人工智能課程：計(jì)算思維培養(yǎng)的優(yōu)質(zhì)載體

張屹 劉金芳 賈杰

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，要圍繞數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全、人工智能六條邏輯主線(xiàn)，設(shè)計(jì)義務(wù)教育全學(xué)段內(nèi)容模塊，組織課程內(nèi)容，培養(yǎng)中小學(xué)生信息意識(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)任四個(gè)方面的核心素養(yǎng)。“智能導(dǎo)航”是筆者自主開(kāi)發(fā)的聚焦小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能課程，課程內(nèi)容依據(jù)計(jì)算思維的概念、實(shí)踐和觀念三個(gè)維度設(shè)計(jì)，教學(xué)方案采取將計(jì)算思維要素融入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)思路。

“智能導(dǎo)航”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)共8個(gè)課時(shí)，教學(xué)對(duì)象是華中師范大學(xué)附屬小學(xué)四年級(jí)兩個(gè)自然班的學(xué)生。教學(xué)后，筆者借助國(guó)際Bebras測(cè)試題和自主編制的調(diào)查問(wèn)卷，測(cè)評(píng)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展水平。測(cè)評(píng)結(jié)果表明，學(xué)生的計(jì)算思維概念、計(jì)算思維實(shí)踐和計(jì)算思維觀念均有所提高。

一、前端分析

1.內(nèi)容分析

“智能導(dǎo)航”課程選自張屹教授主編的《人工智能·計(jì)算思維》系列教材。該教材結(jié)合我國(guó)2021年頒布的《中小學(xué)人工智能課程開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》以及美國(guó)中小學(xué)人工智能教育指導(dǎo)工作組（AI4K12）發(fā)布的適用于中小學(xué)人工智能教育的概念等，從智能感知、表示與推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、社會(huì)影響五個(gè)方面規(guī)劃與設(shè)計(jì)課程內(nèi)容。其中，“智能導(dǎo)航”屬于“表示與推理”概念下的內(nèi)容。該課程巧妙地以規(guī)劃觀鳥(niǎo)路線(xiàn)活動(dòng)，引領(lǐng)學(xué)生探究智能導(dǎo)航技術(shù)背后的算法原理，讓學(xué)生通過(guò)自主設(shè)計(jì)一個(gè)模擬智能導(dǎo)航創(chuàng)意機(jī)器人，學(xué)習(xí)環(huán)境建模、貪心算法、枚舉算法、選擇算法等，以培養(yǎng)并發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。

該課程包含四節(jié)內(nèi)容：第一節(jié)“環(huán)境建模? 抽象地圖”引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)建構(gòu)濕地公園的模型圖示，理解環(huán)境建模的要點(diǎn)，發(fā)展抽象思維；第二節(jié)“貪心算法? 規(guī)劃路線(xiàn)”引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)在模型圖示上計(jì)算最短觀鳥(niǎo)路線(xiàn)，掌握貪心算法的原理與表示方法，學(xué)會(huì)以“一筆畫(huà)”（從起點(diǎn)到終點(diǎn)不走重復(fù)路的路線(xiàn)）規(guī)劃觀鳥(niǎo)路線(xiàn)；第三節(jié)“枚舉算法? 路線(xiàn)優(yōu)化”引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分析多條觀鳥(niǎo)路線(xiàn)，學(xué)會(huì)規(guī)劃路線(xiàn)的枚舉算法，掌握最優(yōu)路線(xiàn)的原理與計(jì)算方法；第四節(jié)“路線(xiàn)選擇? 智能導(dǎo)航”引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)交互選擇功能的模擬智能導(dǎo)航機(jī)器人，掌握選擇算法的概念與設(shè)計(jì)方法，探索智能導(dǎo)航技術(shù)的奧秘，體會(huì)人工智能技術(shù)給生活帶來(lái)的便利。

2.學(xué)習(xí)者分析

該課程內(nèi)容實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)習(xí)該課程內(nèi)容前，學(xué)生需要掌握人工智能的基本概念，熟悉Mind+軟件的基本操作。教師要在教學(xué)中關(guān)注學(xué)生掌握算法設(shè)計(jì)一般步驟的情況，以及操作Mind+軟件時(shí)遇到的問(wèn)題。

3.教學(xué)目標(biāo)和重難點(diǎn)分析

基于以上分析，筆者將該課程的教學(xué)目標(biāo)梳理如下：①知道環(huán)境建模的要點(diǎn)和步驟；②掌握貪心算法的概念，計(jì)算最短路線(xiàn)；③運(yùn)用枚舉算法比較各條路線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，掌握算法的適用情境；④掌握算法設(shè)計(jì)的一般步驟，編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)交互選擇功能的算法；⑤體會(huì)技術(shù)使路線(xiàn)規(guī)劃更智能，培養(yǎng)對(duì)人工智能的興趣。其中，教學(xué)重難點(diǎn)是環(huán)境建模的概念及運(yùn)用，貪心算法、枚舉算法、選擇算法的概念與編寫(xiě)原則，設(shè)計(jì)“一筆畫(huà)”路線(xiàn)，理解貪心算法得到的結(jié)果不一定是最合理的。

二、項(xiàng)目化設(shè)計(jì)與實(shí)施

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)鼓勵(lì)學(xué)生基于真實(shí)、完整的任務(wù)情境展開(kāi)探究，通過(guò)自主探究與合作學(xué)習(xí)將抽象的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)解決問(wèn)題掌握知識(shí)、原理與方法等。本研究采用項(xiàng)目式教學(xué)模式，創(chuàng)設(shè)了“設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)交互選擇功能的模擬智能導(dǎo)航機(jī)器人”的大任務(wù)，并將這個(gè)大任務(wù)分解成“地圖大變身、規(guī)劃最短觀鳥(niǎo)路線(xiàn)、一筆畫(huà)出觀鳥(niǎo)路線(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)交互選擇功能的算法”四個(gè)子任務(wù)。

任務(wù)一：地圖大變身

環(huán)境建模的目的是建立一個(gè)便于計(jì)算機(jī)規(guī)劃路線(xiàn)的模型圖示，這是智能導(dǎo)航機(jī)器人規(guī)劃路線(xiàn)的重要前提。在本任務(wù)中，教師首先帶領(lǐng)學(xué)生完成“地圖大變身”游戲，讓學(xué)生從復(fù)雜的濕地公園地圖中提取關(guān)鍵信息，以觀鳥(niǎo)景點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，以景點(diǎn)之間的道路信息為路線(xiàn)信息，根據(jù)任務(wù)單中的提示“一個(gè)景點(diǎn)用一個(gè)標(biāo)注字母的圓圈表示，景點(diǎn)之間的一條路用一條線(xiàn)段表示，路的長(zhǎng)度用數(shù)字標(biāo)注在線(xiàn)段旁邊”，將實(shí)際的地圖抽象、簡(jiǎn)化，制作出觀鳥(niǎo)地圖的模型圖示（如圖1）。

這個(gè)建模過(guò)程很好地培養(yǎng)了學(xué)生的抽象能力，落實(shí)了計(jì)算思維實(shí)踐維度目標(biāo)。

任務(wù)二：規(guī)劃最短觀鳥(niǎo)路線(xiàn)

貪心算法能夠幫助學(xué)生找到當(dāng)下最短的觀鳥(niǎo)路線(xiàn)?；谟^鳥(niǎo)地圖的模型圖示，教師引導(dǎo)學(xué)生參與“貪心”偵察員游戲——偵察員從景點(diǎn)A出發(fā)，偵察到與景點(diǎn)A之間距離最短的景點(diǎn)B，找出A和B之間的最短路線(xiàn)，抵達(dá)景點(diǎn)B；再一次偵察，發(fā)現(xiàn)到景點(diǎn)B路線(xiàn)最短的是景點(diǎn)D，找出B和D之間的最短路線(xiàn)，抵達(dá)景點(diǎn)D。依此類(lèi)推，教師逐步引導(dǎo)學(xué)生用貪心算法規(guī)劃觀鳥(niǎo)路線(xiàn)，明晰貪心算法的設(shè)計(jì)原則，以此培養(yǎng)學(xué)生的順序概念，落實(shí)計(jì)算思維概念維度目標(biāo)。

任務(wù)三：一筆畫(huà)出觀鳥(niǎo)路線(xiàn)

運(yùn)用枚舉算法解決問(wèn)題時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)所有可能的情況進(jìn)行檢驗(yàn)、比較。在這個(gè)任務(wù)下，學(xué)生通過(guò)討論分析，枚舉出所有的觀鳥(niǎo)路線(xiàn)。教師引導(dǎo)學(xué)生填寫(xiě)如表1所示的學(xué)習(xí)任務(wù)單，計(jì)算觀鳥(niǎo)路線(xiàn)的總長(zhǎng)，在模型圖示中畫(huà)出整個(gè)路線(xiàn)，并以小組為單位比較各條路線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)。由此，學(xué)生理解了一筆畫(huà)出的路線(xiàn)是最短的觀鳥(niǎo)路程，發(fā)展了調(diào)試、迭代、批判思維，進(jìn)一步落實(shí)了計(jì)算思維實(shí)踐維度目標(biāo)。

學(xué)生學(xué)會(huì)一筆畫(huà)出觀鳥(niǎo)路線(xiàn)后，將其命名為路線(xiàn)1；根據(jù)實(shí)際需要再選擇另一條觀鳥(niǎo)路線(xiàn)，將其命名為路線(xiàn)2。隨后，教師先引導(dǎo)學(xué)生在Mind+軟件上編寫(xiě)路線(xiàn)1和路線(xiàn)2的算法腳本，以此培養(yǎng)學(xué)生的分解思維；接著引導(dǎo)學(xué)生使用“選擇模塊”實(shí)現(xiàn)觀鳥(niǎo)路線(xiàn)的選擇功能，使機(jī)器人能夠分別按照路線(xiàn)1或路線(xiàn)2行走，以此培養(yǎng)學(xué)生的條件與事件概念。這樣教學(xué)，促進(jìn)了學(xué)生實(shí)踐維度和概念維度的計(jì)算思維目標(biāo)的達(dá)成。

任務(wù)四：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)交互選擇功能的算法

在前面的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)選擇功能的機(jī)器人。為培養(yǎng)學(xué)生的遷移能力，教師教學(xué)時(shí)注重引導(dǎo)學(xué)生自主遷移已有的知識(shí)解決新情境下的問(wèn)題，完成個(gè)性化路線(xiàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)意任務(wù)。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生先在任務(wù)單上編寫(xiě)參觀圖2中每個(gè)景點(diǎn)的路線(xiàn)腳本，然后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)交互選擇功能的算法，并在Mind+軟件上編寫(xiě)自己的創(chuàng)意算法，最后與同學(xué)分享自己的創(chuàng)意。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生使用選擇算法實(shí)現(xiàn)不同的計(jì)算機(jī)命令，不僅收獲了算法知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了自己的創(chuàng)意，還增強(qiáng)了對(duì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)算法解決實(shí)際問(wèn)題的價(jià)值體驗(yàn)，有利于落實(shí)計(jì)算思維觀念維度目標(biāo)。

三、教學(xué)評(píng)價(jià)與結(jié)果分析

本研究根據(jù)“智能導(dǎo)航”案例改編Bebras測(cè)試題，從計(jì)算思維概念、計(jì)算思維實(shí)踐、計(jì)算思維觀念三個(gè)維度設(shè)計(jì)了前測(cè)問(wèn)卷和后測(cè)問(wèn)卷。

1.Bebras測(cè)試題分析

Bebras國(guó)際計(jì)算思維測(cè)試題主要用來(lái)測(cè)評(píng)計(jì)算思維概念維度與實(shí)踐維度的水平。本研究根據(jù)“智能導(dǎo)航”課程主題，從已有的測(cè)試題中遴選合適的題目，測(cè)試小學(xué)生分解、抽象、算法、調(diào)試與一般化等計(jì)算思維發(fā)展水平。例題如下：

天天要去游樂(lè)園，當(dāng)他走到一個(gè)交叉路口時(shí)，看到一個(gè)箭頭標(biāo)志，于是朝箭頭所示的方向走去。但是，五個(gè)箭頭標(biāo)志中的三個(gè)都被大風(fēng)刮倒了（如圖3所示）。請(qǐng)你幫助天天選擇去游樂(lè)園的一組箭頭標(biāo)志，下面哪一組是正確的呢？（? ）

A.①②③?? B.①②③??? C.①②③?? D.①②③

→ ← ↑?? ← ↑ →?? ↑ → →?? ↑ ← →

本測(cè)試題是學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境建模知識(shí)后，測(cè)評(píng)學(xué)生計(jì)算思維概念水平的試題，考查學(xué)生能否將生活中的地圖抽象成模型圖示，以及對(duì)箭頭的不同指向代表實(shí)際生活中不同路線(xiàn)行進(jìn)方向的理解水平。其參考答案是A。

2.問(wèn)卷測(cè)試題分析

本研究根據(jù)黃國(guó)禎和Brennan（布魯南）設(shè)計(jì)的計(jì)算思維概念、計(jì)算思維實(shí)踐與計(jì)算思維觀念的成熟量表，結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，編制計(jì)算思維問(wèn)卷前測(cè)試題和后測(cè)試題。測(cè)試題全部采用李克特五級(jí)量表。

在計(jì)算思維概念方面，問(wèn)卷試題示例如下：①我知道觀鳥(niǎo)路線(xiàn)是按照步驟規(guī)劃的（順序概念）；②我知道觀鳥(niǎo)機(jī)器人可以走不同的路線(xiàn)（選擇概念）等。在計(jì)算思維實(shí)踐方面，問(wèn)卷試題示例如下：①我能夠?qū)⒁粋€(gè)大的任務(wù)分解成多個(gè)小任務(wù)（分解思維）；②我能夠?qū)⑸钪械牡貓D轉(zhuǎn)變成由圓圈和線(xiàn)段組成的圖示（抽象思維）；③我能夠改正錯(cuò)誤的算法（調(diào)試思維）等。在計(jì)算思維觀念方面，問(wèn)卷試題示例如下：①我能夠?qū)⒆约旱南敕ū磉_(dá)出來(lái)（表達(dá)觀念）；②我可以和同學(xué)合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)單（合作觀念）等。測(cè)評(píng)結(jié)果表明，學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能課程后，在計(jì)算思維概念、計(jì)算思維實(shí)踐和計(jì)算思維觀念方面都發(fā)生了變化，三個(gè)維度上的后測(cè)均值均高于前測(cè)均值。

本研究通過(guò)制作前后測(cè)雷達(dá)圖進(jìn)一步分析學(xué)生對(duì)計(jì)算思維概念、計(jì)算思維實(shí)踐、計(jì)算思維觀念的各個(gè)要素的掌握程度（如圖4所示，藍(lán)色線(xiàn)條表示前測(cè)，橘色線(xiàn)條表示后測(cè)）。結(jié)果顯示，學(xué)生在計(jì)算思維三個(gè)維度各個(gè)要素上的得分均值均有一定水平的提高。

中小學(xué)人工智能課程的開(kāi)設(shè)與教學(xué)，既是信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)提出的要求，也是教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。本研究遴選的“智能導(dǎo)航”課程主題貼近四年級(jí)學(xué)生的學(xué)情特點(diǎn)，課程內(nèi)容設(shè)計(jì)以引導(dǎo)學(xué)生完成設(shè)計(jì)智能導(dǎo)航機(jī)器人的學(xué)習(xí)任務(wù)為明線(xiàn)，以培養(yǎng)學(xué)生了解和應(yīng)用人工智能導(dǎo)航技術(shù)與原理為暗線(xiàn)，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為教學(xué)模式，基于真實(shí)問(wèn)題情境培養(yǎng)了小學(xué)生的計(jì)算思維。

（作者單位：華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部）