摘要：本文以新冠疫情為背景，設(shè)計(jì)了智能測(cè)溫貓課程，將計(jì)算思維根植其中，引導(dǎo)學(xué)生在制作非接觸式的智能測(cè)溫作品過(guò)程中，圍繞實(shí)際問(wèn)題，運(yùn)用計(jì)算思維創(chuàng)造性地分析問(wèn)題、拆解問(wèn)題、解決問(wèn)題，讓學(xué)生去體驗(yàn)、感受計(jì)算思維，并逐步形成計(jì)算思維。

關(guān)鍵詞：人工智能；計(jì)算思維；智能測(cè)溫貓；教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）21-0000-03

國(guó)務(wù)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(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程?！苯逃坑“l(fā)的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》提出：“要完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，使中小學(xué)人工智能課程開(kāi)展與實(shí)施適應(yīng)信息時(shí)代、智能時(shí)代發(fā)展需求?！毙鹿谝咔榈谋┌l(fā)進(jìn)一步催化了人工智能在多場(chǎng)景中運(yùn)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(shí)人說(shuō)話(huà)的智能測(cè)溫貓為例，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了人工智能相關(guān)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生形成良好的信息素養(yǎng)。

小學(xué)人工智能教育的關(guān)鍵點(diǎn)

1.人工智能教育的培養(yǎng)核心是計(jì)算思維

開(kāi)展人工智能教育的目的不僅僅是對(duì)學(xué)生進(jìn)行人工智能知識(shí)的科普，也不是去培養(yǎng)編程人才，而通過(guò)提高學(xué)生的問(wèn)題求解能力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。只有具備了計(jì)算思維，學(xué)生才能更好地理解人工智能的基本思想和理念。

2.基于認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，層層推進(jìn)小學(xué)人工智能課程

皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論指出：“小學(xué)階段的學(xué)生可以將感知?jiǎng)幼鲀?nèi)化，并能在具體內(nèi)容的支持下進(jìn)行簡(jiǎn)單的抽象邏輯思維?！苯處熆梢酝ㄟ^(guò)一系列人工智能小故事或視頻，讓小學(xué)生直觀了解什么是人工智能，也可以通過(guò)生活中應(yīng)用到的智能小工具讓學(xué)生感受人工智能給生活帶來(lái)的便利等。學(xué)生通過(guò)初步體驗(yàn)人工智能的用途，明白人工智能的實(shí)際應(yīng)用，建立對(duì)人工智能的認(rèn)識(shí)和感悟。此外，在小學(xué)階段可以引入圖形化編程工具，對(duì)學(xué)生進(jìn)行編程及計(jì)算思維的啟蒙與滲透，讓學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)單的圖形化編程，完成人工智能相關(guān)作品。

智能測(cè)溫貓教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

1.教學(xué)設(shè)計(jì)

在新冠疫情背景下，筆者設(shè)計(jì)了可用于疫情防控的智能化作品——測(cè)溫貓。采用紅外測(cè)溫技術(shù)及人工智能技術(shù)對(duì)特定人員進(jìn)行非接觸式體溫檢測(cè)，通過(guò)數(shù)碼管顯示溫度，并運(yùn)用WIFI連接物創(chuàng)云平臺(tái)，在云端實(shí)時(shí)監(jiān)管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。若體溫判斷正常，則語(yǔ)音播報(bào)并自動(dòng)打開(kāi)舵機(jī)閥門(mén)；若體溫判斷過(guò)高，則語(yǔ)音播報(bào)且亮紅燈警示，并自動(dòng)關(guān)閉舵機(jī)閥門(mén)。

（1）學(xué)習(xí)對(duì)象和教學(xué)內(nèi)容

本次課程的開(kāi)展對(duì)象為本校六年級(jí)的學(xué)生，主要側(cè)重對(duì)編程的基本知識(shí)與基本技能的掌握。學(xué)生在三年級(jí)時(shí)接觸了圖形化編程，對(duì)圖形化編程的界面較為熟悉，五年級(jí)學(xué)習(xí)了Python編程課程，編程能力得到了明顯的提升，同時(shí)，五年級(jí)已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)人工智能基礎(chǔ)概念的講解。

識(shí)人說(shuō)話(huà)的智能測(cè)溫貓的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，主要包括紅外測(cè)溫模塊和人臉識(shí)別模塊，智能貓的智慧防疫主控板使用杜邦線與各類(lèi)傳感器連接，包含紅外測(cè)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(jī)）等硬件。將各種傳感器通過(guò)杜邦線與主控板連接進(jìn)行硬件搭設(shè)。使用Arduino進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，采用了圖形化以及積木搭建的編程方式，可以實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)行和下載運(yùn)行。

（2）教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)視頻感受人工智能在新冠疫情防控場(chǎng)景中的使用情況，建立對(duì)人工智能的直觀認(rèn)識(shí)，感受人工智能發(fā)揮的重要作用。②通過(guò)對(duì)開(kāi)源機(jī)器人智能貓軟硬件的認(rèn)識(shí)，初步理解人工智能的基礎(chǔ)知識(shí)與基本思想，能簡(jiǎn)單解釋人工智能產(chǎn)品背后的原理。③通過(guò)編程的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)計(jì)算思維和實(shí)踐能力，能夠在實(shí)踐中完成簡(jiǎn)單的人工智能作品。

（3）教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：紅外測(cè)溫模塊的編程設(shè)置。

難點(diǎn)：人臉識(shí)別模塊的編程設(shè)置。

（3）教學(xué)方法和策略

本課程采取“項(xiàng)目導(dǎo)入、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)方法。以新冠疫情防控的現(xiàn)實(shí)需求導(dǎo)入項(xiàng)目，將任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，貫穿于教與學(xué)的始終，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在理解項(xiàng)目初衷的前提下自主設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，逐步深入項(xiàng)目，從而獲得創(chuàng)新能力的提升。

2.教學(xué)實(shí)踐

（1）情境導(dǎo)入

教師活動(dòng)：播放短視頻《AI體溫監(jiān)測(cè)新冠疫情防控系統(tǒng)如何在車(chē)站等人員密集場(chǎng)所進(jìn)行新冠疫情管控》。通過(guò)生活中人工智能的真實(shí)應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)生的思考，并展示本節(jié)課的作品案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

學(xué)生活動(dòng)：集中注意力，認(rèn)真觀看視頻，思考視頻中的AI體溫監(jiān)測(cè)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(wèn)題。

（2）任務(wù)一：智能貓硬件組成與外觀設(shè)計(jì)

教師活動(dòng)：開(kāi)展識(shí)人說(shuō)話(huà)的智能測(cè)溫貓的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。引導(dǎo)學(xué)生思考智能貓需要哪些智能模塊，分組開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，完成基本硬件的連接；引導(dǎo)學(xué)生采用環(huán)保塑料設(shè)計(jì)拼搭智能貓的外形，使硬件布局合理。

學(xué)生活動(dòng)：劃分小組，思考智能貓測(cè)溫系統(tǒng)需要哪些組成部分，并動(dòng)手完成智能貓硬件系統(tǒng)的連接和組裝，通過(guò)小組探究和詢(xún)問(wèn)教師這兩種方式解決硬件搭建過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

（3）任務(wù)二：紅外測(cè)溫模塊和人臉識(shí)別模塊的編程設(shè)置

教師活動(dòng)：

師：智能貓已經(jīng)搭建完畢，但它還不能智能思考。同學(xué)們需要給智能貓一個(gè)“智能的大腦”，通過(guò)xDing編程平臺(tái)對(duì)紅外測(cè)溫模塊和人臉識(shí)別模塊進(jìn)行編程設(shè)置，程序編寫(xiě)用圖形化編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，紅外測(cè)溫模塊包括紅外測(cè)溫設(shè)置和數(shù)碼管顯示溫度設(shè)置，人臉識(shí)別模塊包括人臉識(shí)別錄入設(shè)置和特定人臉紅外測(cè)溫。

學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真聆聽(tīng)知識(shí)要點(diǎn)，分析任務(wù)要求，并進(jìn)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(wù)完成

教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生思考，分解任務(wù)，輔助學(xué)生拆解操作過(guò)程中遇到的問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新嘗試。

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

（5）成功作品分享

教師活動(dòng)：為學(xué)生提供交流展示的平臺(tái)；對(duì)學(xué)生展示的內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出亮點(diǎn)，分析不足等。

學(xué)生活動(dòng)：各組分別進(jìn)行匯報(bào)展示，分享智能貓制作的過(guò)程、心得體會(huì)，及完成作品之后的收獲。

（6）課外拓展

教師活動(dòng)：

師：智能貓已經(jīng)可以自動(dòng)識(shí)別人臉和測(cè)溫，可是智能貓如何把監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)圖像反饋給我們呢？通過(guò)WIFI連接物創(chuàng)云平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與上傳、圖形化顯示與分享。通過(guò)云端實(shí)時(shí)監(jiān)管檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)數(shù)據(jù)異常進(jìn)行反控。（微視頻指導(dǎo)學(xué)生課外學(xué)習(xí)）

學(xué)生活動(dòng)：課后有興趣可以進(jìn)行編程嘗試，實(shí)現(xiàn)這一功能。

3.教學(xué)評(píng)價(jià)與分享

本課程采用項(xiàng)目小組內(nèi)部評(píng)價(jià)與教師評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式。在作品展示環(huán)節(jié)，可以先進(jìn)行組內(nèi)自評(píng)、組間他評(píng)，然后再進(jìn)行教師評(píng)價(jià)。此外，教師可以對(duì)小組項(xiàng)目的匯報(bào)進(jìn)行過(guò)程性評(píng)價(jià)；學(xué)生則可以從該小組作品設(shè)計(jì)的美觀性、適用性、可操作性等方面進(jìn)行結(jié)果性評(píng)價(jià)。

在項(xiàng)目的評(píng)比、交流過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)作品進(jìn)行優(yōu)化，不斷改進(jìn)完善智能貓，培養(yǎng)學(xué)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(shí)也提升學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

4.教學(xué)反思

在教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師應(yīng)珍惜學(xué)生“試錯(cuò)”的機(jī)會(huì)，因?yàn)椤霸囧e(cuò)”本身就是一種學(xué)習(xí)，而不是一味地追求教學(xué)預(yù)設(shè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。當(dāng)出現(xiàn)預(yù)設(shè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致時(shí)，應(yīng)當(dāng)積極地引導(dǎo)學(xué)生找出問(wèn)題所在，然后調(diào)整方案直至問(wèn)題解決。在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)以拓展學(xué)生計(jì)算思維為核心，讓學(xué)生在課堂上思考、實(shí)踐，協(xié)作開(kāi)展學(xué)習(xí)交流，體會(huì)到人工智能技術(shù)發(fā)揮的重要作用。

結(jié)束語(yǔ)

在小學(xué)階段開(kāi)展人工智能教育，需要充分考慮學(xué)生的認(rèn)知能力、知識(shí)水平等因素，分層次地設(shè)計(jì)人工智能課程內(nèi)容。在人工智能教學(xué)中，教師應(yīng)重視對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)，將計(jì)算思維融入到理論和實(shí)踐教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，鍛煉學(xué)生抽象、分解、轉(zhuǎn)換以及仿真能力，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)造力和處理現(xiàn)實(shí)問(wèn)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)中央人民政府.國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知[EB/OL].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[3]陳凱泉，何瑤，仲?lài)?guó)強(qiáng).人工智能視域下的信息素養(yǎng)內(nèi)涵轉(zhuǎn)型及AI教育目標(biāo)定位：兼論基礎(chǔ)教育階段AI課程與教學(xué)實(shí)施路徑[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2018，36（01）：61-71.

[4]李德順.智能時(shí)代中小學(xué)生計(jì)算思維課程方向研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2021（02）：113-117.

[5]丁華.人工智能教學(xué)中，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)[J].華夏教師，2020（13）：42-43.

[6]許遵照.小學(xué)階段開(kāi)設(shè)人工智能教育的教學(xué)設(shè)計(jì)研究[J].亞太教育，2021（24）：10-12.

[7]謝忠新，曹楊璐，李盈.中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容設(shè)計(jì)探究[J].中國(guó)電化教育2019（04）：17-22.

本論文為江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度課題“基于計(jì)算思維測(cè)評(píng)的小學(xué)生階梯式編程教育研究”（批準(zhǔn)號(hào)為：D/2021/02/543）的成果之一。