“雙減”背景下基于高階思維的人工智能教學(xué)探索

摘要：人工智能教育倡導(dǎo)培養(yǎng)具有高階思維的復(fù)合型和創(chuàng)新型人才，因此，本文以項目化學(xué)習(xí)為主線，以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、編程思維和創(chuàng)新思維等高階思維能力為目的，探索了基于高階思維的“編程無人機”教學(xué)策略，以期為一線信息科技教師的人工智能教育教學(xué)實踐提供借鑒。

關(guān)鍵詞：“雙減”；高階思維；人工智能教學(xué)

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）11-0059-03

人工智能課程的開設(shè)

“雙減”政策的實施對教育工作提出了新的挑戰(zhàn)，一方面要求減輕學(xué)生的課業(yè)負擔(dān)，另一方面學(xué)校人才培養(yǎng)的目標不能松懈。因此，筆者所在學(xué)校嘗試在課后延時服務(wù)中開展人工智能課程，以期在“雙減”后讓課程更加多樣，從多個角度提升學(xué)生的思維。

學(xué)校開設(shè)的人工智能課程立足于項目學(xué)習(xí)和問題學(xué)習(xí)，強調(diào)多學(xué)科知識的跨界與融合，關(guān)注學(xué)生的動手、實踐、思考、體驗，關(guān)注學(xué)生的計算思維、編程思維、工程思維和設(shè)計思維，同時關(guān)注其批判性思維、創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力。

其中，“編程無人機”課程深受學(xué)生喜愛，它是一門綜合性課程，基于LiteBeeGo平臺，旨在鍛煉學(xué)生的計算思維，同時會涉及數(shù)學(xué)和物理方面的知識，能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的編程技能，提升學(xué)生的項目化設(shè)計思維、分步解決問題能力、迭代思維能力、抗挫折能力、問題解決能力、全面分析問題能力、獨立思考能力、協(xié)同創(chuàng)新能力等。

基于高階思維的人工智能教學(xué)模式

筆者通過教學(xué)實踐，總結(jié)出基于高階思維的編程無人機教學(xué)策略：問題分解、抽象建模、算法開發(fā)/編程實現(xiàn)、調(diào)試遷移。

1.問題分解

在該課程的教學(xué)中筆者選用了項目化學(xué)習(xí)，每一個項目都是基于真實的情境。學(xué)生將現(xiàn)有的問題進行分析和分解，每個小組為一個團隊，團隊成員之間互相協(xié)作，共同應(yīng)對教師給出的真實情境。

2.抽象建模

在項目被細分為多個子問題后，小組成員對具體問題展開探討，然后利用已有知識對問題進行加工，完成抽象建模。在這個過程中，學(xué)生要整合多學(xué)科知識，而教師在這個過程中，可以給學(xué)生提供腳手架，也可對他們進行必要的指導(dǎo)。

3.算法開發(fā)/編程實現(xiàn)

在完成抽象建模后，要解決實際問題，學(xué)生就要運用計算思維、編程思維等高階思維對項目進行算法開發(fā)。算法開發(fā)的路徑不唯一，教師要鼓勵學(xué)生用發(fā)散的思維來解決問題，可以先引導(dǎo)學(xué)生繪制流程圖，或者用畫程軟件繪制詳細的解決策略，然后再用平臺給定的編程工具完成算法開發(fā)。同時，本課程是過程導(dǎo)向的，所以評價也主要是形成性評價、多元評價。教師要關(guān)注學(xué)生在參與該課程過程中的成長，并鼓勵他們關(guān)注自己的元認知，在完成項目的過程中培養(yǎng)自己的高階思維。

4.調(diào)試遷移

在算法開發(fā)完成后，連接無人機，對程序進行調(diào)試，在調(diào)試過程中會遇到各種各樣的問題，教師要關(guān)注學(xué)生的思維，引導(dǎo)他們在解決問題的過程中鍛煉高階思維，并及時引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生把所學(xué)知識和技能遷移到其他情境中，并反思自己是否使用了高階思維。

基于高階思維的人工智能教學(xué)探索案例

案例1：無人機運送抗疫物資

（1）問題分解

在新冠疫情期間，為了切斷疫情傳播，必要時會采取隔離政策，而被隔離人群的物資供應(yīng)是個大問題，需要耗費很大的人力物力資源來實現(xiàn)定點配送。而有了無人機的定點投遞功能，則可以很好地解決這一問題。本案例通過編程控制，讓無人機穿越障礙圈，到達指定降落點，實現(xiàn)物資投遞（如圖1）。

（2）抽象建模

到指定地點投遞物資，需要用精準定位，到達指定地點，攝像頭捕捉到投遞標記，按照指令進行投遞動作。

（3）算法開發(fā)（如圖2）：

（4）編程實現(xiàn)（部分代碼如圖3）

（5）調(diào)試遷移（部分代碼如圖4）

案例2：無人機飛行燈光秀促進文化宣傳

（1）問題分解

為社區(qū)組織無人機飛行燈光秀，運用科技少年特有的方式進行文化宣傳。

（2）抽象建模

無人機的編排需要精準定位，在到達指定空間坐標后，并有相應(yīng)的彩燈和蜂鳴器（如下頁圖5）。

（3）算法開發(fā)（如下頁圖6）

（4）編程實現(xiàn)（部分代碼如下頁圖7）

（5）調(diào)試遷移：（部分代碼如下頁圖8）

關(guān)于高階思維的教學(xué)建議

第一，通過再現(xiàn)與學(xué)生生活密切相關(guān)的真實的情境，激發(fā)學(xué)生的社會責(zé)任感、信息社會的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，同時充分調(diào)動學(xué)生的高階思維。

第二，用抽象建模的方式將復(fù)雜的問題逐步分解，用切片的方式細化、解決問題，在問題解決的過程中，強化和鍛煉學(xué)生的高階思維。

第三，用思維可視化工具將抽象的概念具體化，本課程提供的編程工具是可視化的，使用具有積木界面的編程工具，編程實現(xiàn)就像搭積木一樣有趣，學(xué)生們拋開紛繁復(fù)雜的代碼語法，從最本質(zhì)的邏輯線上解決問題。

第四，有些解決問題的算法比較抽象，可以引導(dǎo)學(xué)生用流程圖、思維導(dǎo)圖的形式，將抽象的過程用形象化的工具畫出來，這樣會減輕學(xué)生的認知負荷，達到更好的教學(xué)效果。學(xué)生學(xué)編程，不只是單純學(xué)會代碼，掌握一項技能，或只是培養(yǎng)一個興趣，重要的是掌握一整套解決問題的思維模式。

結(jié)語

“編程無人機”課程在實踐探索過程中集中體現(xiàn)了對學(xué)生高階思維培養(yǎng)的關(guān)注，從真實情境出發(fā)，激發(fā)學(xué)生強化信息時代的社會擔(dān)當(dāng)，促使其積極地自主學(xué)習(xí)，通過協(xié)作探究進行問題分解，跨學(xué)科整合抽象建模，調(diào)用高階思維進行算法開發(fā)，調(diào)試遷移強化高階思維。

參考文獻：

[1]徐燕萍.境脈學(xué)習(xí)：一種引導(dǎo)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)型的新范式[J].江蘇教育研究，2019（10）：23-27.

[2]臧美鳳.STEAM教學(xué)模式在初中信息技術(shù)課堂中的應(yīng)用——以蘇州高新區(qū)實驗初級中學(xué)為例[J].中學(xué)教學(xué)參考，2020（03）：16-18.

作者簡介：臧美鳳，碩士學(xué)歷，江蘇省蘇州高新區(qū)實驗初級中學(xué)信息技術(shù)教師。

本文系蘇州高新區(qū)教育科研課題的階段性成果，課題名稱為“雙減背景下思維可視化策略提升學(xué)習(xí)效果的調(diào)查研究”，立項編號：SND-2021-ZX-029。