人工智能課程：計算思維培養的優質載體

張屹 劉金芳 賈杰

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》指出，要圍繞數據、算法、網絡、信息處理、信息安全、人工智能六條邏輯主線，設計義務教育全學段內容模塊，組織課程內容，培養中小學生信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個方面的核心素養。“智能導航”是筆者自主開發的聚焦小學生計算思維培養的人工智能課程，課程內容依據計算思維的概念、實踐和觀念三個維度設計，教學方案采取將計算思維要素融入項目式學習活動的設計思路。

“智能導航”項目式學習共8個課時，教學對象是華中師范大學附屬小學四年級兩個自然班的學生。教學后，筆者借助國際Bebras測試題和自主編制的調查問卷，測評學生計算思維的發展水平。測評結果表明，學生的計算思維概念、計算思維實踐和計算思維觀念均有所提高。

一、前端分析

1.內容分析

“智能導航”課程選自張屹教授主編的《人工智能·計算思維》系列教材。該教材結合我國2021年頒布的《中小學人工智能課程開發標準（試行）》以及美國中小學人工智能教育指導工作組（AI4K12）發布的適用于中小學人工智能教育的概念等，從智能感知、表示與推理、機器學習、人機交互、社會影響五個方面規劃與設計課程內容。其中，“智能導航”屬于“表示與推理”概念下的內容。該課程巧妙地以規劃觀鳥路線活動，引領學生探究智能導航技術背后的算法原理，讓學生通過自主設計一個模擬智能導航創意機器人，學習環境建模、貪心算法、枚舉算法、選擇算法等，以培養并發展學生的計算思維。

該課程包含四節內容：第一節“環境建模? 抽象地圖”引導學生通過建構濕地公園的模型圖示，理解環境建模的要點，發展抽象思維；第二節“貪心算法? 規劃路線”引導學生通過在模型圖示上計算最短觀鳥路線，掌握貪心算法的原理與表示方法，學會以“一筆畫”（從起點到終點不走重復路的路線）規劃觀鳥路線；第三節“枚舉算法? 路線優化”引導學生通過分析多條觀鳥路線，學會規劃路線的枚舉算法，掌握最優路線的原理與計算方法；第四節“路線選擇? 智能導航”引導學生通過設計實現交互選擇功能的模擬智能導航機器人，掌握選擇算法的概念與設計方法，探索智能導航技術的奧秘，體會人工智能技術給生活帶來的便利。

2.學習者分析

該課程內容實踐性強，學習該課程內容前，學生需要掌握人工智能的基本概念，熟悉Mind+軟件的基本操作。教師要在教學中關注學生掌握算法設計一般步驟的情況，以及操作Mind+軟件時遇到的問題。

3.教學目標和重難點分析

基于以上分析，筆者將該課程的教學目標梳理如下：①知道環境建模的要點和步驟；②掌握貪心算法的概念，計算最短路線；③運用枚舉算法比較各條路線的優缺點，掌握算法的適用情境；④掌握算法設計的一般步驟，編寫實現交互選擇功能的算法；⑤體會技術使路線規劃更智能，培養對人工智能的興趣。其中，教學重難點是環境建模的概念及運用，貪心算法、枚舉算法、選擇算法的概念與編寫原則，設計“一筆畫”路線，理解貪心算法得到的結果不一定是最合理的。

二、項目化設計與實施

項目式學習鼓勵學生基于真實、完整的任務情境展開探究，通過自主探究與合作學習將抽象的知識與現實問題聯系起來，通過解決問題掌握知識、原理與方法等。本研究采用項目式教學模式，創設了“設計實現交互選擇功能的模擬智能導航機器人”的大任務，并將這個大任務分解成“地圖大變身、規劃最短觀鳥路線、一筆畫出觀鳥路線、設計實現交互選擇功能的算法”四個子任務。

任務一：地圖大變身

環境建模的目的是建立一個便于計算機規劃路線的模型圖示，這是智能導航機器人規劃路線的重要前提。在本任務中，教師首先帶領學生完成“地圖大變身”游戲，讓學生從復雜的濕地公園地圖中提取關鍵信息，以觀鳥景點為節點，以景點之間的道路信息為路線信息，根據任務單中的提示“一個景點用一個標注字母的圓圈表示，景點之間的一條路用一條線段表示，路的長度用數字標注在線段旁邊”，將實際的地圖抽象、簡化，制作出觀鳥地圖的模型圖示（如圖1）。

這個建模過程很好地培養了學生的抽象能力，落實了計算思維實踐維度目標。

任務二：規劃最短觀鳥路線

貪心算法能夠幫助學生找到當下最短的觀鳥路線。基于觀鳥地圖的模型圖示，教師引導學生參與“貪心”偵察員游戲——偵察員從景點A出發，偵察到與景點A之間距離最短的景點B，找出A和B之間的最短路線，抵達景點B；再一次偵察，發現到景點B路線最短的是景點D，找出B和D之間的最短路線，抵達景點D。依此類推，教師逐步引導學生用貪心算法規劃觀鳥路線，明晰貪心算法的設計原則，以此培養學生的順序概念，落實計算思維概念維度目標。

任務三：一筆畫出觀鳥路線

運用枚舉算法解決問題時，計算機會對所有可能的情況進行檢驗、比較。在這個任務下，學生通過討論分析，枚舉出所有的觀鳥路線。教師引導學生填寫如表1所示的學習任務單，計算觀鳥路線的總長，在模型圖示中畫出整個路線，并以小組為單位比較各條路線的優缺點。由此，學生理解了一筆畫出的路線是最短的觀鳥路程，發展了調試、迭代、批判思維，進一步落實了計算思維實踐維度目標。

學生學會一筆畫出觀鳥路線后，將其命名為路線1；根據實際需要再選擇另一條觀鳥路線，將其命名為路線2。隨后，教師先引導學生在Mind+軟件上編寫路線1和路線2的算法腳本，以此培養學生的分解思維；接著引導學生使用“選擇模塊”實現觀鳥路線的選擇功能，使機器人能夠分別按照路線1或路線2行走，以此培養學生的條件與事件概念。這樣教學，促進了學生實踐維度和概念維度的計算思維目標的達成。

任務四：設計實現交互選擇功能的算法

在前面的學習中，學生已經學會設計實現選擇功能的機器人。為培養學生的遷移能力，教師教學時注重引導學生自主遷移已有的知識解決新情境下的問題，完成個性化路線設計的創意任務。在教師的引導下，學生先在任務單上編寫參觀圖2中每個景點的路線腳本，然后設計實現交互選擇功能的算法，并在Mind+軟件上編寫自己的創意算法，最后與同學分享自己的創意。在這個過程中，學生使用選擇算法實現不同的計算機命令，不僅收獲了算法知識，實現了自己的創意，還增強了對運用計算機算法解決實際問題的價值體驗，有利于落實計算思維觀念維度目標。

三、教學評價與結果分析

本研究根據“智能導航”案例改編Bebras測試題，從計算思維概念、計算思維實踐、計算思維觀念三個維度設計了前測問卷和后測問卷。

1.Bebras測試題分析

Bebras國際計算思維測試題主要用來測評計算思維概念維度與實踐維度的水平。本研究根據“智能導航”課程主題，從已有的測試題中遴選合適的題目，測試小學生分解、抽象、算法、調試與一般化等計算思維發展水平。例題如下：

天天要去游樂園，當他走到一個交叉路口時，看到一個箭頭標志，于是朝箭頭所示的方向走去。但是，五個箭頭標志中的三個都被大風刮倒了（如圖3所示）。請你幫助天天選擇去游樂園的一組箭頭標志，下面哪一組是正確的呢？（? ）

A.①②③?? B.①②③??? C.①②③?? D.①②③

→ ← ↑?? ← ↑ →?? ↑ → →?? ↑ ← →

本測試題是學生學習環境建模知識后，測評學生計算思維概念水平的試題，考查學生能否將生活中的地圖抽象成模型圖示，以及對箭頭的不同指向代表實際生活中不同路線行進方向的理解水平。其參考答案是A。

2.問卷測試題分析

本研究根據黃國禎和Brennan（布魯南）設計的計算思維概念、計算思維實踐與計算思維觀念的成熟量表，結合實際教學經驗，編制計算思維問卷前測試題和后測試題。測試題全部采用李克特五級量表。

在計算思維概念方面，問卷試題示例如下：①我知道觀鳥路線是按照步驟規劃的（順序概念）；②我知道觀鳥機器人可以走不同的路線（選擇概念）等。在計算思維實踐方面，問卷試題示例如下：①我能夠將一個大的任務分解成多個小任務（分解思維）；②我能夠將生活中的地圖轉變成由圓圈和線段組成的圖示（抽象思維）；③我能夠改正錯誤的算法（調試思維）等。在計算思維觀念方面，問卷試題示例如下：①我能夠將自己的想法表達出來（表達觀念）；②我可以和同學合作完成學習任務單（合作觀念）等。測評結果表明，學生學習人工智能課程后，在計算思維概念、計算思維實踐和計算思維觀念方面都發生了變化，三個維度上的后測均值均高于前測均值。

本研究通過制作前后測雷達圖進一步分析學生對計算思維概念、計算思維實踐、計算思維觀念的各個要素的掌握程度（如圖4所示，藍色線條表示前測，橘色線條表示后測）。結果顯示，學生在計算思維三個維度各個要素上的得分均值均有一定水平的提高。

中小學人工智能課程的開設與教學，既是信息科技課程標準提出的要求，也是教育發展的必然趨勢。本研究遴選的“智能導航”課程主題貼近四年級學生的學情特點，課程內容設計以引導學生完成設計智能導航機器人的學習任務為明線，以培養學生了解和應用人工智能導航技術與原理為暗線，以項目式學習為教學模式，基于真實問題情境培養了小學生的計算思維。

（作者單位：華中師范大學人工智能教育學部）