基于設(shè)計(jì)的培養(yǎng)計(jì)算思維的人工智能教學(xué)模式與實(shí)踐探究

黃靜?李幸?余盼

【摘 要】基于設(shè)計(jì)的人工智能教學(xué)模式包括：情境感知、協(xié)作方案設(shè)計(jì)、算法編程、作品制作、改進(jìn)完善作品、交流演示評(píng)價(jià)。該模型融合計(jì)算思維的基本要素，以解決復(fù)雜的結(jié)合真實(shí)生活情境的人工智能問(wèn)題為主，以設(shè)計(jì)為載體，深度融合人工智能教學(xué)要素，可以更好地培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維。

【關(guān)鍵詞】人工智能 基于設(shè)計(jì) 計(jì)算思維

計(jì)算思維是人工智能時(shí)代智慧型人才的必備素質(zhì)，是讀、寫、算之外的又一項(xiàng)基本素養(yǎng)。計(jì)算思維是涵蓋算法思維、創(chuàng)造力、批判思維等多元能力的高階應(yīng)用型技能，用以進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解。學(xué)生通過(guò)編程解決實(shí)際問(wèn)題可以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的思維模式，學(xué)會(huì)從計(jì)算思維的角度去分析問(wèn)題并找出使用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的路徑。但由于當(dāng)前人工智能課程缺少教學(xué)模式的指導(dǎo)，忽略真實(shí)生活情境，不重視技術(shù)與其他學(xué)科內(nèi)容的融合，計(jì)算思維因而失去其解決真實(shí)世界復(fù)雜問(wèn)題的內(nèi)核價(jià)值。因此，如何構(gòu)建本土化的教學(xué)模式，精準(zhǔn)培養(yǎng)計(jì)算思維，是教育工作者與教育研究者亟須解決的問(wèn)題。

基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（Design-based Learning，DBL）模式共分為五步：鑒別與定義情境、背景研究、開(kāi)發(fā)個(gè)人與集體觀念、構(gòu)建產(chǎn)品、反饋?；谠O(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)對(duì)于問(wèn)題解決能力、批判思維、創(chuàng)造力、協(xié)作思維均有顯著的提升作用。

一、培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模型

學(xué)習(xí)者在分析與設(shè)計(jì)的過(guò)程中，收集數(shù)據(jù)，評(píng)估方案，形成想法，最終建構(gòu)自己的知識(shí)。在設(shè)計(jì)流程圖和編輯程序的過(guò)程中，通過(guò)反復(fù)思考“如何做”“需要什么”“為什么”“是怎樣”，最終借助計(jì)算機(jī)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。學(xué)生收集與分析信息的過(guò)程是批判思維的重要部分;在小組討論的過(guò)程中設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案，提升創(chuàng)造力;借助計(jì)算機(jī)將真實(shí)世界中的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成編程設(shè)計(jì)，在編程的過(guò)程中開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的原型，培養(yǎng)算法思維;在作品的修改與迭代中，提升創(chuàng)造力和設(shè)計(jì)思維;在作品的展示分享中，進(jìn)行反思和深化。整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程體現(xiàn)出學(xué)生解決真實(shí)世界復(fù)雜問(wèn)題即計(jì)算思維的能力。

基于設(shè)計(jì)的人工智能教學(xué)模式由三部分組成：一是基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí);二是人工智能的學(xué)科知識(shí)，即具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容;三是計(jì)算思維。以基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)作為基本流程，融合人工智能的學(xué)科內(nèi)容，最終提升學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維。包括六個(gè)方面。

情境感知。學(xué)習(xí)者鑒定真實(shí)的情境問(wèn)題，明確學(xué)習(xí)任務(wù)。以與生活息息相關(guān)的真實(shí)情境知識(shí)為核心，結(jié)合AI技術(shù)設(shè)計(jì)整體教學(xué)主題，融合計(jì)算思維實(shí)踐，包括問(wèn)題分解與問(wèn)題抽象。

協(xié)作方案設(shè)計(jì)。頭腦風(fēng)暴設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案，繪制解決問(wèn)題的流程圖;在設(shè)計(jì)的過(guò)程中融合計(jì)算思維，包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、并行處理。

算法編程。學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)編程與算法，主要是學(xué)習(xí)基于編程軟件的編程與計(jì)算概念，融合計(jì)算思維實(shí)踐，包括算法與過(guò)程、自動(dòng)化、模擬等。

作品制作。應(yīng)用學(xué)習(xí)到的編程與算法知識(shí)構(gòu)建物理實(shí)物與虛擬編程相結(jié)合的產(chǎn)品原型，該部分融合較多的計(jì)算思維實(shí)踐，如數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、算法與過(guò)程、自動(dòng)化與模擬。

改進(jìn)完善作品。該過(guò)程通過(guò)測(cè)試產(chǎn)品的編程部分以及物理構(gòu)建部分，確保迭代完善改良產(chǎn)品。

交流演示評(píng)價(jià)。小組開(kāi)展評(píng)價(jià)反饋工作，包括梳理和總結(jié)學(xué)科知識(shí)、匯報(bào)產(chǎn)品制作過(guò)程以及收獲。計(jì)算思維實(shí)踐包括數(shù)據(jù)分析、并行處理。

二、基于設(shè)計(jì)的人工智能教學(xué)實(shí)踐—以“文字識(shí)別小助手”一課為例

1. 教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)分析

“文字識(shí)別小助手”是人工智能教材中“智能學(xué)習(xí)伙伴”章節(jié)中的一課，主要是讓學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)來(lái)感知人工智能中的文字識(shí)別技術(shù)，理解文字識(shí)別的工作過(guò)程，體會(huì)其在學(xué)習(xí)上的應(yīng)用。為了給學(xué)生營(yíng)造真實(shí)的問(wèn)題情境，研究結(jié)合學(xué)生正在學(xué)習(xí)的語(yǔ)文學(xué)科中第六單元的“語(yǔ)文園地”中的生詞，設(shè)計(jì)“識(shí)字接龍”游戲，與機(jī)器人比賽認(rèn)讀生詞，在體驗(yàn)的過(guò)程中產(chǎn)生真實(shí)的問(wèn)題—“機(jī)器人是如何認(rèn)讀的？”“怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)智能文字識(shí)別小助手幫我們認(rèn)讀生字呢？”從而引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)主題—設(shè)計(jì)智能文字識(shí)別小助手。

通過(guò)編程設(shè)計(jì)智能文字識(shí)別小助手，將想法用流程圖表示出來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力、計(jì)算思維、創(chuàng)造力等。

本節(jié)課涉及的具體的知識(shí)點(diǎn)有：了解文字識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用;通過(guò)程序設(shè)計(jì)完成智能文字識(shí)別小助手的制作;在文字識(shí)別小助手的幫助下學(xué)會(huì)生字、生詞。

2. 教學(xué)對(duì)象與教學(xué)環(huán)境

本節(jié)課的教學(xué)對(duì)象是三年級(jí)9班45名學(xué)生。學(xué)習(xí)人工智能課程之前，學(xué)生均沒(méi)有接觸過(guò)編程，個(gè)別學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的應(yīng)用有一定的了解。

教學(xué)的環(huán)境是學(xué)校的人工智能教室，有充足的平板電腦、機(jī)器人、筆記本電腦設(shè)備，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，教室桌椅可以隨意組合，學(xué)生學(xué)習(xí)的空間較為自由，學(xué)習(xí)資源充沛。

3. 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

（1）情境感知

計(jì)算思維解決問(wèn)題的第一步是界定問(wèn)題，體驗(yàn)作品的過(guò)程也是界定問(wèn)題的過(guò)程。通過(guò)與機(jī)器人一起玩“識(shí)字接龍”游戲（見(jiàn)圖1），體會(huì)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大快速的計(jì)算功能和海量的存儲(chǔ)功能，激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)中文字識(shí)別技術(shù)探索的興趣。以真實(shí)的情境知識(shí)為核心，學(xué)習(xí)基本知識(shí)框架中的科學(xué)概念與知識(shí)，設(shè)計(jì)整體教學(xué)主題。

（2）協(xié)作方案設(shè)計(jì)

到底什么是文字識(shí)別呢？學(xué)生通過(guò)視頻學(xué)習(xí)和理解文字識(shí)別的應(yīng)用及工作的過(guò)程，初步理解人工智能技術(shù)工作的原理，思考如何運(yùn)用信息知識(shí)與技術(shù)去解決問(wèn)題—設(shè)計(jì)文字識(shí)別小助手。學(xué)生在思考問(wèn)題解決的過(guò)程中進(jìn)行理性分析，將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)槿舾杀阌诮鉀Q的簡(jiǎn)單問(wèn)題：讓機(jī)器聯(lián)網(wǎng);獲取數(shù)據(jù)庫(kù)信息;啟動(dòng)文字識(shí)別的功能;讓機(jī)器看到生字單;讓機(jī)器讀出文字識(shí)別的結(jié)果。

（3）算法編程

學(xué)生借助流程圖厘清解決問(wèn)題的思路，借助圖形化編程軟件和開(kāi)源機(jī)器人進(jìn)行程序的編輯，將設(shè)計(jì)方案變成現(xiàn)實(shí)，初步體驗(yàn)用機(jī)器實(shí)現(xiàn)想法的過(guò)程，通過(guò)探索理解程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指令（見(jiàn)圖2）。

實(shí)現(xiàn)功能的過(guò)程就是算法設(shè)計(jì)的過(guò)程，學(xué)生將問(wèn)題分解為小的步驟，思考使用哪些指令、通過(guò)什么樣的語(yǔ)法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo);再通過(guò)編寫程序?qū)⒔巧袨槌橄鬄樗惴?，編寫、調(diào)試程序的過(guò)程實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的增量和迭代。

（4）作品制作

學(xué)生優(yōu)化算法、完善代碼，利用學(xué)科內(nèi)容知識(shí)進(jìn)行編程和工程設(shè)計(jì)，構(gòu)建物理實(shí)物與虛擬編程相結(jié)合的產(chǎn)品原型，完成文字識(shí)別小助手的制作、產(chǎn)品說(shuō)明書的制作。作品制作的過(guò)程需要小組分工，以協(xié)作的方式完成，充分體現(xiàn)了小組的合作能力。

（5）改進(jìn)完善作品

學(xué)生在完成最基本的文字識(shí)別助手設(shè)計(jì)的任務(wù)之后，教師組織學(xué)生思考當(dāng)前作品中存在的不足，以及是否有更多的需求，以小組為單位討論，提出優(yōu)化方案，整理思路，并將解決問(wèn)題的方法以流程圖的形式展示出來(lái)，然后根據(jù)優(yōu)化的流程圖來(lái)設(shè)計(jì)新的程序，確保迭代完善改良產(chǎn)品。該活動(dòng)可以讓學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造力和動(dòng)手實(shí)踐的能力，借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)心中的所需所想。

學(xué)生將問(wèn)題解決方法通過(guò)流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，體現(xiàn)了計(jì)算思維中“抽象”“分解”“概括”等重要方法;并運(yùn)用圖示將大問(wèn)題分解成小問(wèn)題，從最基礎(chǔ)的問(wèn)題開(kāi)始求解，直到整體問(wèn)題被解決。

（6）交流演示評(píng)價(jià)

學(xué)生以小組為單位展示作品，首先介紹流程圖的設(shè)計(jì)思路，然后演示作品的功能，全班互評(píng)。作品的展示和評(píng)價(jià)可以幫助學(xué)生從更全面的角度看待問(wèn)題，在評(píng)價(jià)他人作品的同時(shí)也不斷反思自己的方法思路是否存在問(wèn)題，是否需要優(yōu)化等，還可以幫助學(xué)生個(gè)體利用群體資源，促進(jìn)學(xué)生更深入理解計(jì)算思維概念，建構(gòu)計(jì)算思維知識(shí)體系。

本研究通過(guò)基于設(shè)計(jì)的人工智能教學(xué)模式開(kāi)展小學(xué)人工智能課程的教學(xué)，將計(jì)算思維融入實(shí)踐項(xiàng)目中，讓學(xué)生在真實(shí)的問(wèn)題情境中理解問(wèn)題、定義問(wèn)題，通過(guò)小組協(xié)作制定問(wèn)題解決的方案，設(shè)計(jì)流程圖，借助編程工具讓機(jī)器解決實(shí)際問(wèn)題，從計(jì)算思維的角度去分析問(wèn)題并找出使用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的路徑。全新的思維方式可以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)力，在解決復(fù)雜問(wèn)題的過(guò)程中也能發(fā)展合作和溝通的能力。當(dāng)然，本研究也存在一些不足，對(duì)于影響計(jì)算思維發(fā)展的其他諸如環(huán)境、資源等因素沒(méi)有加以分析，后期將繼續(xù)深入研究。

（作者單位：1、3. 湖北省武漢市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué);2.江漢大學(xué)數(shù)字媒體技術(shù)系）

責(zé)任編輯：孫昕