方法、能力目標(biāo)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。從課程的學(xué)段設(shè)置來看，人工智能教育多在初中、高中開展，小學(xué)甚少涉及。

因此，對當(dāng)前人工智能教育需要給予足夠的重視，人工智能課程需要建立覆蓋小學(xué)到高中的完善的課程體系，從而讓學(xué)生接受系統(tǒng)的人工智能教育。

在教學(xué)中， 融入人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)應(yīng)用范圍廣，主要是機(jī)器視覺、聽覺、觸覺、感覺及思維方式的模擬，如指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、掌紋識(shí)別、智能搜索、語音識(shí)別等等。能與人工智能技術(shù)搭上邊的有很多，這些都是能夠讓學(xué)生感興趣的，但是要找一個(gè)符合小學(xué)生年齡段學(xué)習(xí)的內(nèi)容卻并不多。最后定“單詞識(shí)別”這個(gè)內(nèi)容，筆者的意圖是英語單詞本身就是小學(xué)生課堂上學(xué)習(xí)的內(nèi)容，程序設(shè)計(jì)從易到難，循序漸進(jìn)，讓學(xué)生初步掌握編程的基本流程，不論是內(nèi)容還是技術(shù)，學(xué)生能夠容易理解和掌握。

1.以生活實(shí)例激情引趣，引入課題

興趣是推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)部動(dòng)力，是影響學(xué)生學(xué)習(xí)自覺性和積極性的直接原因。學(xué)生如果對學(xué)習(xí)產(chǎn)生了興趣，就會(huì)產(chǎn)生一種積極的情緒狀態(tài)，鼓舞學(xué)生認(rèn)真而愉快地主動(dòng)學(xué)習(xí)。在實(shí)際教學(xué)中，教師應(yīng)該依托實(shí)際生活場景，以學(xué)生生活中熟知的應(yīng)用、感興趣的高科技領(lǐng)域應(yīng)用背景，通過清晰的視頻、逼真的動(dòng)畫等信息技術(shù)手段，為創(chuàng)設(shè)激發(fā)學(xué)生興趣的教學(xué)提供有力支持。

例如，在“單詞識(shí)別”的課例教學(xué)引入中，先請學(xué)生看一段關(guān)于人工智能改變生活的視頻。在這個(gè)視頻中，出現(xiàn)頻率最高的詞是“人工智能”，在短短的1分鐘內(nèi)出現(xiàn)6次。教師說：“在我們的生活中已經(jīng)出現(xiàn)了人工智能的技術(shù)和應(yīng)用產(chǎn)品，特別是交通工具占了大部分。所以，現(xiàn)在我們的出行越來越方便了?！苯又處煶鍪疽曨l中的智能娃娃圖片，提問：“它有什么功能？”學(xué)生回答：“辛迪智能娃娃，能說出寫在卡片上的英語單詞，可以識(shí)別650個(gè)單詞（圖1）”。教師：“對，人工智能娃娃。今天這節(jié)課我們一起來設(shè)計(jì)‘單詞識(shí)別功能?！?/p>

像這樣，教師通過有趣的視頻和圖片引入課題，讓學(xué)生通過各種感官的刺激，帶著問題主動(dòng)探究知識(shí)，從而輕而易舉地吸引學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)。

2.以編程軟件為依托，初步體驗(yàn)

慧編程是一款面向STEAM教育領(lǐng)域的積木式和代碼編程軟件，基于Scratch 3.0開發(fā)而成。孩子們可以通過拖拽積木塊或編寫Python代碼，創(chuàng)作有趣的游戲、動(dòng)畫，激發(fā)想象力和創(chuàng)造力。更重要的是，慧編程將AI引入編程教學(xué)，讓用戶使用前沿科技，編出前沿創(chuàng)造力。它融入了微軟認(rèn)知服務(wù)和谷歌深度學(xué)習(xí)功能，可編程實(shí)現(xiàn)如人臉識(shí)別檢測年齡和電腦玩“剪刀石頭布”游戲等好玩的應(yīng)用，讓孩子輕松理解 AI 技術(shù)背后的邏輯和原理，實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)造。

例如，在“單詞識(shí)別”教學(xué)的“初步體驗(yàn)”環(huán)節(jié)中，教師先應(yīng)用事先設(shè)計(jì)好的程序，讓學(xué)生親自體驗(yàn)到成功的喜悅，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，同時(shí)對程序充滿了好奇，讓學(xué)生體驗(yàn)到將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中的快樂。教師課前給每個(gè)學(xué)生注冊賬號(hào)，課上再簡單介紹下“慧編程”軟件。請學(xué)生添加人工智能模塊“認(rèn)知服務(wù)”指令，并進(jìn)行簡單了解。由于指令通俗易懂，學(xué)生很快就能找出跟“單詞識(shí)別”相關(guān)的指令，結(jié)合已有的編程基礎(chǔ)，做好編程的準(zhǔn)備。

3.以自然語言描述編程思想，找出問題

慧編程支持對硬件編程，編程結(jié)果通過硬件直接呈現(xiàn)，給學(xué)生帶來更強(qiáng)的成就感，激發(fā)其編程學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，慧編程與硬件搭配可實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的多種玩法，讓課堂教學(xué)的內(nèi)容和形式更豐富。有時(shí)我們會(huì)碰到程序設(shè)計(jì)本身沒有問題，結(jié)果完全符合要求，但在現(xiàn)實(shí)調(diào)試操作中，一些外部因素會(huì)影響檢測，使得不能達(dá)到預(yù)期效果的情況。

例如，在“單詞識(shí)別”教學(xué)的“嘗試設(shè)計(jì)”中，面對“編寫一個(gè)識(shí)別英文的程序”制作任務(wù)，學(xué)生能夠小組討論、互相幫助。教師幫助學(xué)生分析程序，引導(dǎo)學(xué)生用自然語言描述程序設(shè)計(jì)的想法，然后讓學(xué)生嘗試編程，并檢測是否成功（圖2）。在操作中，教師發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生能完成程序的編寫，而且程序本身是正確的，但在識(shí)別手寫英文時(shí)，成功率不高。那是什么原因呢？學(xué)生回看自己的操作步驟，發(fā)現(xiàn)字寫得潦草、字跡淡、手拿卡片不穩(wěn)、拿到攝像頭前速度太慢等等，這些都有可能導(dǎo)致程序的驗(yàn)證失敗。

所以，在平時(shí)生活中，要讓學(xué)生多認(rèn)識(shí)人工智能，體驗(yàn)各種人工智能產(chǎn)品。讓學(xué)生學(xué)會(huì)與較復(fù)雜的智能工具打交道，進(jìn)一步了解人工智能在生活中發(fā)揮的作用，自己分析體驗(yàn)所涉及的人工智能的相關(guān)技術(shù)。

4.以流程圖分析計(jì)算思維，重在感悟

使用流程圖可以輔助小學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，將復(fù)雜的問題與過程直觀化，幫助學(xué)生加深對程序設(shè)計(jì)的理解，提高課堂學(xué)習(xí)效率。

例如，在“單詞識(shí)別”教學(xué)的“正確識(shí)別”中，學(xué)生設(shè)計(jì)程序時(shí)，可以利用原有的思維模式先行解決部分問題。學(xué)生都能完成“能識(shí)別英文”的程序，但是本課需要解決的教學(xué)難點(diǎn)是“識(shí)別正確的單詞”，反之，不正確的單詞就不能識(shí)別出來。教師引導(dǎo)學(xué)生理解其中的差異，可以讓學(xué)生用“如果……就……”的句式來整理問題描述，厘清判斷的條件及條件成立后要執(zhí)行的內(nèi)部腳本。待學(xué)生解決難點(diǎn)后，教師可引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)上一環(huán)節(jié)的程序設(shè)計(jì)，說出一個(gè)條件判斷的程序流程，順勢出示流程圖，由學(xué)生說出對應(yīng)的腳本。這種從流程圖再到腳本圖的正向引導(dǎo)，是程序設(shè)計(jì)整體思路的一次梳理。

接著，教師再次利用腳本圖引導(dǎo)學(xué)生說出對應(yīng)的指令功能。這種從腳本圖到描述指令功能的反向理解，是程序設(shè)計(jì)整體思路的二次梳理。通過正反兩次的梳理，就能幫助學(xué)生建立程序設(shè)計(jì)的流程步驟并理解算法，徹底解決教學(xué)難點(diǎn)。這樣的教學(xué)方法，既初步完成了任務(wù)腳本，又訓(xùn)練了學(xué)生的計(jì)算思維。

5.以精簡高效解決生活問題，收獲知識(shí)

程序設(shè)計(jì)是思維抽象性、邏輯性很強(qiáng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，而且內(nèi)容比較枯燥。學(xué)生不容易理解，往往不愿意學(xué)。教師要在原有程序設(shè)計(jì)正確的基礎(chǔ)上，對其簡化，方便學(xué)生分解大問題，逐一破解小問題。就這樣降低了學(xué)習(xí)難度，而且訓(xùn)練了學(xué)生的分解思維能力和程序整合思維能力。

例如，在“單詞識(shí)別”教學(xué)的“正確識(shí)別多個(gè)單詞”中，教師請學(xué)生思考如何識(shí)別更多的單詞。學(xué)生想到的是增加多個(gè)條件語句，并驗(yàn)證他們的想法是正確的。這樣可以解決識(shí)別多個(gè)單詞的問題，但同時(shí)帶來一個(gè)問題，程序越來越長，不精簡，以后修改也不方便。教師提問有沒有更好的方法簡化程序。教師出示修改過的程序設(shè)計(jì)圖，學(xué)生嘗試檢測后成功，使學(xué)生深刻感受到程序設(shè)計(jì)要靈活運(yùn)用。

在課程中，體驗(yàn)人工智能應(yīng)用

小學(xué)人工智能課程應(yīng)重在讓學(xué)生感悟人工智能對生活和學(xué)習(xí)的影響，體驗(yàn)生活中的人工智能，直觀地了解人工智能的特點(diǎn)，激發(fā)探究的熱情和積極性。在教學(xué)中可以選擇一些貼近學(xué)生日常生活的話題和素材，比如圍繞人工智能醫(yī)生可討論的話題有：為什么需要機(jī)器醫(yī)生、哪些工作機(jī)器醫(yī)生更擅長、機(jī)器醫(yī)生診斷與人類醫(yī)生診斷的異同、機(jī)器醫(yī)生會(huì)取代人類醫(yī)生嗎、機(jī)器醫(yī)生誤診怎么辦等等，這些貼近生活實(shí)際問題的討論本身就是人工智能科普的好形式。再例如，通過語音識(shí)別、刷臉測表情、測年齡等技術(shù)，讓學(xué)生對人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域等建立直觀的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生知道人工智能可以做什么、不可以做什么;從認(rèn)知視角體驗(yàn)人工智能的用途，學(xué)習(xí)如何與人工智能機(jī)器人合作，如何利用簡單的人工智能工具來提高工作效率，更好地為我們的學(xué)習(xí)、生活、工作服務(wù)等等。