指向計算思維培養(yǎng)的人工智能課程教學實踐研究

摘要：本文以新冠疫情為背景，設計了智能測溫貓課程，將計算思維根植其中，引導學生在制作非接觸式的智能測溫作品過程中，圍繞實際問題，運用計算思維創(chuàng)造性地分析問題、拆解問題、解決問題，讓學生去體驗、感受計算思維，并逐步形成計算思維。

關鍵詞：人工智能；計算思維；智能測溫貓；教學設計與實踐

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）21-0000-03

國務院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出：“在中小學階段設置人工智能相關課程?！苯逃坑“l(fā)的《教育信息化2.0行動計劃》提出：“要完善課程方案和課程標準，使中小學人工智能課程開展與實施適應信息時代、智能時代發(fā)展需求。”新冠疫情的暴發(fā)進一步催化了人工智能在多場景中運用所發(fā)揮的重要作用，在此背景下，筆者聚焦人工智能與課程革新，以識人說話的智能測溫貓為例，設計開發(fā)了人工智能相關課程，旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，引導學生形成良好的信息素養(yǎng)。

小學人工智能教育的關鍵點

1.人工智能教育的培養(yǎng)核心是計算思維

開展人工智能教育的目的不僅僅是對學生進行人工智能知識的科普，也不是去培養(yǎng)編程人才，而通過提高學生的問題求解能力，培養(yǎng)學生的計算思維。只有具備了計算思維，學生才能更好地理解人工智能的基本思想和理念。

2.基于認知發(fā)展規(guī)律，層層推進小學人工智能課程

皮亞杰的認知發(fā)展理論指出：“小學階段的學生可以將感知動作內(nèi)化，并能在具體內(nèi)容的支持下進行簡單的抽象邏輯思維?！苯處熆梢酝ㄟ^一系列人工智能小故事或視頻，讓小學生直觀了解什么是人工智能，也可以通過生活中應用到的智能小工具讓學生感受人工智能給生活帶來的便利等。學生通過初步體驗人工智能的用途，明白人工智能的實際應用，建立對人工智能的認識和感悟。此外，在小學階段可以引入圖形化編程工具，對學生進行編程及計算思維的啟蒙與滲透，讓學生通過簡單的圖形化編程，完成人工智能相關作品。

智能測溫貓教學設計與實踐

1.教學設計

在新冠疫情背景下，筆者設計了可用于疫情防控的智能化作品——測溫貓。采用紅外測溫技術及人工智能技術對特定人員進行非接觸式體溫檢測，通過數(shù)碼管顯示溫度，并運用WIFI連接物創(chuàng)云平臺，在云端實時監(jiān)管監(jiān)測數(shù)據(jù)。若體溫判斷正常，則語音播報并自動打開舵機閥門；若體溫判斷過高，則語音播報且亮紅燈警示，并自動關閉舵機閥門。

（1）學習對象和教學內(nèi)容

本次課程的開展對象為本校六年級的學生，主要側重對編程的基本知識與基本技能的掌握。學生在三年級時接觸了圖形化編程，對圖形化編程的界面較為熟悉，五年級學習了Python編程課程，編程能力得到了明顯的提升，同時，五年級已經(jīng)開展了對人工智能基礎概念的講解。

識人說話的智能測溫貓的設計與開發(fā)，主要包括紅外測溫模塊和人臉識別模塊，智能貓的智慧防疫主控板使用杜邦線與各類傳感器連接，包含紅外測溫傳感器、聲音傳感器、數(shù)碼管模塊、人體紅外傳感器，及執(zhí)行模塊（紅燈、舵機）等硬件。將各種傳感器通過杜邦線與主控板連接進行硬件搭設。使用Arduino進行硬件設計，采用了圖形化以及積木搭建的編程方式，可以實現(xiàn)在線運行和下載運行。

（2）教學目標

①通過視頻感受人工智能在新冠疫情防控場景中的使用情況，建立對人工智能的直觀認識，感受人工智能發(fā)揮的重要作用。②通過對開源機器人智能貓軟硬件的認識，初步理解人工智能的基礎知識與基本思想，能簡單解釋人工智能產(chǎn)品背后的原理。③通過編程的系統(tǒng)化學習，培養(yǎng)計算思維和實踐能力，能夠在實踐中完成簡單的人工智能作品。

（3）教學重難點

重點：紅外測溫模塊的編程設置。

難點：人臉識別模塊的編程設置。

（3）教學方法和策略

本課程采取“項目導入、任務驅(qū)動”的教學方法。以新冠疫情防控的現(xiàn)實需求導入項目，將任務驅(qū)動教學法，貫穿于教與學的始終，激發(fā)學生的學習興趣，使學生在理解項目初衷的前提下自主設計與創(chuàng)新，逐步深入項目，從而獲得創(chuàng)新能力的提升。

2.教學實踐

（1）情境導入

教師活動：播放短視頻《AI體溫監(jiān)測新冠疫情防控系統(tǒng)如何在車站等人員密集場所進行新冠疫情管控》。通過生活中人工智能的真實應用，啟發(fā)學生的思考，并展示本節(jié)課的作品案例，激發(fā)學生的學習興趣。

學生活動：集中注意力，認真觀看視頻，思考視頻中的AI體溫監(jiān)測新冠疫情防控系統(tǒng)是如何發(fā)揮作用的，并積極回答教師提出的問題。

（2）任務一：智能貓硬件組成與外觀設計

教師活動：開展識人說話的智能測溫貓的設計與開發(fā)。引導學生思考智能貓需要哪些智能模塊，分組開展項目式學習，完成基本硬件的連接；引導學生采用環(huán)保塑料設計拼搭智能貓的外形，使硬件布局合理。

學生活動：劃分小組，思考智能貓測溫系統(tǒng)需要哪些組成部分，并動手完成智能貓硬件系統(tǒng)的連接和組裝，通過小組探究和詢問教師這兩種方式解決硬件搭建過程中遇到的問題。

（3）任務二：紅外測溫模塊和人臉識別模塊的編程設置

教師活動：

師：智能貓已經(jīng)搭建完畢，但它還不能智能思考。同學們需要給智能貓一個“智能的大腦”，通過xDing編程平臺對紅外測溫模塊和人臉識別模塊進行編程設置，程序編寫用圖形化編程語言實現(xiàn)，紅外測溫模塊包括紅外測溫設置和數(shù)碼管顯示溫度設置，人臉識別模塊包括人臉識別錄入設置和特定人臉紅外測溫。

學生活動：認真聆聽知識要點，分析任務要求，并進行組內(nèi)交流，共同梳理各模塊的編程思路，優(yōu)化方法。

（4）協(xié)同任務完成

教師活動：引導學生思考，分解任務，輔助學生拆解操作過程中遇到的問題，鼓勵學生大膽創(chuàng)新嘗試。

學生活動：小組合作完成作品“智能貓”的搭建與編程設計，遇到難點積極與組內(nèi)學生探討，嘗試多種解決方案。

（5）成功作品分享

教師活動：為學生提供交流展示的平臺；對學生展示的內(nèi)容進行評價，提出亮點，分析不足等。

學生活動：各組分別進行匯報展示，分享智能貓制作的過程、心得體會，及完成作品之后的收獲。

（6）課外拓展

教師活動：

師：智能貓已經(jīng)可以自動識別人臉和測溫，可是智能貓如何把監(jiān)測的數(shù)據(jù)圖像反饋給我們呢？通過WIFI連接物創(chuàng)云平臺可以實現(xiàn)云數(shù)據(jù)的存儲與上傳、圖形化顯示與分享。通過云端實時監(jiān)管檢測數(shù)據(jù)，可以對數(shù)據(jù)異常進行反控。（微視頻指導學生課外學習）

學生活動：課后有興趣可以進行編程嘗試，實現(xiàn)這一功能。

3.教學評價與分享

本課程采用項目小組內(nèi)部評價與教師評價相結合的方式。在作品展示環(huán)節(jié)，可以先進行組內(nèi)自評、組間他評，然后再進行教師評價。此外，教師可以對小組項目的匯報進行過程性評價；學生則可以從該小組作品設計的美觀性、適用性、可操作性等方面進行結果性評價。

在項目的評比、交流過程中，教師引導學生對作品進行優(yōu)化，不斷改進完善智能貓，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力、抽象思維能力以及自主創(chuàng)新能力，同時也提升學生的社會責任感。

4.教學反思

在教學設計中，教師應珍惜學生“試錯”的機會，因為“試錯”本身就是一種學習，而不是一味地追求教學預設與實驗結果完全一致。當出現(xiàn)預設與實驗結果不一致時，應當積極地引導學生找出問題所在，然后調(diào)整方案直至問題解決。在教學過程中，應以拓展學生計算思維為核心，讓學生在課堂上思考、實踐，協(xié)作開展學習交流，體會到人工智能技術發(fā)揮的重要作用。

結束語

在小學階段開展人工智能教育，需要充分考慮學生的認知能力、知識水平等因素，分層次地設計人工智能課程內(nèi)容。在人工智能教學中，教師應重視對計算思維的培養(yǎng)，將計算思維融入到理論和實踐教學的各個環(huán)節(jié)，鍛煉學生抽象、分解、轉(zhuǎn)換以及仿真能力，進而提高學生的創(chuàng)造力和處理現(xiàn)實問題的能力，從而為人工智能的發(fā)展培養(yǎng)新一代“智能”人才。

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本論文為江蘇省教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度課題“基于計算思維測評的小學生階梯式編程教育研究”（批準號為：D/2021/02/543）的成果之一。