走進人工智能　激活計算思維

楊向勇　常林海

摘? ?要：《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》聚焦培養(yǎng)學(xué)生的信息學(xué)科核心素養(yǎng)。對于一線教師而言，如何在日常的教學(xué)實踐中，將培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)落到實處，始終沒有太大突破。為此，教師嘗試通過課堂三環(huán)節(jié)即抓科技熱點，提信息意識；重算法設(shè)計，強計算思維；磨信息作品，增信息責(zé)任及算法三步驟即自己清楚——原理運用過程；機器清楚——計算思維過程；他人清楚——數(shù)字化工具應(yīng)用過程，將學(xué)生的信息學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)落實到每一節(jié)課的教學(xué)實踐中，取得了良好的效果，學(xué)生的信息素養(yǎng)有所提升。

關(guān)鍵詞：中學(xué)信息科技教學(xué)；信息意識；計算思維；信息社會責(zé)任；真實性學(xué)習(xí)

中圖分類號：G633.67? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2023）29-0004-03

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課標(biāo)》）提出信息科技課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任。《課標(biāo)》倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)，即以真實問題或項目為驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，由此建構(gòu)知識，提升問題解決能力。

目前，我國中學(xué)生信息學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)主要通過信息科技課程進行，且主要圍繞辦公軟件、編程軟件和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等基礎(chǔ)性知識內(nèi)容展開。課堂教學(xué)主要通過操作演示結(jié)合簡單上機練習(xí)來實現(xiàn)，這既枯燥乏味又脫離實際生活情境，因此難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，且學(xué)生進行思維反思和實踐探究的機會比較少，這導(dǎo)致一些學(xué)生對信息科技的內(nèi)涵與外延無法準(zhǔn)確理解，對信息科技知識的探究也只是淺嘗輒止，甚至學(xué)生的信息意識、計算思維也無法得到有效培養(yǎng)。現(xiàn)筆者以“進制轉(zhuǎn)換小能手”一課為例，來分享如何通過課堂三環(huán)節(jié)、算法三步驟把學(xué)生的信息學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)落實到每一節(jié)課的教學(xué)實踐中。

一、培養(yǎng)信息學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂實踐

以下為課堂三環(huán)節(jié)，即課堂的導(dǎo)入、講授和升華，具體介紹如下：

（一）環(huán)節(jié)一：抓科技熱點，提信息意識

本課源自河北人民出版社《信息技術(shù)》（2021版）8年級第二單元第15課的第2課時“二進制轉(zhuǎn)十進制”。掌握二進制轉(zhuǎn)十進制的原理并能通過編程實現(xiàn)進制轉(zhuǎn)換是本節(jié)課的重點和難點。

在初中信息科技教學(xué)中，教師需要結(jié)合學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，基于信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任等，重點培養(yǎng)學(xué)生初步認(rèn)識人工智能技術(shù)以及相關(guān)應(yīng)用，并使其能夠運用簡單的人工智能技術(shù)解決現(xiàn)實問題，如此既可使學(xué)生明確人工智能技術(shù)對學(xué)習(xí)與生活的重要意義，又可提升學(xué)生使用人工智能技術(shù)的責(zé)任感與使命感。所以本節(jié)課筆者圍繞人工智能創(chuàng)設(shè)了一個真實的學(xué)習(xí)情境，即讓學(xué)生先體驗人工智能對話機器人——訊飛星火大模型，然后再帶領(lǐng)學(xué)生一起創(chuàng)作自己的智能機器人，由此可激發(fā)學(xué)生用信息科技去解決生活中問題的欲望，并提升信息意識。

首先以教師的困擾為例引入本節(jié)課：“五一假期是大家休息放松的好機會，但教師的假期卻是在困擾中度過的。教師有什么困擾呢？這些困擾教師是如何解決的呢？解決的效果怎么樣呢？教師尋求了訊飛星火大模型的幫忙，它可以解答教師提出的所有問題。同學(xué)們，你有什么困擾呢？可以嘗試讓訊飛星火大模型來幫忙。”課堂上邀請學(xué)生體驗人工智能機器人，這會深深吸引學(xué)生，把學(xué)生帶入人工智能的世界，進而可實現(xiàn)沉浸式學(xué)習(xí)。

“人工智能的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，本質(zhì)是計算，核心是算法。所以只要掌握了編程知識咱們也可以開發(fā)自己的智能機器人。想不想和教師一起來挑戰(zhàn)一下？”由此點燃了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。從何處著手呢？可先從基礎(chǔ)的二進制轉(zhuǎn)十進制開始做起。因為人類用的是十進制，機器用的是二進制，要想實現(xiàn)人機交互首先要完成進制轉(zhuǎn)換。這樣就把教材內(nèi)容作為一個真實任務(wù)融入到教學(xué)情境中了。

（二）環(huán)節(jié)二：重算法設(shè)計，強計算思維

《課標(biāo)》中計算思維的培養(yǎng)是通過引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程來實現(xiàn)的。在課堂教學(xué)中，筆者通過“三個清楚”來落實這三個過程，分別是自己清楚、機器清楚、他人清楚，也是就算法三步驟。

1.步驟一：自己清楚——原理運用過程。自己要清楚二進制轉(zhuǎn)十進制的原理，這是本節(jié)課的難點，對比教師可通過類比十進制來講解。教師在黑板上書寫985，請學(xué)生們說出這三個數(shù)字表示的十進制數(shù)是多少？表示的十進制數(shù)是九百八十五，為什么是九百八十五呢？因為9在百位，8在十位，5在個位，從而引出位權(quán)概念。十進制數(shù)值是各個數(shù)位上的值乘以位權(quán)值加起來，二進制轉(zhuǎn)十進制也是這個原理，比如1101，它對應(yīng)的十進制數(shù)是1×23+1×22+0×21+1×20=13.

通過講解，學(xué)生知道了轉(zhuǎn)換原理，但比較生疏。為了幫助學(xué)生們熟悉二進制轉(zhuǎn)十進制，筆者設(shè)計了一個游戲環(huán)節(jié)：教師邀請4名學(xué)生上臺，并站成一排，代表4位二進制數(shù)。然后教師說開始，這四名學(xué)生可以隨機舉右手，舉手表示1，不舉手表示0，然后其他學(xué)生快速說出這個二進制對應(yīng)的十進制數(shù)。剛開始學(xué)生不能很快說出二進制數(shù)對應(yīng)的十進制數(shù)，是因為學(xué)生對二進制各個數(shù)位的位權(quán)不熟悉。對此教師為學(xué)生準(zhǔn)備了輔助工具，在牌子上寫上了四位二進制數(shù)對應(yīng)的位權(quán)值，然后讓學(xué)生以舉牌子代替舉手，此時學(xué)生就可以熟練說出二進制數(shù)對應(yīng)的十進制數(shù)了。接下來把輔助工具去除，學(xué)生也能快速計算并說出二進制對應(yīng)的十進制。通過游戲，學(xué)生不僅掌握了二進制轉(zhuǎn)十進制的原理，更能快速計算出4位二進制如何轉(zhuǎn)十進制。

2.步驟二：機器清楚——計算思維過程。當(dāng)學(xué)生都掌握了二進制轉(zhuǎn)十進制的原理和運算方法后，下面要“教會機器，讓機器清楚”，即通過編程來實現(xiàn)二進制轉(zhuǎn)十進制。為此教師首先會出示一個二進制數(shù)1101，并把它轉(zhuǎn)為十進制，然后通過“你以為的運算過程”和計算機的運算過程做對比讓學(xué)生感受到計算機的編程運算和人的數(shù)學(xué)運算存在巨大差異，這就要求學(xué)生能站在機器的角度去分析問題、解決問題。

對此筆者設(shè)計了一個“開盲盒”游戲，讓學(xué)生在游戲中體會機器是如何運算的：筆者出示一個盒子，在里面放置若干個小球，有的小球上面寫1，有的小球上面寫0。把盒子蓋好，盒子只有左邊開口，可以讓小球進出。請學(xué)生們給出把盒子里面的小球表示的二進制數(shù)轉(zhuǎn)成十進制數(shù)的方法。學(xué)生面對“盲盒”需要解決以下幾個問題：如何取出小球？怎么知道每個小球?qū)?yīng)的位權(quán)值？什么時候停止取球？

這個“盲盒”就代表一串字符串存儲在機器中，然后讓學(xué)生觀察Kitten程序，了解該程序?qū)ψ址梢赃M行哪些運算。學(xué)生可以找到有獲取字符長度的積木、有提取字符串第幾個字符的積木、有把字符串中的字符轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)的積木。教師可以先獲取這個字符串的長度，并用變量n來記錄；接著逐一從字符串中取出字符并轉(zhuǎn)換為數(shù)字型，繼而用當(dāng)前位置數(shù)來記錄；然后把當(dāng)前位置數(shù)乘以對應(yīng)的權(quán)值加起來。其中逐一取字符串中的字符也需要定義一個變量來記錄，算完一邊重復(fù)執(zhí)行，直到m=0為止。

此時學(xué)生就會意識到，同一個運算在人和機器的“眼中”是不一樣的。一組數(shù)據(jù)存儲在機器中就像放入“盲盒”，對于“盲盒”中的內(nèi)容，機器做不到“心中有數(shù)”，只能通過各種手段去檢測，比如可以“掃描”出“盲盒”中有幾個字符；可以“網(wǎng)開一面”把各個字符挨個取出；每一步操作都需要進行專門的記錄，并以此為下一步操作做準(zhǔn)備，一旦制定好運算規(guī)則機器重復(fù)執(zhí)行的能力是很強的。只有站在機器的角度去思考，繪制的流程圖才是可行的，才能做到讓機器清楚，進而讓學(xué)生在體驗計算機解決問題的過程中，發(fā)展計算思維核心素養(yǎng)。

3.步驟三：他人清楚——數(shù)字化工具應(yīng)用過程。由自己清楚到機器清楚，代碼就呼之欲出了。此時教師給學(xué)生滲透編程的幾個要點，即編程首先考慮的是程序功能的實現(xiàn)，接著要考慮程序運行的高效，最后是程序編寫的規(guī)范、簡潔，要有可讀性，以讓他人能看得清楚。因為復(fù)雜的程序往往需要多人協(xié)作完成，程序編寫規(guī)范、簡潔，讓他人能看清楚，就可以讓多人協(xié)作更流暢。這不僅是一個好的編程習(xí)慣，更是信息素養(yǎng)的體現(xiàn)。

這就是算法三步驟，學(xué)生通過算法三步驟完成程序的編寫，在編程過程中做到了自己清楚、機器清楚和他人清楚，經(jīng)歷了原理運用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，最終提升了計算思維核心素養(yǎng)。

（三）環(huán)節(jié)三：磨信息作品，增信息責(zé)任

教師提問：“大家智能程序做好了，請同學(xué)們對比自己做的智能程序與訊飛星火大模型有什么區(qū)別？”學(xué)生們會說功能太少了。此時教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生見賢思齊的態(tài)度，即對標(biāo)強者找差距、析原因、定措施，然后迎頭趕上。“訊飛星火大模型為什么強大，是因為有開發(fā)團隊在對它不斷完善，如何完善呢？訊飛星火大模型面向全國發(fā)布，供大家免費使用，開發(fā)團隊會收集使用中遇到的問題，然后不斷改進。咱們也可以效仿用智能程序去幫助身邊的人，每幫助別人解決一個問題，程序功能就會增加一分。”

在上述課堂三環(huán)節(jié)中，筆者通過抓科技熱點，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的信息意識；在講授新課時重視算法設(shè)計，加強對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)；最后帶領(lǐng)學(xué)生一起打磨信息作品，增強學(xué)生利用信息技術(shù)服務(wù)社會的信息責(zé)任感。

二、課堂實踐反思

縱觀本節(jié)課，筆者通過課堂三環(huán)節(jié)、算法三步驟來培養(yǎng)學(xué)生的信息學(xué)科核心素養(yǎng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果如何呢？在程序完善環(huán)節(jié)，教師出示了“質(zhì)數(shù)判斷”“對話十二生肖”“公元紀(jì)年轉(zhuǎn)干支紀(jì)年”三個問題，學(xué)生通過小組討論都能給出合理的解決方案。這說明學(xué)生已徹底理解了二進制轉(zhuǎn)十進制的轉(zhuǎn)換原理及程序運行過程。在編寫“對話十二生肖”“公元紀(jì)年轉(zhuǎn)干支紀(jì)年”程序時有意識地去對程序進行優(yōu)化，這都是學(xué)生信息素養(yǎng)提升的表現(xiàn)。

【責(zé)任編輯 韓梁彥】