基于計算思維的初中信息技術人工智能單元教學策略與實踐分析

文/林俊清

引 言

人工智能也被稱作機器智能，通常理解為用來描述模仿人類與其他人類思維相關聯的“認知”功能的機器，如“學習”和“解決問題”。其反映數字時代正確育人方向，能幫助學生學會數字時代的知識積累與創新方法，引導學生用信息科技解決問題。在初中信息技術人工智能單元的教學中，教師要講解其中原理，指導學生利用人工智能分析和解決問題。

一、初中信息技術開發人工智能課程的背景

國務院發布的《新一代人工智能發展規劃》明確指出要實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。在初中信息技術人工智能單元的教學中，教師需要結合學科核心素養的內涵，基于信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任等重點讓學生初步認識人工智能技術以及相關應用，能夠運用簡單的人工智能技術解決現實問題，明確人工智能技術對學習與生活的重要意義，提升使用人工智能技術的責任感與使命感。

二、重視培養計算思維，做好單元課程設計

初中信息技術教學中，培養學生計算思維要先明確計算思維的內容：計算思維是信息技術學科核心素養的重要組成部分，是指個體運用計算機科學領域的思想方法，通過抽象、分解、建模、算法設計等解決問題的思維。在信息技術單元設計中，教師可以結合單元主題內容，提出問題和布置任務，指導學生經歷抽象、分解、建模等思維過程，參與設計算法，形成解決問題的方案，嘗試模擬、仿真、驗證，反思和優化解決問題的方案，并遷移運用解決其他問題[1]。

以閩教版八年級（下冊）第一單元“開源硬件初體驗”為例，為更好地培養學生的計算思維，教師應設計人工智能課程，包括人工智能感知、人工智能語言、人工智能問題求解等。這些課程可以培養學生對人工智能的興趣，指導學生積極參與人工智能應用實驗，更好地運用計算思維解決問題。人工智能感知重點是激發與培養學生對人工智能的興趣，教師可以借助圖文與視頻資料，引入人工智能發展史，介紹人工智能在人臉識別、語音識別、公共安全等方面的應用，使之感受人工智能在生產與生活中的重要價值。在人工智能語言部分，教師要讓學生認識開源硬件及其開發環境，認識micro:bit的硬件和集成開發環境MakeCode，指導學生運用MakeCode編寫簡單的控制程序等，在程序設計中建構計算思維。在人工智能問題求解部分，重點是讓學生通過實驗體驗與嘗試人工智能的應用，如在搭建救援機器人、巡邏機器人等的過程中，嘗試人工智能的應用。整個解決問題的過程有情境體驗、需求分析、程序設計、調試拓展、分享交流、遷移運用等，教師要將計算思維融入各個教學環節，包括基于抽象方式表示數據，設計算法和形成自動化解決方案，總結此類方法和遷移運用到其他領域，通過指導學生自主合作、探究學習，使其在實踐中內化與拓展人工智能知識，更好地培養學生的計算思維。

三、人工智能單元教學的多元化實踐路徑

（一）加強基礎理論教學，打好實踐活動基礎

初中信息技術人工智能單元教學，一般要分為人工智能理論教學和人工智能實踐教學。教師可以根據人工智能理論知識，引入人工智能在生活中的應用產品資料，創設人工智能服務于生活的設計情境，指導學生參與產品體驗、觀察和記錄、總結與提煉等，這樣可以將人工智能的抽象概念轉變為具體形象的內容，為實踐活動打好基礎[2]。

例如，關于人工智能基礎理論，教師需要提前準備豐富的圖文課件與微視頻等資源，將人工智能的概念、研究方法、學科角度、能力角度等內容融入其中，推送導學案，方便學生課前自學。同時，教師應在課堂上創設生動情境，讓學生初步熟悉人工智能。例如，人工智能的研究方法分為結構模擬、功能模擬、行為模擬，教師可以用手機軟件演示人臉識別、語音識別，并提問：這些屬于人工智能的哪類研究？讓學生基于具體應用理解基礎理論。教師還可以展示人工智能其他方面的應用場景，如無人駕駛汽車、圖像識別等，讓學生更好地認識人工智能的價值，增強學生對人工智能的認知程度。教師還可以基于這些背景提問：人工智能如何實現以上功能？引發學生思考，引入開源硬件與開發環境的概念，讓學生認識到在開源電路圖、固件、軟件、元件列表、器件列表、印刷版圖、編程的支持下，可以實現某些功能。教師要重點講解MakeCode集成開發環境、MakeCode的變量與賦值、MakeCode隨機數的產生與應用等的概念，讓學生初步體驗應用，如數碼骰子猜數游戲等。

（二）搭建解決問題支架，分析需求分解程序

基于計算思維的人工智能教學在完成情境體驗部分后，教師需要帶領學生進行需求分析，指導學生搭建解決問題的支架，從局部到整體分析需求，對程序進行分解，從而更好地解決問題與完成任務。

例如，在“搭建救援機器人”的講解中，通過前面的學習，學生已經熟悉本節課的主要任務，基于搭建機器人小車的任務，教師可以提出若干個問題：搭建機器人小車都需要用到哪些開源硬件？這些硬件的原理和作用是什么？如何建立開源硬件和計算機之間的聯系？經過幾分鐘的小組交流，學生可以明確主要用到的是電動馬達、超聲波傳感器等。在教師的指導下，各個小組分解程序：一是搭建機器人小車，二是用數據線連接計算機，三是用串口完成讀取超聲波傳感器檢測到的數據，四是上傳程序實施離線實地測試。在機器人小車中，超聲波傳感器的作用是判讀小車與障礙物的距離是否達到預設值（如6 cm），學生通過編寫程序設定預警距離是6 cm，當超聲波傳感器檢測到距離障礙物距離大于6 cm時，LED屏幕顯示為“√”，否則顯示“×”。做好這個流程能為學生后續做好復雜的程序設計、組織調試優化程序等打好基礎。

（三）基于導圖引導思路，指導做好程序設計

在初中信息技術人工智能單元的教學中，教師還要引入思維導圖、流程導圖等，基于導圖，引導學生建立基本的思路，幫助學生理清編程的思路，指導其做好程序設計，在潛移默化中培養學生的計算思維。教師要提前布置任務與分發套件，指導學生進行基本設計與操作，在讓學生熟悉相關操作之后，再指導學生完善各方面的操作，做好對應的程序設計，提高課程教學的效率[3]。

例如，針對“搭建救援機器人”的教學，完成上述的步驟后，教師要為學生分發機器人套件，要求學生根據教材安裝機器人的步驟，試著對這些機器人的套件進行操作，提醒學生不要插反擴展板，要將LED屏和超聲波傳感器裝在同一側，并檢查各個部件是否連接牢固。教師根據學生自行操作的情況，明確主要任務：搭建裝有超聲波傳感器的micro:bit機器小車，從指定位置出發，自動識別和避開障礙，到達指定位置后執行救援。關于機器人小車運用電機驅動輪子，并實現行走和救援等功能，教師應指導學生設計總體程序：設計簡易救援現場；搭建機器人小車；測試電機；調試小車的直角轉彎；編寫程序，到達兩個救援地點去完成任務；優化程序，完成全部的救援任務。

（四）引導學生合作探究，組織調試優化程序

初中信息技術人工智能單元是人工智能在生活中的簡單應用，教師需要引導學生解決設計中出現的問題。在完成前面一系列的操作后，教師還要引導學生進行合作探究，主要是根據測試的情況在小組中共同參與調試優化程序[4]。

例如，在“搭建救援機器人”的講授中，往往會遇到各種各樣的障礙，涉及直行、轉彎、執行救援等各種任務，在實際場景中往往包括更為復雜的任務。這需要教師指導學生基于編程軟件，熟練運用“實時模式”和“上傳模式”，并注重測試超聲波傳感器。如在“實時模式”中，教師可讓學生拖出“當綠旗被點擊”指令，拖出“說你好”指令銜接，將“讀取P1、P2超聲波距離（cm）”指令置于“說你好”模塊，打開小車的開關，點擊進行綠旗測試。在測試的過程中要注意電池的電量，如果電量不足則讀取值是0。教師還要指導學生編寫測試程序，用以觀察超聲波傳感器獲得的距離值與顯示的LED圖案是否和程序設計運行結果一致。教師要根據各個小組的測試情況、調試優化的結果等，做好整理與統計，為后續的歸納總結打好基礎。

（五）分組展示實踐成果，歸納總結提升思維

在完成相關設計與操作之后，教師還要讓學生分組展示各自的實踐成果。教師先讓各個小組進行自主評價，再讓各個小組進行互相評價，要求說出優點與說明不足。教師需要根據最后的結果，結合各組學生參與交流與探討、實踐與操作的過程及在過程中體現出的態度等分別打分，然后將分數輸入評測軟件，得到一個最終的數值，根據這個數值進行評價。教師需要多鼓勵與表揚學生，做好歸納總結工作，通過設置拓展性任務，要求各小組參與思考，以此提升學生的計算思維[5]。

例如，完成“搭建救援機器人”的課程后，各個小組代表分別展示各自的救援機器人，主要測試是否能夠按照指令行動，是否到達多個救援地點，是否能夠越過各類障礙，是否能夠靈活執行轉彎等。根據各組展現的結果，教師先讓各個小組自行評價，根據設計與操作的過程與結果，說明本組的優勢與不足。接著，各小組需要互相進行評價，同樣需要以公正的態度對其他小組進行點評。教師對各組救援機器人的演示結果、設計過程、體現態度等進行綜合打分，實施綜合、科學、系統評價，對表現一般的小組進行鼓勵，對做得好的小組實施獎勵。

（六）布置課后實踐任務，實現知識遷移運用

基于初中信息技術人工智能單元的教學，能夠有效培養學生的計算思維，讓學生學會基本編程與相關操作。教師還要布置課后實踐任務，根據相關課程主題內容，要求學生基于已學知識和已有經驗，用所學的技能進行程序設計與相關操作，實現對知識的遷移運用。

例如，在“開源硬件初體驗”“搭建巡邏機器人”的教學中，教師讓學生自由選擇其中一個項目，發揮小組合作的力量，運用所學的人工智能理論知識與實操技能，參與程序設計、動手操作等，完成相應的任務。基于這些課程主題內容，教師需要提前設計與制作輔助學習資源，提供相應的傳感器等器材，要求學生分組參與交流與探究，共同商討設計方案，規劃科學的創作流程，在規定的時間內完成相應的任務。教師需要根據各組的展現結果進行點評，指導學生進行調試和完善。

結 語

綜上所述，在初中信息技術開發人工智能課程的背景下，教師需要明確計算思維等核心素養的內涵，將計算思維貫穿于單元設計的各個環節，形成多元化的教學策略，引領學生體驗情境、分析需求、設計程序、合作探究、分享交流等。在具體教學中，我們遇到了資源不足、較難統籌過程等問題，因此，需要重點優化。相關教師要根據基本學情落實相關教學策略，以此增強人工智能單元教學效果，更好地培養學生計算思維等核心素養。