基于計(jì)算思維的初中信息技術(shù)人工智能單元教學(xué)策略與實(shí)踐分析

文/林俊清

引 言

人工智能也被稱(chēng)作機(jī)器智能，通常理解為用來(lái)描述模仿人類(lèi)與其他人類(lèi)思維相關(guān)聯(lián)的“認(rèn)知”功能的機(jī)器，如“學(xué)習(xí)”和“解決問(wèn)題”。其反映數(shù)字時(shí)代正確育人方向，能幫助學(xué)生學(xué)會(huì)數(shù)字時(shí)代的知識(shí)積累與創(chuàng)新方法，引導(dǎo)學(xué)生用信息科技解決問(wèn)題。在初中信息技術(shù)人工智能單元的教學(xué)中，教師要講解其中原理，指導(dǎo)學(xué)生利用人工智能分析和解決問(wèn)題。

一、初中信息技術(shù)開(kāi)發(fā)人工智能課程的背景

國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出要實(shí)施全民智能教育項(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。在初中信息技術(shù)人工智能單元的教學(xué)中，教師需要結(jié)合學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，基于信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任等重點(diǎn)讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)人工智能技術(shù)以及相關(guān)應(yīng)用，能夠運(yùn)用簡(jiǎn)單的人工智能技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，明確人工智能技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)與生活的重要意義，提升使用人工智能技術(shù)的責(zé)任感與使命感。

二、重視培養(yǎng)計(jì)算思維，做好單元課程設(shè)計(jì)

初中信息技術(shù)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維要先明確計(jì)算思維的內(nèi)容：計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，通過(guò)抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等解決問(wèn)題的思維。在信息技術(shù)單元設(shè)計(jì)中，教師可以結(jié)合單元主題內(nèi)容，提出問(wèn)題和布置任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷抽象、分解、建模等思維過(guò)程，參與設(shè)計(jì)算法，形成解決問(wèn)題的方案，嘗試模擬、仿真、驗(yàn)證，反思和優(yōu)化解決問(wèn)題的方案，并遷移運(yùn)用解決其他問(wèn)題[1]。

以閩教版八年級(jí)（下冊(cè)）第一單元“開(kāi)源硬件初體驗(yàn)”為例，為更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，教師應(yīng)設(shè)計(jì)人工智能課程，包括人工智能感知、人工智能語(yǔ)言、人工智能問(wèn)題求解等。這些課程可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能的興趣，指導(dǎo)學(xué)生積極參與人工智能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，更好地運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題。人工智能感知重點(diǎn)是激發(fā)與培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能的興趣，教師可以借助圖文與視頻資料，引入人工智能發(fā)展史，介紹人工智能在人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、公共安全等方面的應(yīng)用，使之感受人工智能在生產(chǎn)與生活中的重要價(jià)值。在人工智能語(yǔ)言部分，教師要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)開(kāi)源硬件及其開(kāi)發(fā)環(huán)境，認(rèn)識(shí)micro:bit的硬件和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MakeCode，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用MakeCode編寫(xiě)簡(jiǎn)單的控制程序等，在程序設(shè)計(jì)中建構(gòu)計(jì)算思維。在人工智能問(wèn)題求解部分，重點(diǎn)是讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)與嘗試人工智能的應(yīng)用，如在搭建救援機(jī)器人、巡邏機(jī)器人等的過(guò)程中，嘗試人工智能的應(yīng)用。整個(gè)解決問(wèn)題的過(guò)程有情境體驗(yàn)、需求分析、程序設(shè)計(jì)、調(diào)試拓展、分享交流、遷移運(yùn)用等，教師要將計(jì)算思維融入各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，包括基于抽象方式表示數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)算法和形成自動(dòng)化解決方案，總結(jié)此類(lèi)方法和遷移運(yùn)用到其他領(lǐng)域，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生自主合作、探究學(xué)習(xí)，使其在實(shí)踐中內(nèi)化與拓展人工智能知識(shí)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

三、人工智能單元教學(xué)的多元化實(shí)踐路徑

（一）加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教學(xué)，打好實(shí)踐活動(dòng)基礎(chǔ)

初中信息技術(shù)人工智能單元教學(xué)，一般要分為人工智能理論教學(xué)和人工智能實(shí)踐教學(xué)。教師可以根據(jù)人工智能理論知識(shí)，引入人工智能在生活中的應(yīng)用產(chǎn)品資料，創(chuàng)設(shè)人工智能服務(wù)于生活的設(shè)計(jì)情境，指導(dǎo)學(xué)生參與產(chǎn)品體驗(yàn)、觀察和記錄、總結(jié)與提煉等，這樣可以將人工智能的抽象概念轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w形象的內(nèi)容，為實(shí)踐活動(dòng)打好基礎(chǔ)[2]。

例如，關(guān)于人工智能基礎(chǔ)理論，教師需要提前準(zhǔn)備豐富的圖文課件與微視頻等資源，將人工智能的概念、研究方法、學(xué)科角度、能力角度等內(nèi)容融入其中，推送導(dǎo)學(xué)案，方便學(xué)生課前自學(xué)。同時(shí)，教師應(yīng)在課堂上創(chuàng)設(shè)生動(dòng)情境，讓學(xué)生初步熟悉人工智能。例如，人工智能的研究方法分為結(jié)構(gòu)模擬、功能模擬、行為模擬，教師可以用手機(jī)軟件演示人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別，并提問(wèn)：這些屬于人工智能的哪類(lèi)研究？讓學(xué)生基于具體應(yīng)用理解基礎(chǔ)理論。教師還可以展示人工智能其他方面的應(yīng)用場(chǎng)景，如無(wú)人駕駛汽車(chē)、圖像識(shí)別等，讓學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)人工智能的價(jià)值，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)人工智能的認(rèn)知程度。教師還可以基于這些背景提問(wèn)：人工智能如何實(shí)現(xiàn)以上功能？引發(fā)學(xué)生思考，引入開(kāi)源硬件與開(kāi)發(fā)環(huán)境的概念，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到在開(kāi)源電路圖、固件、軟件、元件列表、器件列表、印刷版圖、編程的支持下，可以實(shí)現(xiàn)某些功能。教師要重點(diǎn)講解MakeCode集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、MakeCode的變量與賦值、MakeCode隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用等的概念，讓學(xué)生初步體驗(yàn)應(yīng)用，如數(shù)碼骰子猜數(shù)游戲等。

（二）搭建解決問(wèn)題支架，分析需求分解程序

基于計(jì)算思維的人工智能教學(xué)在完成情境體驗(yàn)部分后，教師需要帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行需求分析，指導(dǎo)學(xué)生搭建解決問(wèn)題的支架，從局部到整體分析需求，對(duì)程序進(jìn)行分解，從而更好地解決問(wèn)題與完成任務(wù)。

例如，在“搭建救援機(jī)器人”的講解中，通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)熟悉本節(jié)課的主要任務(wù)，基于搭建機(jī)器人小車(chē)的任務(wù)，教師可以提出若干個(gè)問(wèn)題：搭建機(jī)器人小車(chē)都需要用到哪些開(kāi)源硬件？這些硬件的原理和作用是什么？如何建立開(kāi)源硬件和計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系？經(jīng)過(guò)幾分鐘的小組交流，學(xué)生可以明確主要用到的是電動(dòng)馬達(dá)、超聲波傳感器等。在教師的指導(dǎo)下，各個(gè)小組分解程序：一是搭建機(jī)器人小車(chē)，二是用數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)，三是用串口完成讀取超聲波傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，四是上傳程序?qū)嵤╇x線實(shí)地測(cè)試。在機(jī)器人小車(chē)中，超聲波傳感器的作用是判讀小車(chē)與障礙物的距離是否達(dá)到預(yù)設(shè)值（如6 cm），學(xué)生通過(guò)編寫(xiě)程序設(shè)定預(yù)警距離是6 cm，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到距離障礙物距離大于6 cm時(shí)，LED屏幕顯示為“√”，否則顯示“×”。做好這個(gè)流程能為學(xué)生后續(xù)做好復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)、組織調(diào)試優(yōu)化程序等打好基礎(chǔ)。

（三）基于導(dǎo)圖引導(dǎo)思路，指導(dǎo)做好程序設(shè)計(jì)

在初中信息技術(shù)人工智能單元的教學(xué)中，教師還要引入思維導(dǎo)圖、流程導(dǎo)圖等，基于導(dǎo)圖，引導(dǎo)學(xué)生建立基本的思路，幫助學(xué)生理清編程的思路，指導(dǎo)其做好程序設(shè)計(jì)，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。教師要提前布置任務(wù)與分發(fā)套件，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行基本設(shè)計(jì)與操作，在讓學(xué)生熟悉相關(guān)操作之后，再指導(dǎo)學(xué)生完善各方面的操作，做好對(duì)應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，提高課程教學(xué)的效率[3]。

例如，針對(duì)“搭建救援機(jī)器人”的教學(xué)，完成上述的步驟后，教師要為學(xué)生分發(fā)機(jī)器人套件，要求學(xué)生根據(jù)教材安裝機(jī)器人的步驟，試著對(duì)這些機(jī)器人的套件進(jìn)行操作，提醒學(xué)生不要插反擴(kuò)展板，要將LED屏和超聲波傳感器裝在同一側(cè)，并檢查各個(gè)部件是否連接牢固。教師根據(jù)學(xué)生自行操作的情況，明確主要任務(wù)：搭建裝有超聲波傳感器的micro:bit機(jī)器小車(chē)，從指定位置出發(fā)，自動(dòng)識(shí)別和避開(kāi)障礙，到達(dá)指定位置后執(zhí)行救援。關(guān)于機(jī)器人小車(chē)運(yùn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子，并實(shí)現(xiàn)行走和救援等功能，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)總體程序：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易救援現(xiàn)場(chǎng)；搭建機(jī)器人小車(chē)；測(cè)試電機(jī)；調(diào)試小車(chē)的直角轉(zhuǎn)彎；編寫(xiě)程序，到達(dá)兩個(gè)救援地點(diǎn)去完成任務(wù)；優(yōu)化程序，完成全部的救援任務(wù)。

（四）引導(dǎo)學(xué)生合作探究，組織調(diào)試優(yōu)化程序

初中信息技術(shù)人工智能單元是人工智能在生活中的簡(jiǎn)單應(yīng)用，教師需要引導(dǎo)學(xué)生解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題。在完成前面一系列的操作后，教師還要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合作探究，主要是根據(jù)測(cè)試的情況在小組中共同參與調(diào)試優(yōu)化程序[4]。

例如，在“搭建救援機(jī)器人”的講授中，往往會(huì)遇到各種各樣的障礙，涉及直行、轉(zhuǎn)彎、執(zhí)行救援等各種任務(wù)，在實(shí)際場(chǎng)景中往往包括更為復(fù)雜的任務(wù)。這需要教師指導(dǎo)學(xué)生基于編程軟件，熟練運(yùn)用“實(shí)時(shí)模式”和“上傳模式”，并注重測(cè)試超聲波傳感器。如在“實(shí)時(shí)模式”中，教師可讓學(xué)生拖出“當(dāng)綠旗被點(diǎn)擊”指令，拖出“說(shuō)你好”指令銜接，將“讀取P1、P2超聲波距離（cm）”指令置于“說(shuō)你好”模塊，打開(kāi)小車(chē)的開(kāi)關(guān)，點(diǎn)擊進(jìn)行綠旗測(cè)試。在測(cè)試的過(guò)程中要注意電池的電量，如果電量不足則讀取值是0。教師還要指導(dǎo)學(xué)生編寫(xiě)測(cè)試程序，用以觀察超聲波傳感器獲得的距離值與顯示的LED圖案是否和程序設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果一致。教師要根據(jù)各個(gè)小組的測(cè)試情況、調(diào)試優(yōu)化的結(jié)果等，做好整理與統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)的歸納總結(jié)打好基礎(chǔ)。

（五）分組展示實(shí)踐成果，歸納總結(jié)提升思維

在完成相關(guān)設(shè)計(jì)與操作之后，教師還要讓學(xué)生分組展示各自的實(shí)踐成果。教師先讓各個(gè)小組進(jìn)行自主評(píng)價(jià)，再讓各個(gè)小組進(jìn)行互相評(píng)價(jià)，要求說(shuō)出優(yōu)點(diǎn)與說(shuō)明不足。教師需要根據(jù)最后的結(jié)果，結(jié)合各組學(xué)生參與交流與探討、實(shí)踐與操作的過(guò)程及在過(guò)程中體現(xiàn)出的態(tài)度等分別打分，然后將分?jǐn)?shù)輸入評(píng)測(cè)軟件，得到一個(gè)最終的數(shù)值，根據(jù)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。教師需要多鼓勵(lì)與表?yè)P(yáng)學(xué)生，做好歸納總結(jié)工作，通過(guò)設(shè)置拓展性任務(wù)，要求各小組參與思考，以此提升學(xué)生的計(jì)算思維[5]。

例如，完成“搭建救援機(jī)器人”的課程后，各個(gè)小組代表分別展示各自的救援機(jī)器人，主要測(cè)試是否能夠按照指令行動(dòng)，是否到達(dá)多個(gè)救援地點(diǎn)，是否能夠越過(guò)各類(lèi)障礙，是否能夠靈活執(zhí)行轉(zhuǎn)彎等。根據(jù)各組展現(xiàn)的結(jié)果，教師先讓各個(gè)小組自行評(píng)價(jià)，根據(jù)設(shè)計(jì)與操作的過(guò)程與結(jié)果，說(shuō)明本組的優(yōu)勢(shì)與不足。接著，各小組需要互相進(jìn)行評(píng)價(jià)，同樣需要以公正的態(tài)度對(duì)其他小組進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。教師對(duì)各組救援機(jī)器人的演示結(jié)果、設(shè)計(jì)過(guò)程、體現(xiàn)態(tài)度等進(jìn)行綜合打分，實(shí)施綜合、科學(xué)、系統(tǒng)評(píng)價(jià)，對(duì)表現(xiàn)一般的小組進(jìn)行鼓勵(lì)，對(duì)做得好的小組實(shí)施獎(jiǎng)勵(lì)。

（六）布置課后實(shí)踐任務(wù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移運(yùn)用

基于初中信息技術(shù)人工智能單元的教學(xué)，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，讓學(xué)生學(xué)會(huì)基本編程與相關(guān)操作。教師還要布置課后實(shí)踐任務(wù)，根據(jù)相關(guān)課程主題內(nèi)容，要求學(xué)生基于已學(xué)知識(shí)和已有經(jīng)驗(yàn)，用所學(xué)的技能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的遷移運(yùn)用。

例如，在“開(kāi)源硬件初體驗(yàn)”“搭建巡邏機(jī)器人”的教學(xué)中，教師讓學(xué)生自由選擇其中一個(gè)項(xiàng)目，發(fā)揮小組合作的力量，運(yùn)用所學(xué)的人工智能理論知識(shí)與實(shí)操技能，參與程序設(shè)計(jì)、動(dòng)手操作等，完成相應(yīng)的任務(wù)。基于這些課程主題內(nèi)容，教師需要提前設(shè)計(jì)與制作輔助學(xué)習(xí)資源，提供相應(yīng)的傳感器等器材，要求學(xué)生分組參與交流與探究，共同商討設(shè)計(jì)方案，規(guī)劃科學(xué)的創(chuàng)作流程，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的任務(wù)。教師需要根據(jù)各組的展現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行調(diào)試和完善。

結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在初中信息技術(shù)開(kāi)發(fā)人工智能課程的背景下，教師需要明確計(jì)算思維等核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，將計(jì)算思維貫穿于單元設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，形成多元化的教學(xué)策略，引領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)情境、分析需求、設(shè)計(jì)程序、合作探究、分享交流等。在具體教學(xué)中，我們遇到了資源不足、較難統(tǒng)籌過(guò)程等問(wèn)題，因此，需要重點(diǎn)優(yōu)化。相關(guān)教師要根據(jù)基本學(xué)情落實(shí)相關(guān)教學(xué)策略，以此增強(qiáng)人工智能單元教學(xué)效果，更好地培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維等核心素養(yǎng)。