陳偉琦

(福建省廈門市新翔小學(xué) 福建 廈門 361000)

計(jì)算思維(Computational Thinking)作為中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是當(dāng)前信息化社會(huì)中數(shù)字原住民所應(yīng)具備的基本素養(yǎng)。目前，我國(guó)的計(jì)算思維研究仍處于早期，對(duì)計(jì)算思維能力的研究較少，而隨著教育信息化2.0的到來(lái)，更多的人意識(shí)到計(jì)算思維已經(jīng)成為每個(gè)學(xué)生都必須掌握的思維能力。在小學(xué)人工智能課堂中，著重強(qiáng)化培育學(xué)生的計(jì)算思維，才能更好讓學(xué)生掌握人工智能、編程知識(shí)，以適應(yīng)未來(lái)信息時(shí)代的需求。

1.計(jì)算思維的內(nèi)涵

計(jì)算思維是由美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授首次提出的概念，她指出隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，計(jì)算思維應(yīng)當(dāng)和閱讀、寫作及算術(shù)一樣，成為每個(gè)人的一項(xiàng)基本技能。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[1]。

2.小學(xué)人工智能課堂

為全面貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》精神，促進(jìn)中小學(xué)人工智能應(yīng)用和普及水平穩(wěn)步提升，人工智能開(kāi)始走進(jìn)中小學(xué)信息技術(shù)課堂中。筆者所在的廈門市于2020年起開(kāi)設(shè)人工智能教育試點(diǎn)工作，截至目前，該工作已在試點(diǎn)學(xué)校的試點(diǎn)年級(jí)中開(kāi)展了一年的人工智能教學(xué)實(shí)踐研究。

3.人工智能課堂的三維目標(biāo)與計(jì)算思維的三維框架

為了直觀展現(xiàn)小學(xué)人工智能課堂的計(jì)算思維培育目標(biāo)，筆者參考2012年美國(guó)麻省理工學(xué)院終身幼兒園研究小組提出的計(jì)算思維的三維框架，結(jié)合小學(xué)信息技術(shù)三維目標(biāo)，整理了以下基于計(jì)算思維的三維框架的教學(xué)目標(biāo)。(1)計(jì)算概念，即知識(shí)與技能：含電子器件、編程語(yǔ)句、數(shù)據(jù)運(yùn)算等；(2)計(jì)算實(shí)踐，即過(guò)程與方法：含混合編程、抽象思維、實(shí)用原則、調(diào)試運(yùn)行等；(3)計(jì)算觀念，即情感態(tài)度價(jià)值觀：含創(chuàng)意表達(dá)、溝通協(xié)作、理解反思等。

4.在人工智能教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的措施

4.1 化碎為整，在知識(shí)遷移中掌握計(jì)算概念。

4.1.1 自然語(yǔ)言，具象化程序邏輯。自然語(yǔ)言就是我們?nèi)粘Ｉ钪辛?xí)慣運(yùn)用的與人交流的語(yǔ)言[2]。在《AI在智慧生活》中，積木可借助uKit EDU編程軟件(一款移動(dòng)設(shè)備APP)來(lái)使積木變成可執(zhí)行人工智能指令的各類機(jī)器人。uKit EDU是一款針對(duì)青少年所設(shè)計(jì)的機(jī)器人搭建、編程和遙控的教育軟件，它具備圖形化編程、動(dòng)作編程和多功能遙控器等工具，讓學(xué)生可以自由拼搭機(jī)器人模型，并根據(jù)自己的想法編程設(shè)計(jì)。而《AI在變形工坊》是《AI在智慧生活》的拓展與提升，其積木替換為以主板為控制器的uKit Explore套件，同時(shí)軟件也開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)編程軟件uCode進(jìn)行程序撰寫。

最開(kāi)始接觸人工智能時(shí)，學(xué)生可以從《AI在智慧生活》入手，并嘗試使用較簡(jiǎn)單的uKit EDU編程軟件。但是在初期，學(xué)生尚未形成程序語(yǔ)言的意識(shí)，所以在教學(xué)中需要在初學(xué)階段引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“造句”等方法，來(lái)描述編程的過(guò)程，使程序語(yǔ)言具象化。“智能臺(tái)燈”是孩子們制作的第一款人工智能模型，孩子們要讓機(jī)器人自動(dòng)根據(jù)聲音傳感器收到的音量大小，來(lái)調(diào)節(jié)眼燈的開(kāi)與關(guān)。因此，課堂上教師就要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到數(shù)值大小對(duì)比、“如果執(zhí)行”等代碼塊，隨后引導(dǎo)學(xué)生“造句”，用盡可能詳實(shí)、規(guī)范、準(zhǔn)確的自然語(yǔ)言將這一過(guò)程表述出來(lái)，讓學(xué)生更好了解本堂課所學(xué)習(xí)的傳感器和執(zhí)行器的具體功能，同時(shí)為更好完成后續(xù)的編程設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

當(dāng)學(xué)習(xí)者能將簡(jiǎn)單的自然語(yǔ)言具象為程序后，老師就可以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)uCode等其他編程軟件。同時(shí)，教師可以根據(jù)學(xué)生的知識(shí)掌握情況、能力水平等因素，做好“分層教學(xué)”：讓一些掌握較好的學(xué)生利用興趣班或延時(shí)服務(wù)，進(jìn)一步探索“悟空機(jī)器人”“優(yōu)創(chuàng)未來(lái)”“綠茵小將”等其他人工智能學(xué)習(xí)項(xiàng)目。

4.1.2 學(xué)科融合，技巧化編程應(yīng)用。一直以來(lái)，信息技術(shù)是學(xué)生獲取知識(shí)和技能的重要工具，對(duì)學(xué)生的學(xué)科學(xué)習(xí)也有重要作用。在小學(xué)課堂中，人工智能與學(xué)科知識(shí)也勢(shì)必要融通共進(jìn)。在《AI在智慧生活》“我的智慧花園”一課中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生回憶科學(xué)課中所學(xué)習(xí)的知識(shí)——向日葵之所以“向日”是因?yàn)樯L(zhǎng)素，進(jìn)而對(duì)比機(jī)械向日葵要滿足“向日”的要求同樣也需要“生長(zhǎng)素”，而這一“生長(zhǎng)素”就要運(yùn)用亮度傳感器來(lái)模擬。橫向的知識(shí)遷移，讓學(xué)生更好理解亮度傳感器的作用。此外，在編程教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了一個(gè)傳感器數(shù)值與定值的對(duì)比，但還未學(xué)習(xí)兩個(gè)傳感器數(shù)值之間的比較，所以上課時(shí)以“智能臺(tái)燈”或“智能風(fēng)扇”為點(diǎn)例，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)可以將其中的定值替換為另一個(gè)傳感器的數(shù)值，以滿足程序要求?？v向的知識(shí)遷移，可以使學(xué)生前后知識(shí)的銜接更自然。

在人工智能課堂中傳授計(jì)算概念，運(yùn)用到不同的知識(shí)遷移技巧，化碎為整，能夠在培養(yǎng)學(xué)生信息技術(shù)素養(yǎng)的同時(shí)，推動(dòng)學(xué)生的學(xué)科學(xué)習(xí)，促進(jìn)其實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展。

4.1.2 化難為易，在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中落實(shí)計(jì)算實(shí)踐。

(1)實(shí)例模仿，創(chuàng)新設(shè)計(jì)拓展程序。在人工智能的模型建構(gòu)時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生在模仿的基礎(chǔ)上創(chuàng)新，逐步展現(xiàn)出自己獨(dú)特的風(fēng)格。例如，在《AI在智慧生活》“智能風(fēng)扇”一課中，學(xué)生突發(fā)奇想，將直流電機(jī)上的風(fēng)扇重新設(shè)計(jì)，變?yōu)榱恕爸悄苣μ燧啞薄＝處熥プ∵@一閃光點(diǎn)，并邀請(qǐng)學(xué)生利用延時(shí)服務(wù)的時(shí)間進(jìn)行加工，最終將課堂上“當(dāng)檢測(cè)到人靠近時(shí)，便啟動(dòng)的風(fēng)扇”，逐步設(shè)計(jì)為“當(dāng)按下觸碰傳感器后，便啟動(dòng)的摩天輪”。在激發(fā)出學(xué)生的興趣后，孩子們不僅能從外觀上進(jìn)行改造，還可以大膽嘗試新的傳感器，并在幾次調(diào)試后成功完成模型。

以此為契機(jī)，在期中時(shí)，該班同學(xué)就以“智能游樂(lè)園”為主題，開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。學(xué)生用上課的平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)作為“金幣”，“購(gòu)買”額外的電子器件或拼接件，然后根據(jù)自己的想法，設(shè)計(jì)不同的游樂(lè)設(shè)施：海盜船、鬼屋、旋轉(zhuǎn)木馬等等。最后，依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從美觀、編程、技術(shù)等方面，組織學(xué)生開(kāi)展自評(píng)與互評(píng)，并用平板攝影留念。

(2)范例啟迪，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑精神。正如上方的例子，在人工智能課堂上，教師常會(huì)讓學(xué)生通過(guò)更改積木造型、編程執(zhí)行器的數(shù)值等元素來(lái)滿足個(gè)性化的設(shè)計(jì)要求，但是其實(shí)這只是個(gè)性化設(shè)計(jì)中最基本的內(nèi)容。教師應(yīng)當(dāng)在計(jì)算實(shí)踐時(shí)，重視培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神和批判精神，告訴學(xué)生平板、課本、課件上的都不一定是最優(yōu)答案，要引導(dǎo)學(xué)生在面對(duì)問(wèn)題時(shí)不斷理解、不斷思考，從而獲得新的解決方案，形成創(chuàng)造性的解決思路，最終挑選出最優(yōu)的方案。

例如，同樣在“智能風(fēng)扇”一課中，另一個(gè)班級(jí)的同學(xué)提出了疑問(wèn)：當(dāng)人走進(jìn)的時(shí)候風(fēng)扇會(huì)打開(kāi)，但是如果走得太近，風(fēng)扇就會(huì)打傷人，是不是要把這一程序進(jìn)行調(diào)整？一石激起千層浪，學(xué)生們紛紛提出想法：當(dāng)距離小于5時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即停止直流電機(jī)。隨后根據(jù)學(xué)生的表述，將情況分為三類：距離大于20時(shí)風(fēng)扇停止，距離處于5至20之間時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，距離小于5時(shí)風(fēng)扇再次停止。討論結(jié)束后，學(xué)生也用并聯(lián)的方式開(kāi)始“如果執(zhí)行”的程序撰寫。但此時(shí)，教師在操作過(guò)程中，就可以有意提醒學(xué)生尋找更簡(jiǎn)便的修改方案，部分有圖形化編程基礎(chǔ)的同學(xué)就會(huì)聯(lián)想到用串聯(lián)的方式編程，直接在原有程序上再進(jìn)行一次判斷，如果距離小于20時(shí)，“又發(fā)現(xiàn)小于5，直接停止”就可以完成程序。課程的最后，教師就可以引導(dǎo)這些學(xué)生在課堂上分享自己的與老師課件中不同的程序語(yǔ)言。

(3)軟硬結(jié)合，探索深度學(xué)習(xí)策略。“深度學(xué)習(xí)”作為近幾年創(chuàng)新型教育理念，越來(lái)越常被應(yīng)用于實(shí)際的教學(xué)活動(dòng)當(dāng)中，而這一概念正是來(lái)源于人工智能領(lǐng)域。從小學(xué)的教育教學(xué)角度而言，“深度學(xué)習(xí)”與教育改革的內(nèi)涵相契合，主要是對(duì)教學(xué)方法實(shí)施革新與轉(zhuǎn)變，促使學(xué)生能夠主動(dòng)學(xué)習(xí)，形成批判性思維，從而形成信息化核心素養(yǎng)[3]。因此，在小學(xué)人工智能的教學(xué)中，要將“深度學(xué)習(xí)”作為有效課堂的重要實(shí)施策略。

以《AI在變形工坊》“手勢(shì)互動(dòng)”一課為例，相對(duì)前面介紹的課例，本課難度有所增加：學(xué)生需要運(yùn)用兩個(gè)紅外測(cè)距傳感器，通過(guò)偵測(cè)手勢(shì)向左或向右的移動(dòng)方向，讓由舵機(jī)組成的機(jī)械手臂做出正確的反應(yīng)。由于步驟精細(xì)、邏輯繁雜，本課要化難為易，就要借鑒“深度學(xué)習(xí)”策略，從激發(fā)興趣、優(yōu)化活動(dòng)、夯實(shí)知識(shí)、互動(dòng)展示多角度入手，引導(dǎo)學(xué)生深度互動(dòng)，以此完成該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)。

首先，要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。在授課前，筆者借用了一臺(tái)心理咨詢室的電子宣泄儀(類似體感游戲機(jī))，并讓學(xué)生上臺(tái)體驗(yàn)。在體驗(yàn)過(guò)“水果忍者”等游戲后，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察儀器，不難發(fā)現(xiàn)有類似紅外傳感器的設(shè)備，由此引發(fā)思考，讓學(xué)生們主動(dòng)探究并完成積木拼搭。其次，優(yōu)化教學(xué)活動(dòng)，側(cè)重學(xué)生的主體性。在編寫程序時(shí)，發(fā)揮合作探究的優(yōu)勢(shì)：一位學(xué)生負(fù)責(zé)硬件，模擬揮動(dòng)的過(guò)程并觀察不同階段紅外傳感器偵測(cè)距離的變化；另外一位學(xué)生負(fù)責(zé)軟件，根據(jù)測(cè)距的變化一步步撰寫邏輯語(yǔ)句，并在兩人的反復(fù)試驗(yàn)中，完成程序的編寫。課程最后，除了常規(guī)的學(xué)生作品展示外，還多融入生活元素，深入講解原理，夯實(shí)本課知識(shí)與技能。教師要讓學(xué)生知曉，本課的“手勢(shì)互動(dòng)”還能運(yùn)用在生活中，例如：未來(lái)的“全系投影新聞閱讀墻”或“模擬穿搭試衣鏡”等。教師通過(guò)交流互動(dòng)，啟發(fā)學(xué)生思維、促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。

在人工智能課堂中落實(shí)計(jì)算實(shí)踐，可以化難為易，先引導(dǎo)學(xué)生模仿實(shí)例，再鼓勵(lì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)而從問(wèn)題中啟迪新思路。同時(shí)，教師可以結(jié)合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，借鑒深度學(xué)習(xí)策略，幫助學(xué)生圍繞任務(wù)、問(wèn)題或主題，依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以小組的方式進(jìn)行自主、合作、探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)[4]，不僅能極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，又能培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科知識(shí)整合、組織協(xié)調(diào)、溝通表達(dá)等能力，降低計(jì)算實(shí)踐難度。

4.1.3 化虛為實(shí)，在情境創(chuàng)設(shè)中樹立計(jì)算觀念。在人工智能教學(xué)中巧設(shè)情境，聚焦“五育”并舉，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還可以落實(shí)不同學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐，構(gòu)建全面培養(yǎng)體系，促進(jìn)學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展[5]。

(1)順承情境，延伸德育。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者調(diào)整教學(xué)順序，將“智能垃圾桶”和“智能掃地車”作為前后課進(jìn)行教學(xué)?！爸悄芾啊钡脑硎抢贸暡▊鞲衅鳈z測(cè)到有人靠近時(shí)，通過(guò)舵機(jī)(角模式)開(kāi)啟垃圾桶；而“智能掃地車”的原理是借助舵機(jī)(輪模式)進(jìn)行移動(dòng)或清掃，同時(shí)通過(guò)超聲波傳感器檢測(cè)到前方有障礙物自動(dòng)拐彎?？紤]到“智能掃地車”的車輪編程較為困難，因此將兩課安排在期中后授課。將這兩課結(jié)合，主要是為了創(chuàng)設(shè)“垃圾分類”的主題情境。近一階段，廈門十分重視垃圾分類的宣傳教育，為配合文明城市建設(shè)，將垃圾分類滲透進(jìn)人工智能課堂，可以在課堂中以學(xué)生為主體，促進(jìn)德育成長(zhǎng)。學(xué)生在設(shè)計(jì)完“智能垃圾桶”后會(huì)思考如何制作“智能掃地車”，讓我們的生活更便利，進(jìn)而會(huì)考慮到如何讓機(jī)器人自己進(jìn)行垃圾分類，省去分類錯(cuò)誤對(duì)清潔工造成的麻煩。經(jīng)過(guò)兩節(jié)課的學(xué)習(xí)，激發(fā)了同學(xué)們的探索欲。部分學(xué)生利用“優(yōu)創(chuàng)未來(lái)”的主控(可以進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別)，制作了一款“智能分類垃圾桶”。當(dāng)投放者對(duì)著垃圾桶說(shuō)出垃圾的名稱后，垃圾桶會(huì)自動(dòng)控制內(nèi)部的舵機(jī)，調(diào)整好管道，再將垃圾桶蓋打開(kāi)。投放者丟入垃圾后，垃圾將自動(dòng)被分類到正確的存放口。

(2)競(jìng)技對(duì)抗，激發(fā)熱情。2011年國(guó)家體育總局將素質(zhì)體育機(jī)器人運(yùn)動(dòng)納入體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，作為科技與體育跨界融合的新型智能競(jìng)技項(xiàng)目，素質(zhì)體育機(jī)器人運(yùn)動(dòng)具有探索性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。在“遙控小車”一課上，筆者參考“綠茵小將”賽事，引導(dǎo)學(xué)生以4人小組為單位，共設(shè)計(jì)2輛“綠茵小將”，并在賽場(chǎng)上與其他小組進(jìn)行資源掠奪、足球射擊、進(jìn)攻敵營(yíng)等陸上賽事。

在著手設(shè)計(jì)前，教師介紹經(jīng)典設(shè)計(jì)、分析基礎(chǔ)戰(zhàn)術(shù)，充分激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和思考力。隨后，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)單上的拼搭技巧和遙控說(shuō)明，積極參與、全身心投入到設(shè)計(jì)機(jī)器小車的過(guò)程當(dāng)中。在檢查與競(jìng)技環(huán)節(jié)中，學(xué)生各司其職、群策群力，反復(fù)推敲、試驗(yàn)，最終參加小組對(duì)抗賽，并在賽后及時(shí)反思。本課活動(dòng)覆蓋了STEAM教育體系的各方各面，以人工智能為支撐，體育競(jìng)賽為載體，跨界整合多學(xué)科知識(shí)，讓智慧和體能相結(jié)合，讓運(yùn)動(dòng)員們(學(xué)生)在機(jī)器人競(jìng)技的操控玩樂(lè)中手腦并用，鍛煉創(chuàng)造力、思維力、協(xié)作力、表現(xiàn)力、審美能力等多方面綜合能力，以實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)計(jì)算思維的提升。

在人工智能課堂中樹立計(jì)算觀念，可以化虛為實(shí)，將虛擬的情景轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，同時(shí)聚焦“五育”并舉，將各學(xué)科知識(shí)融入到課堂中，讓學(xué)生成為生活和學(xué)習(xí)的主人。

5.結(jié)語(yǔ)

人工智能的有效教學(xué)，作為培育學(xué)生小學(xué)信息技術(shù)計(jì)算思維的一種途徑，越來(lái)越受到教育者的廣泛關(guān)注。良好的人工智能課堂，可以結(jié)合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法，將各學(xué)科知識(shí)融通共進(jìn)，推動(dòng)“五育”并舉有效落地，同時(shí)鍛煉學(xué)生計(jì)算思維，讓課堂充滿活力。