基于人工智能教育的編程教學(xué)設(shè)計與實施

張曉東

隨著開源硬件以及圖形化編程教育在中小學(xué)的普及，人工智能逐漸進入了中小學(xué)課堂。自動控制作為人工智能的一個重要發(fā)展方向，與人們的生活息息相關(guān)，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。筆者通過對蘇教版信息技術(shù)教材五年級Scratch《賽車游戲》一課教學(xué)設(shè)計進行分析，并對此次教學(xué)過程進行梳理與反思，總結(jié)經(jīng)驗策略，提出人工智能教育的有效路徑，希望能為各層次學(xué)校開展人工智能教育提供借鑒。

人工智能教育解析

人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用是當(dāng)前教育領(lǐng)域的研究熱點，它影響教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃、教學(xué)手段的改革和教學(xué)支持機制的建設(shè)，在中小學(xué)階段開設(shè)人工智能課程可以培養(yǎng)青少年對科學(xué)技術(shù)的興趣和愛好，增強青少年的創(chuàng)新精神和實踐能力，加強他們的科學(xué)素養(yǎng)，引導(dǎo)他們樹立科學(xué)思想、科學(xué)態(tài)度，逐步形成科學(xué)的世界觀和方法論。筆者認為，在小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科開展人工智能教育的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、創(chuàng)造性思維、邏輯思考能力、想象力和解決問題能力等。

人工智能教育開展路徑

1.緊扣編程教學(xué)，開展人工智能教育

為了積極貫徹國務(wù)院提出的新的教育方針，部分中小學(xué)校開展了針對中小學(xué)生的編程教育，在小學(xué)階段，要求學(xué)生初步接觸機器人和程序設(shè)計以形成感性經(jīng)驗。Scratch以其難度低、趣味強的特點被引入到我國的編程教育中。Scratch是一門圖形化的編程語言，適合學(xué)生學(xué)習(xí)，當(dāng)有一定基礎(chǔ)后，可以學(xué)習(xí)更加高級的語言如Python，其操作相對簡單和簡潔，適用于人工智能的深入學(xué)習(xí)。

2.結(jié)合算法程序，落實人工智能概念

在中小學(xué)，人工智能相關(guān)課程的普及，集中在邏輯思維能力的提高和思維方式的改變上。人工智能涉及廣泛的知識，如語音識別、人機對話、人機對弈、神經(jīng)科學(xué)等，這些知識對于小學(xué)生來說太過深奧了。因此，在確定人工智能課程的主題時，應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生的計算機思維、邏輯思維、創(chuàng)造能力，而不是乏味的知識學(xué)習(xí)。在小學(xué)階段，學(xué)生可以理解和掌握程序的語法和算法，包括條件判斷、循環(huán)語句、分類、偵測、運算等。

人工智能教育實踐

Scratch編程怎么與人工智能有效結(jié)合？應(yīng)怎么體現(xiàn)Scratch編程在人工智能方面的應(yīng)用？下面，筆者以蘇教版信息技術(shù)教材五年級Scratch《賽車游戲》一課教學(xué)為例，探討人工智能在Scratch編程中的應(yīng)用。

1.教材內(nèi)容分析

人工智能的目標是希望機器能像人類一樣思考。《賽車游戲》的主要學(xué)習(xí)任務(wù)是用偵測模擬“傳感器”，通過條件語句對“傳感器”的返回值進行判斷，讓一輛賽車由起點自動行駛到終點。根據(jù)教學(xué)目標可將教學(xué)內(nèi)容分成五部分：設(shè)置舞臺和角色、分讓賽車不斷前進、賽車偏離軌道后糾正方向、賽車到達目的地、加入計時功能。重點是第三部分。

2.問題解決思路

小學(xué)階段編程的核心思想是培養(yǎng)孩子的邏輯思維。具體來說，就是將復(fù)雜的大問題分解成幾個小問題，通過分解思維分別解決。分解完問題后，就是識別，即分別檢視、思考每一個小問題并尋找解決方案，這是抽象思維。最后是規(guī)律識別思維，在編程的過程中，孩子們必須一直做這種訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)一些可以重復(fù)的單元，把它整合集成起來，讓計算機去重復(fù)它。

具體到《賽車游戲》一課中，人工智能概念體現(xiàn)在偵測控件與條件控件的應(yīng)用上，偵測就是識別，條件控件是邏輯判斷處理，學(xué)生通過編程實踐理解人工智能的概念及實現(xiàn)過程。

教學(xué)設(shè)計：

生：賽車在灰色跑道上一直向前行駛，遇到草地不能拐彎，偏離賽道了。

師：那請你說說看，怎樣解決？（學(xué)生的答案也許比較多，教師借此拋出“傳感器”的概念）那么，為了更好地判斷賽車是否偏離賽道，想不想在賽車上也安裝一個傳感器呢？

任務(wù)一：選中角色賽車，選取左車燈為紅色和右車燈為黃色給賽車畫上小圓，作為虛擬“傳感器”。

設(shè)計意圖：教師提出“傳感器”的概念，引導(dǎo)學(xué)生主動探究。而后轉(zhuǎn)至任務(wù)中解決實際問題，多給學(xué)生預(yù)留思考空間。

3.程序測試調(diào)整

“賽車游戲”與學(xué)生日常生活聯(lián)系緊密，在人工智能教學(xué)中能收到良好的效果。學(xué)生用色塊模擬傳感器，用條件控件來判斷碰到路邊自動轉(zhuǎn)向，體會傳感偵測數(shù)據(jù)編程與條件判斷語句的應(yīng)用。

教學(xué)設(shè)計：

師：同學(xué)們的賽車都裝上傳感器了。我們再來試試看，賽車會不會自動拐彎。

生：賽車可以直線前進了，但不會自動拐彎，會開到綠色草地上。

師：那怎么辦？看來要想使“傳感器”發(fā)揮作用，只安裝在車上還不行，還要讓它工作起來。我們要讓賽車偏離跑道后自動糾正方向，可以用Scratch中的“偵測”來模擬“傳感器”的讀值，再通過條件控件對方向進行判斷并做出回應(yīng)處理。如果左邊紅色的“傳感器”碰不到路面，賽車就向哪個方向調(diào)整？請一個同學(xué)來說說看。

任務(wù)二：請你編寫腳本，實現(xiàn)賽車偏離軌道后糾正方向的功能。（請做完的學(xué)生一邊演示，一邊描述編寫的腳本含義）

設(shè)計意圖：引入“偵測+判斷”模擬判斷傳感器返回值，利用偵測和條件語句實現(xiàn)任務(wù)。用語言表達邏輯思路，再將邏輯轉(zhuǎn)換為腳本。

師：請同學(xué)們想想看，除了判斷賽車偏離賽道，可不可以判斷賽車壓到草坪？

設(shè)計意圖：此處的判斷方式，或者解決問題的方式并不唯一，教師應(yīng)該起到引導(dǎo)作用，讓學(xué)生大膽想象，避免束縛思路。同時，在測試調(diào)整過程中，學(xué)生還會碰到賽車“失控”現(xiàn)象，這時還需引導(dǎo)學(xué)生思考改變每次旋轉(zhuǎn)的角度大小，同時還應(yīng)考慮賽車行駛速度影響因素等。

結(jié)語

通過實踐筆者認為，在小學(xué)人工智能教育中，應(yīng)根據(jù)教學(xué)需要選擇合適的素材和切入點，不僅要明確學(xué)生的基礎(chǔ)現(xiàn)狀和接受能力，還要考慮多數(shù)學(xué)科教師從未接觸過人工智能的現(xiàn)狀。同時，課堂活動的組織和內(nèi)容設(shè)計應(yīng)著眼于能否充分調(diào)動學(xué)生的興趣。人工智能課程知識點的講解應(yīng)結(jié)合學(xué)生的生活經(jīng)驗和感興趣的主題。對于某些有難度的知識點可分解為若干遞進式的小問題，通過逐步加深理解，達到課程教學(xué)的目的。

人工智能不神秘，人工智能教育也不是高不可攀。小學(xué)階段的人工智能教育的重點是要教給學(xué)生思維和實踐的方法，使學(xué)生理解人工智能，充滿信心地擁抱人工智能的未來時代。