面向人工智能概念理解的小學(xué)低學(xué)段不插電教學(xué)活動設(shè)計(jì)與實(shí)踐

傅騫 王雯

問題提出

21世紀(jì)以來，人工智能技術(shù)應(yīng)用逐步普及，如何培養(yǎng)出更多人工智能專業(yè)人才以助力社會的發(fā)展，成了教育領(lǐng)域的熱門話題。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，國家發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等系列政策文件，促進(jìn)中小學(xué)人工智能教育的開展。當(dāng)前，中小學(xué)人工智能教育多以“編程+硬件”的方式為主，這帶來三個問題：一是對人工智能概念理解教學(xué)著力不夠;二是缺乏對人工智能相關(guān)思維能力的培養(yǎng);三是對電子設(shè)備的依賴太大，不僅對低年齡段學(xué)生視力健康不利，也不容易大范圍推廣。而不插電人工智能教學(xué)活動則可以有效解決上述問題。

面向人工智能概念理解的不插電教學(xué)活動設(shè)計(jì)

不插電活動的概念最早于1998年在Computer Science Unplugged一書中提出。[1]研究者們發(fā)現(xiàn)不插電活動不僅可以顯著提升學(xué)生的計(jì)算思維能力和學(xué)習(xí)動機(jī)[2]，還可以促進(jìn)學(xué)生思考和提升其想象力。[3]不插電活動同樣能夠有效地促進(jìn)學(xué)生理解人工智能概念及其在生活中的相關(guān)應(yīng)用。[4]

1.不插電人工智能活動的設(shè)計(jì)原則

在認(rèn)知水平方面，小學(xué)生處于具體運(yùn)算階段，還不具備抽象思維能力或抽象思維能力較低，需要借助實(shí)物才能更好地思考;在初始能力方面，目前小學(xué)低學(xué)段學(xué)生的人工智能知識基礎(chǔ)大多比較薄弱，計(jì)算機(jī)操作能力、數(shù)學(xué)運(yùn)算能力也都處于初級階段?？紤]到以上特質(zhì)，為了以更淺顯易懂的方式讓小學(xué)生理解人工智能概念并提高興趣，結(jié)合Nishida等提出的不插電活動的主要特征[5]，本文總結(jié)了設(shè)計(jì)不插電人工智能活動的原則。

（1）Gamification（游戲化）。不插電人工智能活動應(yīng)該以一個或幾個游戲?yàn)楹诵?。一是游戲的形式能夠增加活動的趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而使其更多地投入到活動中;二是游戲本身固有的挑戰(zhàn)性能夠提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)動機(jī)，促進(jìn)學(xué)生的思考。

（2）Storytelling（故事化）。為了讓小學(xué)生更好地借助實(shí)物進(jìn)行思考，不插電人工智能活動需要一個貼近學(xué)生的故事背景，這個故事背景可以是小學(xué)生喜聞樂見的童話、動畫情節(jié)，也可以是貼近小學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活的學(xué)校生活、社會生活等背景。

（3）Collaborative（協(xié)作化）。協(xié)作也是促進(jìn)知識構(gòu)建的一種形式。不插電人工智能活動應(yīng)該設(shè)計(jì)適量的協(xié)作任務(wù)，借助學(xué)生間的互動調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)促進(jìn)多樣化觀點(diǎn)的產(chǎn)生。

（4）Conceptualized（概念化）。不插電活動應(yīng)該以一個人工智能概念為核心。每個活動對應(yīng)一個人工智能概念可以使活動目標(biāo)清晰、重點(diǎn)突出，也更容易適應(yīng)小學(xué)低年段認(rèn)知，促進(jìn)學(xué)生理解。

2.不插電人工智能教學(xué)活動開發(fā)模式

Nishida等提出的不插電計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)活動開發(fā)模式[6]，包含了選擇CS概念、確定關(guān)鍵元素、考慮包含類似元素的活動載體、將概念學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為挑戰(zhàn)游戲、實(shí)施與驗(yàn)證、評估與改進(jìn)等步驟。

本文以上述模式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了不插電人工智能教學(xué)活動開發(fā)模式。《中國互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)白皮書之人工智能教育發(fā)展報(bào)告（基礎(chǔ)教育）》明確規(guī)定小學(xué)階段人工智能能力培養(yǎng)目標(biāo)為“能夠感知、體驗(yàn)、分辨人工智能，逐步培養(yǎng)計(jì)算思維能力”[7]，因此在“概念化”環(huán)節(jié)選擇相關(guān)概念時(shí)，應(yīng)該側(cè)重選擇人工智能歷史、算法原理的基本概念，而不是對具體算法進(jìn)行教學(xué)?，F(xiàn)以“模仿游戲”為例進(jìn)行說明（如圖1、圖2）。

面向人工智能概念理解的不插電教學(xué)活動實(shí)踐

根據(jù)提出的不插電人工智能教學(xué)活動開發(fā)模式，筆者開發(fā)了四個活動，分別為“模仿游戲”“送小羊回家”“冒險(xiǎn)游戲”“誰做的好事”，對應(yīng)“智能”“分類”“聚類”“推理”幾個概念，具體表現(xiàn)為“圖靈測試”“分類算法”“聚類算法”以及“類比推理與歸納推理”幾個知識點(diǎn)?；顒釉O(shè)計(jì)詳見下頁表。

經(jīng)過對11名不同年段（一年級到五年級）小學(xué)生開展2天共4課時(shí)的教學(xué)實(shí)踐，可以證明所開發(fā)的不插電人工智能活動的有效性：在知識理解方面，學(xué)生通過不插電人工智能活動基本達(dá)到了學(xué)習(xí)目標(biāo)，能夠清晰理解課中的人工智能基本概念并且在一定的情境中進(jìn)行應(yīng)用;在喜愛度方面，學(xué)生們十分喜愛不插電活動的形式，不僅認(rèn)為這種游戲化、情境化的活動是有趣的、好玩的，那么偏好活動中常用的小組合作的學(xué)習(xí)方式，認(rèn)為這種學(xué)習(xí)方式更有學(xué)習(xí)氛圍，更能夠提高小組成員的思維靈活性。

總結(jié)與建議

本文探索了面向小學(xué)低學(xué)段學(xué)生人工智能概念理解的不插電教學(xué)活動的設(shè)計(jì)原則和開發(fā)模式，并展示了相關(guān)案例。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，不插電人工智能教學(xué)活動不僅深受小學(xué)低學(xué)段學(xué)生的喜愛，還能夠切實(shí)促進(jìn)其對人工智能概念的理解。

研究也發(fā)現(xiàn)，雖然各個年級的學(xué)生都能夠在活動實(shí)踐中基本達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)，但是對于不同年級的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)體驗(yàn)的差距還是較大，主要體現(xiàn)在低年級學(xué)生不能較快理解游戲規(guī)則，因此在小組合作中容易處于邊緣位置，從而失去學(xué)習(xí)興趣。因此，在面向小學(xué)低學(xué)段學(xué)生設(shè)計(jì)不插電人工智能活動的時(shí)候，應(yīng)該適當(dāng)降低相關(guān)問題對計(jì)算能力和邏輯思維能力的要求，同時(shí)適當(dāng)降低游戲的挑戰(zhàn)性。此外，通過訪談可以了解到，低段學(xué)生更偏愛小組合作的方式。因此，對低段學(xué)生也應(yīng)該多多采用小組合作的學(xué)習(xí)方式，這可以使得學(xué)生互相幫助，更好地理解知識以及更多地參與到活動中。

在未來的研究中，可以探索不插電人工智能活動對不同年段小學(xué)生甚至于初中生的教學(xué)效果，開展更加完善、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行效果驗(yàn)證，也可以探索如何通過不插電人工智能活動提升學(xué)生的計(jì)算思維、信息素養(yǎng)等能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bell T，Witten I H，F(xiàn)ellows M.Computer Science Unplugged： Off-line activities and games for all ages[J].Great Ideas in Computer Science，1998，43（1 Supplement）：S21-S22.

[2]Christian P. Brackmann，Marcos Román-González，Gregorio Robles，Jesús Moreno-León，Ana Casali，Dante Barone. Development of Computational Thinking Skills through Unplugged Activities in Primary School[P].Primary and Secondary Computing Education，2017.

[3]Nishida T，Idosaka Y，Hofuku Y，et al.New Methodology of Information Education with "Computer Science Unplugged"[C].// International Conference on Informatics Education-supporting Computational Thinking. DBLP， 2008.

[4]Lindner A，Seegerer S，Romeike R.Unplugged Activities in the Context of AI[M].Berlin：Springer，Cham，2019.

[5][6]Nishida T，Kanemune S，Idosaka Y，et al.A CS unplugged design pattern[C].// Proceedings of the 40th SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education，SIGCSE 2009，Chattanooga，TN，USA，March 4-7，2009.

[7]馬濤，趙峰，王有學(xué)，等.海淀區(qū)中小學(xué)人工智能教育發(fā)展之路[J].中國電化教育，2019（05）：128-132.