中小學(xué)人工智能教育中計(jì)算思維的培養(yǎng)策略探討

鄒連凱 杜汕

2017年，教育部提出要推廣人工智能教育，在中小學(xué)階段廣泛設(shè)置人工智能的教學(xué)內(nèi)容，從而為編程教育打下基礎(chǔ)。在中小學(xué)組織人工智能教學(xué)，主要是為了能夠讓學(xué)生先簡(jiǎn)單了解人工智能的原理，對(duì)其計(jì)算思維、實(shí)踐能力進(jìn)行培養(yǎng)，從而幫助學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)中養(yǎng)成獨(dú)立思考的習(xí)慣，提高學(xué)生的綜合能力。

一、人工智能教育現(xiàn)狀

中小學(xué)進(jìn)行人工智能教學(xué)主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)課程方面，但是在這一課程中主要是介紹計(jì)算機(jī)的發(fā)展史和一些基礎(chǔ)的理論，對(duì)人工智能的全面應(yīng)用沒(méi)有進(jìn)行講解，不能滿足現(xiàn)在人工智能教育的根本需求。從課堂實(shí)踐的角度來(lái)看，在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，仍然是對(duì)學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的技能訓(xùn)練，不重視對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，而是采用固化的教學(xué)方式，讓學(xué)生被動(dòng)地接受并對(duì)其模仿，這樣的教學(xué)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法擴(kuò)展自己的思維，只是機(jī)械地學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中不能主動(dòng)思考，一些創(chuàng)新型的編程技能無(wú)法得到提升。從教學(xué)內(nèi)容來(lái)看，目前中小學(xué)都會(huì)進(jìn)行計(jì)算機(jī)教學(xué)課程，內(nèi)容常常是反復(fù)的，沒(méi)有形成一個(gè)規(guī)范化的體系，使教學(xué)的內(nèi)容不能逐漸遞進(jìn)。同時(shí)，一些教學(xué)內(nèi)容還會(huì)出現(xiàn)碎片化現(xiàn)象，其中缺乏一些實(shí)踐的案例，使中小學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)出現(xiàn)障礙，計(jì)算、創(chuàng)新、實(shí)踐等能力都會(huì)降低。為了能夠保證人工智能教育的效率，并在教育中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，就需要利用不同的教學(xué)方式，結(jié)合學(xué)生的年齡、性格特點(diǎn)，創(chuàng)新教學(xué)的方式，使計(jì)算思維的培養(yǎng)更有效。

二、中小學(xué)人工智能教育中計(jì)算思維的培養(yǎng)策略

1. 利用游戲培養(yǎng)計(jì)算思維

通過(guò)對(duì)中小學(xué)人工智能教育的現(xiàn)狀分析，可以發(fā)現(xiàn)其教育效率不高，所以教師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)要盡量采用游戲化的方式，利用數(shù)字游戲或者是游戲活動(dòng)，提高學(xué)生的積極性。例如，教師可以把學(xué)生分為兩組，一組設(shè)計(jì)電子游戲的情境，讓學(xué)生了解相關(guān)的信息技術(shù)知識(shí)，另一組則仍然采用傳統(tǒng)的理論講解方式。教學(xué)完成后，對(duì)這兩組學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第一組學(xué)生在計(jì)算思維、實(shí)踐能力等方面都得到了提升，所以這種游戲化教學(xué)是比較有效的。在游戲教學(xué)時(shí)，也可以采用電子游戲網(wǎng)絡(luò)評(píng)估平臺(tái)，這一平臺(tái)主要是對(duì)學(xué)生在打游戲時(shí)的一些操作進(jìn)行智能批改，并對(duì)學(xué)生的排名進(jìn)行公告，這也是一種比較流行的智能教育系統(tǒng)。在智能平臺(tái)中，教師主要是把一些編程中需要運(yùn)用的計(jì)算思維生成一個(gè)個(gè)短小的游戲，讓學(xué)生在游戲中完成教師所布置的學(xué)習(xí)任務(wù)，這樣學(xué)生就能在輕松的氛圍中進(jìn)行學(xué)習(xí)，并切實(shí)地提升自身的計(jì)算思維。除了數(shù)字游戲教學(xué)以外，教師還可以進(jìn)行游戲活動(dòng)的教學(xué)，讓學(xué)生從實(shí)踐角度去學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的知識(shí)，并且可以利用自身的計(jì)算思維去編寫，提升學(xué)生實(shí)踐操作、計(jì)算的能力。

2. 采用小組合作方式

目前的教學(xué)現(xiàn)狀逐漸從“以教師為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為主”，學(xué)生才是教育的主體，所以在進(jìn)行人工智能教學(xué)的時(shí)候，就要采用小組合作的方式，學(xué)生在虛擬的環(huán)境中通過(guò)互助協(xié)作的方式完成教師布置的任務(wù)，可以提高對(duì)社會(huì)的認(rèn)知水平，也讓學(xué)生的計(jì)算、創(chuàng)新能力得到了提升。在合作的過(guò)程中，學(xué)生可以通過(guò)自主性的思想來(lái)進(jìn)行角色的分配，小組成員之間相互合作完成計(jì)算的任務(wù)。計(jì)算思維其實(shí)也是解決問(wèn)題的思維，把學(xué)生的解題過(guò)程通過(guò)“程序化”的方式表達(dá)出來(lái)，然后再根據(jù)這一具體的算法轉(zhuǎn)換成程序編寫。小組合作的時(shí)候，如果在解題過(guò)程中出現(xiàn)思路堵塞、計(jì)算錯(cuò)誤等問(wèn)題，小組的其他成員就能及時(shí)地指出，降低了計(jì)算的錯(cuò)誤率。在小組合作的過(guò)程中，教師可以提供多元化的學(xué)習(xí)材料或者是學(xué)習(xí)虛擬場(chǎng)景。由于中小學(xué)生有一定的操作能力和想象力，所以教師在布置學(xué)習(xí)任務(wù)的時(shí)候要結(jié)合學(xué)生的特點(diǎn)，提供一些相應(yīng)的“半成品”，這樣就可以為學(xué)生提供交流以及操作方面的機(jī)會(huì)。教師在安排小組虛擬場(chǎng)景時(shí)，應(yīng)注意創(chuàng)造多樣化的場(chǎng)景，利用多樣化的場(chǎng)景開(kāi)發(fā)學(xué)生的想象力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算和合作能力，它不僅有利于人工智能教育的進(jìn)一步發(fā)展，還能提高學(xué)生的協(xié)商和計(jì)算能力。

3. 采用翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行教學(xué)

中小學(xué)生現(xiàn)階段的特點(diǎn)是記憶力好、可塑性強(qiáng)，但同時(shí)其注意力也容易分散，所以學(xué)生很快就會(huì)對(duì)重復(fù)的內(nèi)容失去興趣。因此，在實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂時(shí)，應(yīng)注意學(xué)生的身心特點(diǎn)，所使用的學(xué)習(xí)資源應(yīng)盡量保持簡(jiǎn)短，同時(shí)形式多樣。所以，有必要探索具有一定特點(diǎn)的人工智能翻轉(zhuǎn)課堂，并為不同的學(xué)習(xí)模塊（如，編程、繪圖、計(jì)算等）開(kāi)設(shè)不同類型的課程，以使學(xué)生能夠逐步適應(yīng)具有計(jì)算特點(diǎn)的人工智能翻轉(zhuǎn)課堂。為了更好地實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂，不僅需要對(duì)教師進(jìn)行技能培訓(xùn)，還需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行一定程度的培訓(xùn)。必要的可操作性可使學(xué)生更好地融入翻轉(zhuǎn)課堂，學(xué)生操作平板電腦的能力不同，因此學(xué)校有必要為學(xué)生提供基礎(chǔ)培訓(xùn)，包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)編程操作、檢索、整理信息等。這不僅能提高學(xué)生計(jì)算思維的運(yùn)用效率，還能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)的習(xí)慣，最終實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)，教學(xué)效率得到提升。例如，在對(duì)“計(jì)算機(jī)科學(xué)”這一內(nèi)容進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的時(shí)候，教師可以引導(dǎo)學(xué)生用四分之三的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作，完成教師布置的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了人工智能的測(cè)評(píng)；教師再用剩下四分之一的時(shí)間對(duì)學(xué)生傳授計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)的關(guān)鍵理論，加強(qiáng)學(xué)生在實(shí)踐中的理解。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)可以讓教師從繁重的教學(xué)任務(wù)中得到釋放，同時(shí)也讓人工智能的應(yīng)用更深入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)其計(jì)算思維的提升。

4.通過(guò)案例進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)

如果想要保證中小學(xué)生在人工智能教學(xué)中提升計(jì)算思維能力，那么實(shí)踐教學(xué)方式必不可少，可以通過(guò)開(kāi)展一些有趣的活動(dòng)，把信息技術(shù)方面的知識(shí)和計(jì)算思維融合，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，讓學(xué)生在分解、抽象、計(jì)算等思維過(guò)程之后更好地解決問(wèn)題。例如，在對(duì)“分解”這一知識(shí)進(jìn)行教學(xué)的時(shí)候，學(xué)生需要將情景中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分解，并且要寫出具體的解決步驟，在“莫妮卡地圖”這個(gè)活動(dòng)中，學(xué)生需要在增長(zhǎng)地圖中找到兩個(gè)物體之間最短的距離，在找到最短的路徑之后，學(xué)會(huì)使用乘數(shù)來(lái)表達(dá)解題過(guò)程。學(xué)生在完成這些任務(wù)之后，就可以深入地了解分解算法、模擬等計(jì)算的概念，使其計(jì)算思維能力得到提升。在實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展的過(guò)程當(dāng)中，教師需要指導(dǎo)學(xué)生對(duì)于人工智能知識(shí)當(dāng)中存在的隱性特點(diǎn)進(jìn)行初步的了解，進(jìn)而深入體會(huì)和把握其所具備的真正核心內(nèi)涵，選擇可以直接用來(lái)展現(xiàn)這些實(shí)質(zhì)特征的計(jì)算方法，并且能夠做到掌握解題速度、計(jì)算的準(zhǔn)確性、創(chuàng)新性等諸多方面的基本要素。在實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)始，教師需要先為學(xué)生講解與人工智能知識(shí)有關(guān)的內(nèi)容，如果教學(xué)的時(shí)間足夠充裕，還可以與學(xué)生一起觀看編程、分解等具體的內(nèi)容，讓學(xué)生能夠在整體上對(duì)信息技術(shù)方面的知識(shí)有一定的認(rèn)識(shí)和理解。在這之后，教師還可以針對(duì)編程的變化、AI指令的變化做好標(biāo)記，以此來(lái)進(jìn)行提醒和說(shuō)明，讓學(xué)生能夠更好地對(duì)這一知識(shí)進(jìn)行理解，拓展學(xué)生的計(jì)算思維。

5. 隱喻及支架培養(yǎng)策略

在教學(xué)中采用隱喻的方法，可以把比較抽象的事物具象化，避免煩瑣的邏輯理論和概念給學(xué)生帶來(lái)的學(xué)習(xí)困難?？梢岳秒[喻和圖片化的編程軟件進(jìn)行教學(xué)，采用學(xué)生生活中容易理解的事物對(duì)一些抽象化的指令進(jìn)行解析。同時(shí)，隱喻的教學(xué)方法可以呈現(xiàn)出人工智能中的邏輯關(guān)系，然后比較清晰地對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解答，降低學(xué)生在學(xué)習(xí)、記憶和實(shí)踐中的難度，有利于培養(yǎng)其計(jì)算思維能力。而采用支架教學(xué)方法主要是采用人工智能技術(shù)創(chuàng)設(shè)出教學(xué)情境，讓復(fù)雜的問(wèn)題通過(guò)情境層層剝離，從而使學(xué)生一步步地解決問(wèn)題。由于人工智能中的一些理論原理是很難理解和學(xué)習(xí)的，所以就可以采用智能語(yǔ)音等技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)情境支架，讓學(xué)生在這一情境中創(chuàng)設(shè)出一個(gè)作品，使其原理在作品中展現(xiàn)，從而展現(xiàn)教學(xué)的層次化，也使學(xué)生在分解的時(shí)候充分運(yùn)用計(jì)算思維，降低了代碼的編寫難度，使學(xué)生在學(xué)習(xí)人工智能知識(shí)的時(shí)候更有積極性，促進(jìn)其計(jì)算思維的發(fā)展。

三、結(jié)論

綜上所述，在人工智能教育中培養(yǎng)中小學(xué)生的計(jì)算思維，可以使其在思考問(wèn)題時(shí)更加全面，對(duì)信息技術(shù)的運(yùn)用能力更強(qiáng)。主要是從游戲、合作、案例等角度進(jìn)行培養(yǎng)，讓中小學(xué)生的計(jì)算思維可以得到全面拓展，逐漸提高學(xué)生對(duì)人工智能的掌握程度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，達(dá)到創(chuàng)新培養(yǎng)的效果。

（作者單位：鄒連凱 山東省教育學(xué)會(huì)；杜 汕山東省濟(jì)南商貿(mào)學(xué)校）

責(zé)任編輯：莊 源