人工智能教學(xué)中，對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)

江蘇省張家港市暨陽高級中學(xué) 丁 華

一、問題的提出

在中小學(xué)階段開設(shè)人工智能課程，培養(yǎng)學(xué)生對人工智能有基本的概念認(rèn)識和興趣，這既是順應(yīng)時代發(fā)展的需求，也非常有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。但在實際教學(xué)中，人工智能的教學(xué)存在著很多問題：第一，重視人工智能實踐活動的開展，忽視理論知識的沉淀，這就如同水上建樓閣，沒有理論的基石，學(xué)生的思維得不到發(fā)展，逐漸地成為新技術(shù)的機(jī)械使用者。第二，教師過多講解人工智能的理論，如智能語音和深度學(xué)習(xí)等，卻不在實踐中融合這些理論，讓學(xué)生在實踐解決問題的基礎(chǔ)上鍛煉思維，這就如同空中建樓閣，學(xué)生置身云霧之中，不得入門。

究其原因，主要是因為人工智能的教學(xué)缺乏一個支點。因為人工智能課程具有較強的邏輯性、思維性和抽象性，而這就需要學(xué)生具備相應(yīng)的思維方法去學(xué)習(xí)課程。2017 版《高中信息技術(shù)新課標(biāo)》中明確指出需要培養(yǎng)學(xué)生的計算思維來解決實際問題。在人工智能教學(xué)中把計算思維的培養(yǎng)作為一條主線，問題就會迎刃而解。

二、人工智能教學(xué)與計算思維的關(guān)系

（一）人工智能的教學(xué)蘊含著計算思維的思想

中小學(xué)人工智能課程的目標(biāo)定位：讓學(xué)生在體驗人工智能技術(shù)的過程中，激發(fā)學(xué)生探索的興趣，提升學(xué)生思維的能力；以人工智能技術(shù)為出發(fā)點，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維并進(jìn)行簡單編程和對智能設(shè)備實現(xiàn)設(shè)計控制；提高運用人工智能相關(guān)技術(shù)分析和解決問題的能力、動手實踐能力及創(chuàng)新創(chuàng)造能力。從目標(biāo)看來，計算思維作為信息技術(shù)學(xué)科的基本思維之一，本身就是人工智能課程的一個重要組成部分，從內(nèi)容來看，人工智能的教育內(nèi)容與計算思維有融合貫通。以高中階段人工智能課程為例：數(shù)據(jù)采集、特征提寫，模型評估等內(nèi)容點與計算思維的自動化、抽象、分析評估等有著交叉的部分。人工智能的知識點為計算思維提供了生動的案例，同時人工智能的很多成果也是運用計算思維后的結(jié)晶。

（二）計算思維的培養(yǎng)促進(jìn)人工智能教育的開展

計算思維是運用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動。主要包含四個核心：問題分解、抽象思維、模式識別和算法。培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，對人工智能的教學(xué)是必要的，具備了計算思維的學(xué)生能更好地理解人工智能的基本思想和理念。以人臉識別的智能簽到為例，利用計算思維首先把智能簽到的任務(wù)分解成若干子問題：如何建立圖像庫？如何進(jìn)行人臉匹配和識別？如何判定結(jié)果？運用計算思維的方法分解后再尋求這些子問題的解決方案，最后在眾多方案中選擇最優(yōu)的解決方法。在問題解決后，請學(xué)生把解決的過程繪成流程圖。這樣可以遷移到其他情境的問題解決過程中，例如：食堂的智能支付，圖書館的智能識別等。從這些案例中可以看到具備計算思維意識的學(xué)生，會主動采用計算思維方法，去解決實際問題，在這個過程中既提高了學(xué)生的計算思維能力又對學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握人工智能的知識起到了促進(jìn)作用。

三、人工智能教學(xué)和計算思維培養(yǎng)的教學(xué)策略

（一）選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)情境，激發(fā)計算思維的意識

人工智能的學(xué)習(xí)內(nèi)容交叉性比較強，教師在創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境的時候，除了要貼近學(xué)生的生活經(jīng)驗以外，還要了解學(xué)生其他學(xué)科的學(xué)習(xí)情況。在綜合考慮后的情境設(shè)置才能做到讓學(xué)生感興趣的同時，又能有探究的欲望，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生計算思維的形成。當(dāng)學(xué)生主動將學(xué)到的知識和方法用于提出問題與解決問題，使所學(xué)與實際生活聯(lián)系起來，不僅形成本情境的解決方案，同時可以遷移到其他情境的問題解決中。例如：在進(jìn)行“模型分類訓(xùn)練”時，如果直接從模型的概念講起，學(xué)生容易出現(xiàn)厭煩情緒，但設(shè)置垃圾分類、情緒分類等情境后，當(dāng)學(xué)生說出自己的垃圾或心情名稱，系統(tǒng)會自動給出判斷……這樣，學(xué)生容易從現(xiàn)實中學(xué)會分解問題，抓住問題的核心，用算法甄別并描述出規(guī)律。

（二）選擇合適的教學(xué)方法，提升計算思維的能力

計算思維的根本目的是問題求解能力。教師可以采用如逆向思維法，頭腦風(fēng)暴法，順推法，思維導(dǎo)圖，流程圖等來引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行抽象、分解、約簡、轉(zhuǎn)化、建模，從而找到更高效的途徑來解決問題。在做“智能判斷心情”這個任務(wù)時，要求學(xué)生說出一句話，系統(tǒng)可以立刻判斷他此時的心情，并給出相應(yīng)的表情符號。我首先引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行分解和約簡，找出本任務(wù)的核心。機(jī)器人其實主要是通過對關(guān)鍵字提取來獲取心情信息，那么這個任務(wù)就可以轉(zhuǎn)化成建立數(shù)據(jù)模型；再通過思維導(dǎo)圖讓學(xué)生思考這類模型如何利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成儲存的；最后，采用頭腦風(fēng)暴法，學(xué)生暢所欲言，自由發(fā)揮想象，集思廣益，收集到了很有意思的文本選項，如在收集高興的情緒關(guān)鍵詞時除了傳統(tǒng)的開心、喜悅、眉開眼笑等，還有“中獎了”“考得不錯”等有創(chuàng)意的選項。

（三）選擇多元化的評價方式，拓展計算思維的深度

中小學(xué)人工智能的課程更加注重孩子的思維培養(yǎng)、創(chuàng)造激發(fā)，在教學(xué)過程中，評價也是呈現(xiàn)多元化。一方面，過程性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合，根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)以及利用計算思維設(shè)解問題的能力作為評價的依據(jù)。另一方面，通過學(xué)生互評、師生同評等方式評價作品的優(yōu)缺點，學(xué)生根據(jù)評價的結(jié)果，再次修改設(shè)計或程序，不斷地拓展計算思維的深度。例如：在做“人臉識別自動支付”這個項目時，一個小組很快完成自動支付，在評價過程中，有其他同學(xué)建議如果一次支付不成功，不需重新運行程序，可以加入循環(huán)語句來控制人臉識別，直到支付成功。這個說法得到了該學(xué)生的認(rèn)可，于是學(xué)生對自己的程序進(jìn)行再次加工。我在評價作品的時候又反問了，如果多次支付不成功，難道一直循環(huán)嗎？我的評價再次引發(fā)了學(xué)生的思考，他們紛紛考慮應(yīng)該要加入循環(huán)的次數(shù)來控制程序。學(xué)生在不斷地評價—總結(jié)—修改過程中，尋求解決問題的最佳方案，考慮問題的深度越來越深，越來越精。

四、人工智能教學(xué)和計算思維培養(yǎng)的注意點

（一）摒棄“一刀切”，實行分層實驗教學(xué)

實驗教學(xué)是人工智能教學(xué)中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，場景感知、原理驗證，創(chuàng)新性的思維訓(xùn)練都離不開實驗。學(xué)生從實驗中，找尋解決方案的思路，鍛煉自己的計算思維。但如果在教學(xué)中，采用一刀切的方式開展實驗教學(xué)，學(xué)生個體差異問題得不到有效改善，教學(xué)時效性大大減弱。對此，教師可以采用分層實驗教學(xué)，制定統(tǒng)一的實驗大綱，對每個實驗任務(wù)都進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶哟卧O(shè)計，例如：在學(xué)習(xí)智能語音時，從了解到設(shè)計再到應(yīng)用，我們對實驗進(jìn)行了分層：（1）自定義命令詞，喚醒大比拼；（2）語音轉(zhuǎn)寫PK 大賽；（3）設(shè)計并完成語音合成配音表演；（4）設(shè)計中英文測評的游戲；（5）在理解人工智能對聲音處理原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計綜合應(yīng)用的案例，如新建傳遞機(jī)器人，設(shè)計語音助理機(jī)器人等。以上五個層次中，前三項是必做，最后兩項可以供有興趣的同學(xué)在教師的指導(dǎo)下利用課余或社團(tuán)實踐開展研究。

（二）支持“試誤”，即教學(xué)設(shè)計要有“錯誤設(shè)定”

計算思維的培養(yǎng)不可能一蹴而就，必須滲透在每節(jié)課的教學(xué)中，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過程中去感受和形成計算思維。這是一個反復(fù)螺旋的過程，學(xué)生需要經(jīng)過不斷的練習(xí)，才能在教師的引導(dǎo)下，形成計算思維。在教學(xué)設(shè)計中，教師追求實驗結(jié)果的完美也存在一個誤區(qū)，就是學(xué)生的“試誤”本身就是一種學(xué)習(xí)，當(dāng)實驗結(jié)果與設(shè)想出現(xiàn)不一致時，積極引導(dǎo)學(xué)生去分析問題和解決問題。在人臉識別實驗中，教師通過人臉識別后快速地進(jìn)入景區(qū)，可是有的學(xué)生無法進(jìn)入。這時引導(dǎo)學(xué)生分析為什么？不能進(jìn)入景區(qū)是由于數(shù)據(jù)庫里沒有圖像嗎？為什么數(shù)據(jù)庫里沒有圖像，就不能識別呢？

原來人臉識別的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)要進(jìn)行計算匹配才能進(jìn)入景區(qū)。經(jīng)過對錯誤問題的積累，學(xué)生逐漸明白人臉識別的背后是由于有數(shù)據(jù)的支撐。學(xué)生在嘗試—驗證—修正解決問題過程中，逐漸發(fā)展了計算思維。計算思維一旦形成，下次再遇到類似的問題，自然而然地會利用這種能力去解決問題。

總之，在人工智能的課堂中，注重培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，將計算思維融入到理論和實踐教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，鍛煉學(xué)生抽象，分解，轉(zhuǎn)換以及仿真能力，進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力，對學(xué)生的未來發(fā)展是大有裨益的。