基于人工智能的可視化編程教學(xué)模式構(gòu)建與應(yīng)用研究

張超金

可視化編程軟件一般具有圖形化、模塊化、易操作等特點(diǎn)，能有效提升小學(xué)生的編程興趣，同時(shí)還可以通過可視化編程實(shí)現(xiàn)無人駕駛、人臉識(shí)別、語音識(shí)別等AI技術(shù)的應(yīng)用，有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、創(chuàng)新精神以及綜合能力。然而，傳統(tǒng)的可視化編程教學(xué)，教法欠靈活，過分偏重教師講解分析;教學(xué)過程缺乏探究性，更多的是讓學(xué)生依樣畫瓢。這種循規(guī)蹈矩的教學(xué)模式不利于學(xué)生思維和能力的培養(yǎng)，往往會(huì)導(dǎo)致教學(xué)效果大打折扣。近年來，筆者通過開展與“AI+編程”社團(tuán)項(xiàng)目相關(guān)的課題研究，構(gòu)建了基于AI的可視化編程教學(xué)模式，并積極實(shí)踐探索，全面提高了教學(xué)效率。

● 基于AI的可視化編程教學(xué)模式構(gòu)建

構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，學(xué)習(xí)過程不是讓學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)，而是讓其積極主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí);學(xué)習(xí)不只是知識(shí)由外向內(nèi)地轉(zhuǎn)移和傳遞，而是通過新知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的相互作用來充實(shí)、豐富和改造自己的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的過程。多元智能理論強(qiáng)調(diào)每個(gè)人都有不同的智能強(qiáng)項(xiàng)和優(yōu)勢(shì)?；趯?duì)這些理論的認(rèn)識(shí)，筆者結(jié)合多次的教學(xué)實(shí)踐及反思，審視改進(jìn)，構(gòu)建了基于AI的可視化編程教學(xué)模式（如圖1）。

● 基于AI的可視化編程教學(xué)模式應(yīng)用探索

筆者根據(jù)以上教學(xué)模式框架，以AI社團(tuán)項(xiàng)目“紅燈停綠燈行”為例，對(duì)基于AI的可視化編程教學(xué)模式應(yīng)用展開探討。

1.情境創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)

情境導(dǎo)入是情境教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一。在這一環(huán)節(jié)，教師可以通過呈現(xiàn)AI在生活中的應(yīng)用、AI技術(shù)模擬真實(shí)情境、情境對(duì)比等方法和手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，啟發(fā)他們積極思考，為學(xué)習(xí)新課做好鋪墊。

上課伊始，筆者讓學(xué)生了解AI技術(shù)在智慧交通方面的應(yīng)用（如交通信號(hào)燈的控制），接著出示兩張圖片（一張沒有交通信號(hào)燈，另一張有交通信號(hào)燈）并提問：“這兩張圖片有什么不同？你發(fā)現(xiàn)了什么？”引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比觀察、現(xiàn)問題，從而引出課題“紅燈停綠燈行”，隨后展示范例作品模擬真實(shí)的交通道路情境（如下頁圖2）。

2.小組研討，項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在基于AI的編程教學(xué)中，更要注重采取小組研討等教學(xué)方式，以凸顯“以學(xué)生為主體”的思想，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“項(xiàng)目”進(jìn)行必要的分析，理清程序項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路，提出關(guān)鍵問題，并以問題為導(dǎo)向聚焦算法設(shè)計(jì)，從而培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和算法思維。

（1）觀察分析。教師運(yùn)行AI作品，引導(dǎo)學(xué)生觀察、小組研討，分析項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路（如下表），小組匯報(bào)。

（2）提出問題?！疤岢鲆粋€(gè)問題比解決一個(gè)問題更重要”。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)表1的設(shè)計(jì)思路逐一提出對(duì)應(yīng)問題：①怎樣設(shè)置變量“時(shí)間”？②如何設(shè)計(jì)搭建紅燈和綠燈的腳本？紅綠燈如何實(shí)現(xiàn)切換？③怎樣設(shè)計(jì)搭建腳本實(shí)現(xiàn)行人的左右移動(dòng)？④重點(diǎn)：行人遇紅燈停綠燈行的腳本如何設(shè)計(jì)？

（3）聚焦算法設(shè)計(jì)。算法是解決問題的一系列清晰指令，它代表著用系統(tǒng)的方法描述解決問題的策略機(jī)制。它是基于AI的編程教學(xué)的核心和關(guān)鍵。在教學(xué)中，教師要注意借助流程圖或思維導(dǎo)圖，化抽象為直觀，這樣有助于學(xué)生設(shè)計(jì)算法、分析算法，從而更好地突破教學(xué)重難點(diǎn)。例如，“紅燈停綠燈行”一課的教學(xué)重點(diǎn)是行人遇紅燈停綠燈行的算法設(shè)計(jì)，教師可以先讓學(xué)生描述算法，再引導(dǎo)學(xué)生用流程圖表示（如下頁圖3）。值得注意的是，在算法設(shè)計(jì)過程中，還要引導(dǎo)學(xué)生從多角度、多層面去考慮問題，從而實(shí)現(xiàn)算法多樣化和算法優(yōu)化。

3.自主探究，實(shí)踐創(chuàng)新

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，教師應(yīng)盡量滿足學(xué)生對(duì)探究的渴望，靈活運(yùn)用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、探究性學(xué)習(xí)、分層教學(xué)等教學(xué)方法，放手讓學(xué)生自主探究實(shí)踐，在驗(yàn)證算法的同時(shí)進(jìn)行創(chuàng)意編程設(shè)計(jì)，調(diào)動(dòng)學(xué)生多種多元智能，讓學(xué)生理解AI技術(shù)背后的邏輯和原理，為實(shí)現(xiàn)更多的創(chuàng)造奠基，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

本環(huán)節(jié)的具體教學(xué)步驟如下：①學(xué)生導(dǎo)入背景圖片，添加角色“行人”，繪制紅燈和綠燈。②根據(jù)學(xué)生此前提出的四個(gè)問題，設(shè)置四個(gè)對(duì)應(yīng)任務(wù)。③任務(wù)一：設(shè)置變量“時(shí)間”;任務(wù)二：紅燈和綠燈的腳本搭建（設(shè)置時(shí)間變量實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)，紅綠燈的切換可用廣播指令）;任務(wù)三：用右移鍵和左移鍵控制行人左右行走;任務(wù)四：行人遇紅燈停綠燈行的腳本實(shí)現(xiàn)（條件、重復(fù)、廣播等指令的使用）。④學(xué)生結(jié)合算法設(shè)計(jì)流程圖，對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行自主探究、實(shí)踐操作，教師巡視指導(dǎo)，并請(qǐng)先完成的學(xué)生當(dāng)小老師。⑤創(chuàng)意編程。在完成基礎(chǔ)功能后，教師提問：還可以對(duì)該項(xiàng)目添加怎樣的創(chuàng)意設(shè)計(jì)呢？引導(dǎo)學(xué)生說出三種情況——增加行人數(shù)量、增加“黃燈”、改變背景圖，并嘗試編程、操作。

4.分享評(píng)價(jià)，總結(jié)歸納

本課的教學(xué)評(píng)價(jià)可以這樣操作：一是小組內(nèi)先評(píng)出優(yōu)秀作品，再對(duì)作品進(jìn)行展示評(píng)價(jià)。教師提醒學(xué)生在評(píng)價(jià)過程中要注意學(xué)會(huì)傾聽，再引導(dǎo)學(xué)生從AI技術(shù)運(yùn)用、功能、布局等多個(gè)方面來評(píng)價(jià)他人的作品。二是評(píng)價(jià)學(xué)生的課堂表現(xiàn)，可以從回答問題情況、學(xué)習(xí)態(tài)度、小組協(xié)作等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。三是可以將作品上傳到釘釘群或微信群，課后進(jìn)行拓展性評(píng)價(jià)，讓家長也參與進(jìn)來。

對(duì)全課進(jìn)行總結(jié)歸納，有利于梳理知識(shí)點(diǎn)，使所學(xué)知識(shí)形成網(wǎng)絡(luò)，便于學(xué)生鞏固知識(shí)。在本課教學(xué)中，筆者先組織學(xué)生回顧本節(jié)課所學(xué)的知識(shí)，并嘗試總結(jié)歸納，筆者再做適當(dāng)補(bǔ)充，補(bǔ)充通常采取提問的形式，如：本課節(jié)主要學(xué)習(xí)了哪些知識(shí)點(diǎn)？關(guān)于人工智能作品創(chuàng)作你還有哪些想法？

5.拓展項(xiàng)目，布置作業(yè)

考慮到學(xué)生對(duì)人工智能方面的知識(shí)知道較少，筆者特意拓展了一些課外內(nèi)容，如播放關(guān)于人工智能改變生活的視頻，視頻中呈現(xiàn)了無人架駛、語音識(shí)別、掌紋識(shí)別等AI技術(shù)，以拓展學(xué)生思維和視野，激發(fā)他們后續(xù)創(chuàng)作AI作品的興趣和熱情。

另外，筆者還設(shè)計(jì)了“有彈性”的作業(yè)，以滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需要：未完成本項(xiàng)目創(chuàng)作的學(xué)生，可選擇第一題（將項(xiàng)目“紅燈停綠燈行”進(jìn)一步完善）;已完成的學(xué)生，可從余下兩道題中任選一題（①可視化編程演示人工智能案例，實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)駕駛前行;可視化編程實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別）。筆者還提醒學(xué)生將作業(yè)上傳到“AI社團(tuán)釘釘群”，如創(chuàng)作過程中遇到困難也可以在群中交流討論。

● 結(jié)束語

教學(xué)實(shí)踐證明，構(gòu)建合理的基于AI的可視化編程教學(xué)模式，有利于充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，調(diào)動(dòng)學(xué)生多元智能，實(shí)現(xiàn)AI技術(shù)在可視化編程課堂中的有效融入，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和綜合能力。值得一提的是，在運(yùn)用該教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師要注意課前的學(xué)情分析、教學(xué)目標(biāo)的合理定位、教學(xué)重難點(diǎn)的準(zhǔn)確把握，關(guān)注項(xiàng)目與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系，重視程序設(shè)計(jì)分析和跨學(xué)科融合，注意從創(chuàng)新意識(shí)、設(shè)計(jì)思維、創(chuàng)造實(shí)踐、人文情懷等方面全面關(guān)照，并最終落實(shí)到創(chuàng)新能力的進(jìn)階，為培養(yǎng)具有人工智能研發(fā)能力的創(chuàng)新人才提供助力。

基金項(xiàng)目：廣東省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“‘五度六環(huán)人工智能教育啟蒙課程的構(gòu)建與實(shí)施”（課題編號(hào)：2020YQJK234）。