人工智能+5G背景下小學(xué)Python校本課程開發(fā)的理論與實踐初探

鄧正媛

摘 要：隨著人工智能和5G技術(shù)的發(fā)展，使編程成為教育的重要組成部分。傳統(tǒng)的Logo或Scratch編程已不能滿足數(shù)字時代的需求。Python語言簡單易學(xué)，功能強大，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，注重解決問題而無需關(guān)注語言、語法規(guī)則本身，適合不同年齡段的人學(xué)習(xí)編程。根據(jù)小學(xué)生的年齡和心理特點，從Python編程語言的特點和教學(xué)要點入手，用不同的教學(xué)策略以條件判斷邏輯為案例進行初探，從而打開Python小學(xué)教學(xué)的研究的大門。

關(guān)鍵詞：Python ;人工智能和5G技術(shù);計算思維;條件判斷

2017年7月國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育[1]。12月14日，國家工業(yè)和信息化部發(fā)布《促進新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃（2018-2020年）》。人工智能已深入我們生活，編程也將成為教育領(lǐng)域的重頭戲，學(xué)編程成為時代所需。北京和浙江把 Python 編程基礎(chǔ)納入信息技術(shù)課程和高考的內(nèi)容體系，山東省更是將Python內(nèi)容納入最新出版的小學(xué)信息技術(shù)六年級教材中。Python成為目前最受歡迎的編程語言，也是最接近人工智能的語言。

當前在小學(xué)教學(xué)中常以Logo或Scratch等編程作為學(xué)生主要的學(xué)習(xí)工具。但是小學(xué)生作為數(shù)字時代的原住民，小學(xué)教學(xué)應(yīng)緊跟時代的步伐，更要走在時代的前列，做好與中高等教育的銜接，與此同時，由于大數(shù)據(jù)、人工智能、5G的蓬勃發(fā)展，Python語言應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，市場對Python應(yīng)用與開發(fā)的人才需求，也正在不斷上漲。因此小學(xué)Python校本課程開發(fā)迫在眉睫。

1 背景

1.1 人工智能+5G的時代背景

2019年6月6日，國家工業(yè)和信息化部正式頒發(fā)5G商用牌照，這標志著人工智能+5G時代正式到來。人們將關(guān)注點聚焦在人工智能和5G網(wǎng)絡(luò)之上。然而，人工智能曾因被盲目追捧而遭遇發(fā)展的低谷，但隨著人類不斷突破核心算法、開發(fā)應(yīng)用環(huán)境以及大量資金的持續(xù)投入，使得人工智能從2010年開始，獲得了飛躍式發(fā)展。目前第五代移動通信技術(shù)正式啟用，人工智能在5G這條信息高速公路上，可以為用戶提供更快的響應(yīng)速度、豐富的內(nèi)容、更智能的應(yīng)用模式以及更直觀的體驗。5G為人工智能的發(fā)展注入新動力。5G在推動人工智能發(fā)展的同時，人工智能技術(shù)也會助力5G自動化、智能化的發(fā)展進程。5G技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及網(wǎng)絡(luò)維護方面要求高，將大量增加以人工為主的傳統(tǒng)工作量和復(fù)雜度。此時，Python程序開發(fā)的人工智能技術(shù)通過對網(wǎng)絡(luò)運營和海量數(shù)據(jù)進行分析將會為網(wǎng)絡(luò)自動化運行提供重要支撐。

1.2 Python 編程語言的特點及教學(xué)要點

Python，是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝陀嬎銠C程序設(shè)計語言，具有豐富和強大的庫，已經(jīng)成為繼JAVA，C++之后的第三大語言，它具有免費開源、可移植性、可擴展性、可嵌入性等特點[2]。Python作為一門編程語言，其魅力遠超Java、C++，被稱為“膠水語言”、 “最美麗的”編程語言[3]，具有開發(fā)效率高、功能強大、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)勢，在人工智能與機器學(xué)習(xí)、自動化運維、網(wǎng)絡(luò)爬蟲與數(shù)據(jù)分析等方面獨占鰲頭，得到廣泛支持和應(yīng)用。

在小學(xué)開展Python 語言教學(xué)時要更多地專注應(yīng)用計算機解決問題的思路和方法，讓學(xué)生在用計算機編程的過程中， 逐步提高思考問題、分析問題、解決問題的能力，而不是注重太多的語法細節(jié)和計算機底層知識，就像我們只需知道如何利用腳下的路，去更遠的地方，看更多的風(fēng)景，而不需要知道路是如何修的一樣。然后編寫代碼，通過不斷調(diào)試修改達到預(yù)期結(jié)果，進而達到培養(yǎng)學(xué)生計算思維和解決問題的能力[4]。在以問題驅(qū)動為導(dǎo)向的Python 語言教學(xué)過程中，從學(xué)生實際生活出發(fā)，讓學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)到的編程知識和大腦記憶中的真實任務(wù)情境聯(lián)系起來，有利于學(xué)生去理解學(xué)習(xí)生活中的工作邏輯、工作原理。比如智能家居系統(tǒng)所涉及到的數(shù)據(jù)采集和機器學(xué)習(xí)等，教師將Python 知識點與實際生活相結(jié)合，讓其感覺到計算機解決實際問題的作用，幫助他們建立學(xué)習(xí)自信，進一步激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣與欲望。Python語言不僅能讓學(xué)生通過指令和計算機交流，專注于算法思維和程序的邏輯結(jié)構(gòu)，形成人機共存，還能在編程過程中用接近自然語言的方式通過代碼來傳情達意，讓學(xué)生對技術(shù)“祛魅”，從小培養(yǎng)他們正確合理地使用技術(shù)的意識，從而更好地發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2 Python校本課程教學(xué)探索

依據(jù)人工智能的時代背景，結(jié)合小學(xué)生的心理特點，Python程序設(shè)計課程內(nèi)容主要包括：Python簡介，Python安裝，Python輸入輸出，數(shù)據(jù)類型與變量，運算符，條件語句，循環(huán)語句等。

2.1 教學(xué)策略

2.1.1 視頻或游戲交互式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣

興趣是打開語言世界大門的鑰匙。小學(xué)生對視頻畫面和游戲較感興趣，緊緊抓住他們的興趣點，使學(xué)生的注意力很快集中到課堂上，同時也給學(xué)生提供將腦海中的想法可視化并轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實的機會，充分利用充滿趣味的視頻和游戲，激發(fā)學(xué)生的求知欲，為學(xué)生搭建通往Python世界的橋梁，讓學(xué)生能夠?qū)o形的抽象思維變成現(xiàn)實世界有模有樣的畫面。學(xué)會編程能夠讓你創(chuàng)造更新奇的程序——互動故事、視頻游戲、及交互動畫等。

2.1.2 故事與案例相融合，讓學(xué)生自主探究合作學(xué)習(xí)

以故事與感興趣的案例導(dǎo)入，讓學(xué)生主動的探索現(xiàn)實世界的問題和挑戰(zhàn)，從而加深對知識和技能的印象。在案例基礎(chǔ)上稍作變化，舉一反三，學(xué)生便能編寫出更多程序和應(yīng)用，直至實現(xiàn)程序的可視化，這就是讓學(xué)生在探索的同時享受到編程的樂趣。

2.1.3 項目與應(yīng)用體驗相結(jié)合，循序漸進，打開Python的大門

學(xué)生有一定編程基礎(chǔ)后，可以教學(xué)生運行Python項目工程，調(diào)節(jié)傳感器參數(shù)來模擬機器“學(xué)習(xí)”的過程，體驗人工智能人機交互的基礎(chǔ)原理，完成簡單的動作識別，這種實驗方式讓學(xué)生得到初步的知識和體驗，以此消除在進階學(xué)習(xí)過程中的畏難心理。如從學(xué)生日常接觸的小米AI音箱（小愛同學(xué)），微軟的小冰聊天機器人，谷歌的智能人工交互體驗程序等話題和素材入手，拓展出有趣味性的Python課堂，讓學(xué)生圍繞這些話題提出討論，進而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。以小米AI音箱為例可以提出：還想讓小愛同學(xué)實現(xiàn)哪些功能？學(xué)生可能提出：要求小愛像鬧鐘一樣叫我起床，并播放我最喜歡的音樂，開啟美好的一天;要求小愛建立“心情樂庫”，感知心情播放歌曲;要求小愛定時給我的父母、好友發(fā)生日祝福歌曲等等，這些貼近生活實際問題的討論本身就是教學(xué)的最好形式。

2.2 Python 編程教學(xué)案例

2.2.1 情境創(chuàng)設(shè)? 激發(fā)興趣

播放視頻《復(fù)仇者聯(lián)盟》片段，如果滅霸集齊6顆能量寶石他就能毀滅宇宙。從而引出本課學(xué)習(xí)的內(nèi)容：滅霸的野心——條件判斷。利用學(xué)生生活中所見所聞的話題巧妙地拉開精彩課堂的序幕。

2.2.2 自主探究? 分享交流

通過情景演化出普通任務(wù)（單項判斷邏輯：if語句），學(xué)生自學(xué)條件判斷并模仿創(chuàng)作。

教學(xué)方法上采用情景教學(xué)法和任務(wù)驅(qū)動法，通過情景分析讓學(xué)生理解命令、使用命令，在任務(wù)驅(qū)動中發(fā)現(xiàn)有關(guān)print（）函數(shù)前的空格縮進問題[5]。同學(xué)們深入思考，利用觀察法和聯(lián)想法（小學(xué)語文作文空兩格）找到了解決問題的思路和方法，并在小組內(nèi)分享交流，滿足學(xué)生的表現(xiàn)欲，提升學(xué)生的獲得感。由此學(xué)生知曉Python語言冒號的語法規(guī)則，即為區(qū)分代碼之間的層級關(guān)系，幫助理解執(zhí)行條件的邏輯和先后順序。自主學(xué)習(xí)讓學(xué)生更好的發(fā)揮內(nèi)在動力去探索編程的樂趣。

2.2.3 合作學(xué)習(xí)? 釋疑解難

經(jīng)過幾場戰(zhàn)斗，滅霸已經(jīng)搶到了3顆寶石，展現(xiàn)了漫威宇宙強大的反派實力。但滅霸不會就此罷休，他要繼續(xù)尋找靈魂寶石，直到集齊6顆，達到他的目的為止。如果6顆寶石沒集齊，就繼續(xù)收集寶石。由普通任務(wù)生成進階任務(wù)一（雙向判斷邏輯：if…else…語句）。

編程過程中同學(xué)們根據(jù)課堂任務(wù)生成有關(guān)if與else層級關(guān)系的問題，采用對比教學(xué)法利用數(shù)學(xué)四則運算之間的關(guān)系讓學(xué)生明白if與else平級的關(guān)系：如果不滿足if條件，就執(zhí)行else其他條件。課中利用分層教學(xué)，給出了進階任務(wù)二（多向判斷邏輯）。讓編程能力較好的同學(xué)能夠在課堂上得到充分的展示。從進階任務(wù)中可以看出，小學(xué)生可以很快地吸納條件判斷的知識點，運用新知完成熟悉的簡單任務(wù)， 不僅增強了學(xué)習(xí)自信心，還能為其接下來的學(xué)習(xí)做好積極的心理準備，進而培養(yǎng)計算思維。

2.2.4 自由創(chuàng)作? 展示評價

自由創(chuàng)作能較好地發(fā)揮學(xué)生的個性特點，體現(xiàn)出學(xué)生的能力差異，讓其運用所學(xué)內(nèi)容進行編程完成高階任務(wù)，以達到學(xué)以致用的目的。教師給出我的暑假計劃和我與媽媽的公約等貼近學(xué)生生活的開放性主題或者學(xué)生自定有意義的條件判斷主題讓他們鞏固知識。在這部分的授課方式和課堂語言的組織上，以學(xué)生的編程思維引導(dǎo)為重點，以方法的總結(jié)歸納為突破，從而達到學(xué)生從“我要做什么”向“我要怎么做”轉(zhuǎn)變，最后做到“我還能這樣做”[6]的質(zhì)的飛躍。

根據(jù)學(xué)生完成的情況和課堂時間，鼓勵學(xué)生主動分享程序，講解編程思路，并進行展示。通過多元化評價不僅能夠活躍課堂氣氛，促進學(xué)生之間的交流與合作，讓學(xué)生實現(xiàn)自我反思和自我判斷的蛻變。最后在思考、欣賞同學(xué)編程的過程中，對所學(xué)知識進行梳理總結(jié)，拓展提升，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和創(chuàng)新能力。

3 總結(jié)

芬蘭教育部長說：“在未來，如果你的學(xué)生懂編程，他就是未來世界的創(chuàng)造者;如果他不懂，他只是使用者?！币跃幊虨榛A(chǔ)的技術(shù)革新已成為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的驅(qū)動力，將會對世界經(jīng)濟、社會進步和人類生活產(chǎn)生極大的影響。Python以它獨特的優(yōu)點成為我們能夠與世界前沿科技相溝通的首選。學(xué)習(xí)編程并不是要讓學(xué)生掌握編寫程序的技巧，而是讓其逐步接觸、理解、體驗編程的邏輯操作、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等通用的工程方法和數(shù)學(xué)知識，鼓勵學(xué)生基于現(xiàn)有的技術(shù)應(yīng)用做合理的科學(xué)創(chuàng)新，以文學(xué)創(chuàng)作的形式表現(xiàn)出來，突出編程技術(shù)為追求崇高生活而服務(wù)，增強編程的人文性，從而做到橫向?qū)崿F(xiàn)學(xué)科之間的融合，縱向關(guān)注學(xué)科知識的掌握和學(xué)生實踐能力與核心素養(yǎng)的提升，以此達到編程教學(xué)的根本目的。

參考文獻：

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