結(jié)合人工智能課程培養(yǎng)學(xué)生計算思維的教學(xué)實踐

黎尚斌

摘要：大數(shù)據(jù)與人工智能的融合催生了社會發(fā)展新樣態(tài)，對教育領(lǐng)域如何適應(yīng)時代發(fā)展，培養(yǎng)現(xiàn)代化人才也提出了新要求。在此背景下，以人工智能課程為載體，培養(yǎng)學(xué)生計算思維成為了教育發(fā)展新潮流。計算思維涵蓋了合作能力、算法思維、問題解決能力、創(chuàng)造能力與批判思維等維度能力，各維度能力發(fā)展相輔相成。怡樂路小學(xué)教師緊扣現(xiàn)代人才培養(yǎng)的新需求，在人工智能課程“智慧的交通”教學(xué)中，通過設(shè)置“分享交流—通識學(xué)習(xí)—體驗學(xué)習(xí)—實踐探究—評價總結(jié)”等環(huán)節(jié)，促進學(xué)生多維度能力發(fā)展，有效培養(yǎng)其計算思維。

關(guān)鍵詞：人工智能課程;計算思維;教學(xué)策略。

教育部于2018年發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》明確指出，要“促進教育信息化從融合應(yīng)用向創(chuàng)新發(fā)展的高階演進”，從此，我國教育信息化步入融合創(chuàng)新、智能引領(lǐng)的時代，同時賦予教育以新的使命與走向。能夠適應(yīng)人工智能時代、善于運用人工智能的人才是當(dāng)今以及未來社會所需要的人才，而計算思維作為一種適應(yīng)數(shù)智時代的綜合能力，無疑是現(xiàn)代化人才培養(yǎng)的重點之一。教育也應(yīng)與時俱進創(chuàng)設(shè)新課程、尋找新策略，以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，為社會培養(yǎng)適應(yīng)其高速發(fā)展的人才。

對此，筆者通過分析計算思維的能力結(jié)構(gòu)，選擇合適的人工智能課程，實施有效的課程教學(xué)策略等途徑，積極探索、創(chuàng)新人工智能課程的計算思維的培養(yǎng)路徑。

一、分析計算思維的能力結(jié)構(gòu)

隨著相關(guān)理論的研究與應(yīng)用，計算思維由狹義的學(xué)科思維擴展至廣義的基本技能，即每個人都必須具備的以解決實際問題的思維能力。在此基礎(chǔ)上，計算思維構(gòu)建了較為全面的能力框架，包括合作能力、問題解決能力、創(chuàng)造能力、算法思維與批判思維。

合作能力是指學(xué)生在參與小組合作式問題探究時，所表現(xiàn)出的合作意識、合作能力以及人際交往技能。算法思維是學(xué)生在解決問題時所形成的對于問題本身的具體化認(rèn)知，以及基于對數(shù)據(jù)的分析與研究，而形成的問題解決思維模型或方法論。問題解決能力是指學(xué)生利用計算思維理解問題、分析問題、處理問題等方面的能力。創(chuàng)造能力是指學(xué)生對問題解決產(chǎn)生新想法，并在實踐探究中進一步擴展思維與想法，檢驗與優(yōu)化問題解決的想法或方案。批判思維重點在于對現(xiàn)有想法進行推理、歸納、評價與分析，從而更加準(zhǔn)確、全面地認(rèn)知問題本質(zhì)。在實際教學(xué)中，教師應(yīng)該重視對上述五大能力的培養(yǎng)，從而整體提升學(xué)生的計算思維。

二、選擇合適人工智能課程

大數(shù)據(jù)為人工智能提供了與社會生活相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)支撐與發(fā)展動力，而人工智能為數(shù)據(jù)的智能化應(yīng)用與處理提供了關(guān)鍵性的技術(shù)支持，兩者之間互為融合，相互促進。鑒于此，人工智能課程的選擇應(yīng)滿足兩方面要求，一是以學(xué)生為中心的課程生活化，即在滿足學(xué)生發(fā)展需求的同時，激發(fā)學(xué)生的生活情感體驗，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)智融合時代下的社會當(dāng)擔(dān)意識、思維能力等;二是以數(shù)據(jù)為支撐的課程智能化，即基于大數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理等功能，充分利用大數(shù)據(jù)的高精準(zhǔn)度與決策性等優(yōu)勢，在課程建設(shè)中有效融入智能技術(shù)。通過分析研究可知，“智慧的交通”便是數(shù)智融合背景下的人工智能課程。該課程不僅貼近學(xué)生的生活實際，有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的團隊合作能力、社會責(zé)任意識、計算思維等，還在課程的開發(fā)與建設(shè)中，有效應(yīng)用了“行訊通”等人工智能技術(shù)，推動了數(shù)智融合背景下的教育智慧化發(fā)展。

三、實施有效課堂教學(xué)策略

小學(xué)階段的人工智能課程旨在通過系統(tǒng)的課程內(nèi)容設(shè)計及合理的教學(xué)流程引導(dǎo)，讓學(xué)生理解人工智能技術(shù)的基本原理，并發(fā)展其解決問題的思維與能力。筆者在“智慧的交通”人工智能課程中設(shè)置了分享交流、通識學(xué)習(xí)、體驗學(xué)習(xí)、實踐探究、評價總結(jié)等教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生理解“智慧交通”的應(yīng)用技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生良好的計算思維。

（一）分享交流——合作能力

合作能力作為小組活動中的關(guān)鍵能力，在計算思維中也占據(jù)著重要地位，其培育與發(fā)展主要依賴于團隊式系列活動的推進。因此，教師在發(fā)展學(xué)生計算思維結(jié)構(gòu)下的合作能力時，可結(jié)合課程內(nèi)容，設(shè)計團隊合作學(xué)習(xí)任務(wù)或小組探究式活動，引導(dǎo)學(xué)生在與小組成員的分享交流中，發(fā)展良好的合作意識、合作態(tài)度及合作技能，提升自身的人際交往能力及合作能力。

筆者在“智慧的交通”教學(xué)中，設(shè)置了以發(fā)展學(xué)生計算思維合作能力維度為目標(biāo)的分享交流環(huán)節(jié)。在該環(huán)節(jié)中，筆者主要采用了小組合作學(xué)習(xí)形式，并設(shè)置了具體的團隊學(xué)習(xí)任務(wù)，包括讓學(xué)生回顧與梳理前期有關(guān)于交通信號燈的學(xué)習(xí)內(nèi)容，以及探究智能信息號燈的工作原理與使用價值等。學(xué)生圍繞具體的學(xué)習(xí)任務(wù)，積極以團隊合作形式展開了分享交流，并將組內(nèi)的交流與討論結(jié)果，在課堂上與其他同學(xué)進行了分享。由此一來，該環(huán)節(jié)不僅實現(xiàn)了學(xué)習(xí)成效的最大化，還在有益的分享交流中發(fā)展了學(xué)生的合作能力，培養(yǎng)了基本的社交技能。

（二）通識學(xué)習(xí)——算法思維

算法思維是計算思維中的重要維度，其著力于學(xué)生在解決問題中的認(rèn)知過程，強調(diào)學(xué)生在基于對復(fù)雜數(shù)據(jù)的整理、對比與分析上，形成數(shù)據(jù)處理的方法論或模型。針對小學(xué)高年級的學(xué)齡特征，算法思維關(guān)注學(xué)生對人工智能數(shù)據(jù)處理及人工智能算法的理解與把握，側(cè)重于學(xué)生認(rèn)知體系的建設(shè)與思維能力的完善。因此，教師在學(xué)生算法思維的建設(shè)中，可結(jié)合相關(guān)的通識學(xué)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)生形成認(rèn)知規(guī)律以及解決問題的思維模型。

結(jié)合“智慧交通”課程內(nèi)容，筆者設(shè)置了通識學(xué)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)，以促使學(xué)生形成對智能交通系統(tǒng)的初步認(rèn)知，理解大數(shù)據(jù)和人工智能算法在智能交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用及應(yīng)用規(guī)律。在教學(xué)中，筆者先是播放了智能信號燈有關(guān)視頻，并鏈接相關(guān)權(quán)威資料對智能交通系統(tǒng)進行闡釋，幫助學(xué)生初步建立智能交通系統(tǒng)的基本概念。接著，筆者利用視頻引入了綠波速度的概念，并以此為楔子，帶領(lǐng)學(xué)生梳理與總結(jié)大數(shù)據(jù)支撐下智能交通保障技術(shù)的產(chǎn)生背景及應(yīng)用價值，讓學(xué)生通過自主思考，掌握大數(shù)據(jù)應(yīng)用的基本方法與規(guī)律，逐步發(fā)展以智能交通認(rèn)知體系為內(nèi)核的算法思維。

（三）體驗學(xué)習(xí)——問題解決

問題解決能力是計算思維能力的關(guān)鍵能力，也是一個人計算思維形成過程的關(guān)鍵一環(huán)。問題解決能力的維度，主要在于學(xué)習(xí)者能否運用計算思維的特征理解問題，并運用計算思維的方法解決問題。因此教師在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識、探索其中規(guī)律，并將其合理應(yīng)用到實際問題的解決中。

對此，筆者通過“體驗學(xué)習(xí)”環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生在交流和體驗中構(gòu)建其問題解決能力。其一，筆者先設(shè)置“探究和交流”教學(xué)步驟，學(xué)生在觀看教師手機操作演示搜索路線后，了解了導(dǎo)航軟件對于合理規(guī)劃出行路線的作用，并通過小組交流，初步認(rèn)識了導(dǎo)航軟件通過數(shù)據(jù)采集、計算評估、優(yōu)化算法從而給用戶推薦路線，學(xué)生便從中理解問題的關(guān)鍵。其二，筆者再設(shè)置“操作和體驗”教學(xué)步驟，引導(dǎo)學(xué)生使用“行訊通”查詢公交車到站時間。學(xué)生通過實際操作，不僅加深對智能交通系統(tǒng)的認(rèn)識，從中理解了大數(shù)據(jù)和人工智能的優(yōu)化算法如何解決實際問題，還從中感受人工智能技術(shù)如何服務(wù)社會發(fā)展，在體驗學(xué)習(xí)中培養(yǎng)其服務(wù)社會的責(zé)任意識。

（四）實踐探究——創(chuàng)造力

計算思維不是計算機的思維，而是人的思維，是具有創(chuàng)造力的思維，且計算思維形成過程本身就是一項創(chuàng)造性的活動。因此，在計算思維的創(chuàng)造力維度的培養(yǎng)上，教師應(yīng)關(guān)注如何引導(dǎo)學(xué)生針對某一問題產(chǎn)生新想法，并在實踐中通過與新想法的結(jié)合優(yōu)化已有方案。筆者針對計算思維創(chuàng)造力維度的這兩個方面，在“實踐探究”環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力。

在這個教學(xué)環(huán)節(jié)，教師可先借助問題引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生創(chuàng)造性的想法，再設(shè)置模擬的實踐應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生在實踐中檢驗、優(yōu)化自己的創(chuàng)造性想法。比如筆者先設(shè)置問題——“智能交通信號燈系統(tǒng)通過什么進行燈號設(shè)計”，學(xué)生結(jié)合前面學(xué)到的知識點，紛紛提出智能交通信號燈是在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過一定的算法進行信號燈設(shè)置，力求車輛在“綠波速度”下暢行。 然后筆者再通過《智能交通燈實驗報告單》帶領(lǐng)學(xué)生模擬智能交通信號燈，動手體驗“信號燈系統(tǒng)如何設(shè)置燈號切換”，并思考“還有什么地方可以優(yōu)化”。在“實踐探究”環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過思考并體驗?zāi)M智能交通信號燈，不僅能充分理解人工智能技術(shù)在智慧交通的設(shè)置邏輯和使用原理，同時激發(fā)了計算思維創(chuàng)造力，強化了運用人工智能解決生活中實際問題的意識。

（五）評價總結(jié)——批判思維

批判思維是計算思維的另一個重要維度，對于小學(xué)高年級學(xué)生而言，批判思維主要表現(xiàn)為推理、歸納能力和評價、分析能力。故此，教師可通過相關(guān)的總結(jié)塑造學(xué)生的推理、歸納能力，通過多方互動評價塑造學(xué)生的評價、分析能力。

在本課教學(xué)中，筆者通過總結(jié)和評價兩個小環(huán)節(jié)構(gòu)建學(xué)生的批判思維。在總結(jié)中，筆者開展小組小結(jié)、小組代表發(fā)言以及老師總結(jié)。小組小結(jié)以反饋收獲為主，學(xué)生談感受、說想法，初步塑造一定的綜合歸納能力;在小組代表發(fā)言中，學(xué)生通過聆聽和匯報，評估自己的想法，形成自己的思考，進一步強化總結(jié)能力。最后通過教師的總結(jié)整體梳理所學(xué)知識，繼續(xù)深化自身的歸納能力。在評價這一環(huán)節(jié)，筆者設(shè)置了教師評價和生生互評。教師評價側(cè)重于學(xué)生在本課學(xué)習(xí)中如何發(fā)現(xiàn)問題、尋找真相、解決問題、優(yōu)化方案，是否在這一過程中形成較系統(tǒng)化計算思維能力;生生互評旨在引導(dǎo)學(xué)生正確看待人工智能技術(shù)的發(fā)展，樹立利用人工智能技術(shù)優(yōu)化生活和學(xué)習(xí)的積極態(tài)度。

現(xiàn)在，人工智能以其強大的發(fā)展勢頭走進我們生活的方方面面，也走進了基礎(chǔ)教育的課堂。在課程的開展中，教師應(yīng)充分把握計算思維能力結(jié)構(gòu)，從合作能力、算法思維、問題解決、創(chuàng)造力、批判思維等方面促進計算思維的全面培養(yǎng)，以滿足數(shù)智融合時代學(xué)生全面發(fā)展及個性化成長需求，從而科學(xué)有效落實現(xiàn)代化人才培養(yǎng)任務(wù)。