小學人工智能與信息技術學科計算思維培育的實踐研究

陳偉琦

(福建省廈門市新翔小學 福建 廈門 361000)

計算思維(Computational Thinking)作為中小學信息技術學科核心素養之一，是當前信息化社會中數字原住民所應具備的基本素養。目前，我國的計算思維研究仍處于早期，對計算思維能力的研究較少，而隨著教育信息化2.0的到來，更多的人意識到計算思維已經成為每個學生都必須掌握的思維能力。在小學人工智能課堂中，著重強化培育學生的計算思維，才能更好讓學生掌握人工智能、編程知識，以適應未來信息時代的需求。

1.計算思維的內涵

計算思維是由美國卡內基·梅隆大學周以真教授首次提出的概念，她指出隨著數字化時代的到來，計算思維應當和閱讀、寫作及算術一樣，成為每個人的一項基本技能。計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。

2.小學人工智能課堂

為全面貫徹落實國務院《新一代人工智能發展規劃》精神，促進中小學人工智能應用和普及水平穩步提升，人工智能開始走進中小學信息技術課堂中。筆者所在的廈門市于2020年起開設人工智能教育試點工作，截至目前，該工作已在試點學校的試點年級中開展了一年的人工智能教學實踐研究。

3.人工智能課堂的三維目標與計算思維的三維框架

為了直觀展現小學人工智能課堂的計算思維培育目標，筆者參考2012年美國麻省理工學院終身幼兒園研究小組提出的計算思維的三維框架，結合小學信息技術三維目標，整理了以下基于計算思維的三維框架的教學目標。(1)計算概念，即知識與技能：含電子器件、編程語句、數據運算等；(2)計算實踐，即過程與方法：含混合編程、抽象思維、實用原則、調試運行等；(3)計算觀念，即情感態度價值觀：含創意表達、溝通協作、理解反思等。

4.在人工智能教學中培養學生計算思維的措施

4.1 化碎為整，在知識遷移中掌握計算概念。

4.1.1 自然語言，具象化程序邏輯。自然語言就是我們日常生活中習慣運用的與人交流的語言[2]。在《AI在智慧生活》中，積木可借助uKit EDU編程軟件(一款移動設備APP)來使積木變成可執行人工智能指令的各類機器人。uKit EDU是一款針對青少年所設計的機器人搭建、編程和遙控的教育軟件，它具備圖形化編程、動作編程和多功能遙控器等工具，讓學生可以自由拼搭機器人模型，并根據自己的想法編程設計。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，同時軟件也開始使用計算機編程軟件uCode進行程序撰寫。

最開始接觸人工智能時，學生可以從《AI在智慧生活》入手，并嘗試使用較簡單的uKit EDU編程軟件。但是在初期，學生尚未形成程序語言的意識，所以在教學中需要在初學階段引導學生運用“造句”等方法，來描述編程的過程，使程序語言具象化。“智能臺燈”是孩子們制作的第一款人工智能模型，孩子們要讓機器人自動根據聲音傳感器收到的音量大小，來調節眼燈的開與關。因此，課堂上教師就要引導學生關注到數值大小對比、“如果執行”等代碼塊，隨后引導學生“造句”，用盡可能詳實、規范、準確的自然語言將這一過程表述出來，讓學生更好了解本堂課所學習的傳感器和執行器的具體功能，同時為更好完成后續的編程設計奠定基礎。

當學習者能將簡單的自然語言具象為程序后，老師就可以引導學生自主學習uCode等其他編程軟件。同時，教師可以根據學生的知識掌握情況、能力水平等因素，做好“分層教學”：讓一些掌握較好的學生利用興趣班或延時服務，進一步探索“悟空機器人”“優創未來”“綠茵小將”等其他人工智能學習項目。

4.1.2 學科融合，技巧化編程應用。一直以來，信息技術是學生獲取知識和技能的重要工具，對學生的學科學習也有重要作用。在小學課堂中，人工智能與學科知識也勢必要融通共進。在《AI在智慧生活》“我的智慧花園”一課中，教師可以引導學生回憶科學課中所學習的知識——向日葵之所以“向日”是因為生長素，進而對比機械向日葵要滿足“向日”的要求同樣也需要“生長素”，而這一“生長素”就要運用亮度傳感器來模擬。橫向的知識遷移，讓學生更好理解亮度傳感器的作用。此外，在編程教學中，學生已經學習了一個傳感器數值與定值的對比，但還未學習兩個傳感器數值之間的比較，所以上課時以“智能臺燈”或“智能風扇”為點例，引導學生發現可以將其中的定值替換為另一個傳感器的數值，以滿足程序要求。縱向的知識遷移，可以使學生前后知識的銜接更自然。

在人工智能課堂中傳授計算概念，運用到不同的知識遷移技巧，化碎為整，能夠在培養學生信息技術素養的同時，推動學生的學科學習，促進其實現全面發展。

4.1.2 化難為易，在項目學習中落實計算實踐。

(1)實例模仿，創新設計拓展程序。在人工智能的模型建構時，可以引導學生在模仿的基礎上創新，逐步展現出自己獨特的風格。例如，在《AI在智慧生活》“智能風扇”一課中，學生突發奇想，將直流電機上的風扇重新設計，變為了“智能摩天輪”。教師抓住這一閃光點，并邀請學生利用延時服務的時間進行加工，最終將課堂上“當檢測到人靠近時，便啟動的風扇”，逐步設計為“當按下觸碰傳感器后，便啟動的摩天輪”。在激發出學生的興趣后，孩子們不僅能從外觀上進行改造，還可以大膽嘗試新的傳感器，并在幾次調試后成功完成模型。

以此為契機，在期中時，該班同學就以“智能游樂園”為主題，開展項目式學習。學生用上課的平時表現成績作為“金幣”，“購買”額外的電子器件或拼接件，然后根據自己的想法，設計不同的游樂設施：海盜船、鬼屋、旋轉木馬等等。最后，依據評價標準，從美觀、編程、技術等方面，組織學生開展自評與互評，并用平板攝影留念。

(2)范例啟迪，培養學生質疑精神。正如上方的例子，在人工智能課堂上，教師常會讓學生通過更改積木造型、編程執行器的數值等元素來滿足個性化的設計要求，但是其實這只是個性化設計中最基本的內容。教師應當在計算實踐時，重視培養學生的質疑精神和批判精神，告訴學生平板、課本、課件上的都不一定是最優答案，要引導學生在面對問題時不斷理解、不斷思考，從而獲得新的解決方案，形成創造性的解決思路，最終挑選出最優的方案。

例如，同樣在“智能風扇”一課中，另一個班級的同學提出了疑問：當人走進的時候風扇會打開，但是如果走得太近，風扇就會打傷人，是不是要把這一程序進行調整？一石激起千層浪，學生們紛紛提出想法：當距離小于5時，應當立即停止直流電機。隨后根據學生的表述，將情況分為三類：距離大于20時風扇停止，距離處于5至20之間時風扇轉動，距離小于5時風扇再次停止。討論結束后，學生也用并聯的方式開始“如果執行”的程序撰寫。但此時，教師在操作過程中，就可以有意提醒學生尋找更簡便的修改方案，部分有圖形化編程基礎的同學就會聯想到用串聯的方式編程，直接在原有程序上再進行一次判斷，如果距離小于20時，“又發現小于5，直接停止”就可以完成程序。課程的最后，教師就可以引導這些學生在課堂上分享自己的與老師課件中不同的程序語言。

(3)軟硬結合，探索深度學習策略。“深度學習”作為近幾年創新型教育理念，越來越常被應用于實際的教學活動當中，而這一概念正是來源于人工智能領域。從小學的教育教學角度而言，“深度學習”與教育改革的內涵相契合，主要是對教學方法實施革新與轉變，促使學生能夠主動學習，形成批判性思維，從而形成信息化核心素養[3]。因此，在小學人工智能的教學中，要將“深度學習”作為有效課堂的重要實施策略。

以《AI在變形工坊》“手勢互動”一課為例，相對前面介紹的課例，本課難度有所增加：學生需要運用兩個紅外測距傳感器，通過偵測手勢向左或向右的移動方向，讓由舵機組成的機械手臂做出正確的反應。由于步驟精細、邏輯繁雜，本課要化難為易，就要借鑒“深度學習”策略，從激發興趣、優化活動、夯實知識、互動展示多角度入手，引導學生深度互動，以此完成該項目的學習。

首先，要充分調動學生的積極性。在授課前，筆者借用了一臺心理咨詢室的電子宣泄儀(類似體感游戲機)，并讓學生上臺體驗。在體驗過“水果忍者”等游戲后，引導學生仔細觀察儀器，不難發現有類似紅外傳感器的設備，由此引發思考，讓學生們主動探究并完成積木拼搭。其次，優化教學活動，側重學生的主體性。在編寫程序時，發揮合作探究的優勢：一位學生負責硬件，模擬揮動的過程并觀察不同階段紅外傳感器偵測距離的變化；另外一位學生負責軟件，根據測距的變化一步步撰寫邏輯語句，并在兩人的反復試驗中，完成程序的編寫。課程最后，除了常規的學生作品展示外，還多融入生活元素，深入講解原理，夯實本課知識與技能。教師要讓學生知曉，本課的“手勢互動”還能運用在生活中，例如：未來的“全系投影新聞閱讀墻”或“模擬穿搭試衣鏡”等。教師通過交流互動，啟發學生思維、促進深度學習。

在人工智能課堂中落實計算實踐，可以化難為易，先引導學生模仿實例，再鼓勵創新設計，進而從問題中啟迪新思路。同時，教師可以結合項目式學習，借鑒深度學習策略，幫助學生圍繞任務、問題或主題，依據評價標準，以小組的方式進行自主、合作、探究性學習活動[4]，不僅能極大提高學生學習的興趣，又能培養學生多學科知識整合、組織協調、溝通表達等能力，降低計算實踐難度。

4.1.3 化虛為實，在情境創設中樹立計算觀念。在人工智能教學中巧設情境，聚焦“五育”并舉，不僅能提高學生的學習積極性，還可以落實不同學科的教學實踐，構建全面培養體系，促進學生德智體美勞全面發展[5]。

(1)順承情境，延伸德育。在教學實踐中，筆者調整教學順序，將“智能垃圾桶”和“智能掃地車”作為前后課進行教學。“智能垃圾桶”的原理是利用超聲波傳感器檢測到有人靠近時，通過舵機(角模式)開啟垃圾桶；而“智能掃地車”的原理是借助舵機(輪模式)進行移動或清掃，同時通過超聲波傳感器檢測到前方有障礙物自動拐彎。考慮到“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。將這兩課結合，主要是為了創設“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，將垃圾分類滲透進人工智能課堂，可以在課堂中以學生為主體，促進德育成長。學生在設計完“智能垃圾桶”后會思考如何制作“智能掃地車”，讓我們的生活更便利，進而會考慮到如何讓機器人自己進行垃圾分類，省去分類錯誤對清潔工造成的麻煩。經過兩節課的學習，激發了同學們的探索欲。部分學生利用“優創未來”的主控(可以進行語音識別)，制作了一款“智能分類垃圾桶”。當投放者對著垃圾桶說出垃圾的名稱后，垃圾桶會自動控制內部的舵機，調整好管道，再將垃圾桶蓋打開。投放者丟入垃圾后，垃圾將自動被分類到正確的存放口。

(2)競技對抗，激發熱情。2011年國家體育總局將素質體育機器人運動納入體育運動項目，作為科技與體育跨界融合的新型智能競技項目，素質體育機器人運動具有探索性強、實踐性強、綜合性強等特點[6]。在“遙控小車”一課上，筆者參考“綠茵小將”賽事，引導學生以4人小組為單位，共設計2輛“綠茵小將”，并在賽場上與其他小組進行資源掠奪、足球射擊、進攻敵營等陸上賽事。

在著手設計前，教師介紹經典設計、分析基礎戰術，充分激發學生的主動性和思考力。隨后，學生根據學習單上的拼搭技巧和遙控說明，積極參與、全身心投入到設計機器小車的過程當中。在檢查與競技環節中，學生各司其職、群策群力，反復推敲、試驗，最終參加小組對抗賽，并在賽后及時反思。本課活動覆蓋了STEAM教育體系的各方各面，以人工智能為支撐，體育競賽為載體，跨界整合多學科知識，讓智慧和體能相結合，讓運動員們(學生)在機器人競技的操控玩樂中手腦并用，鍛煉創造力、思維力、協作力、表現力、審美能力等多方面綜合能力，以實現信息技術學科核心素養計算思維的提升。

在人工智能課堂中樹立計算觀念，可以化虛為實，將虛擬的情景轉化為現實問題，同時聚焦“五育”并舉，將各學科知識融入到課堂中，讓學生成為生活和學習的主人。

5.結語

人工智能的有效教學，作為培育學生小學信息技術計算思維的一種途徑，越來越受到教育者的廣泛關注。良好的人工智能課堂，可以結合項目式學習法，將各學科知識融通共進，推動“五育”并舉有效落地，同時鍛煉學生計算思維，讓課堂充滿活力。