基于计算思维培养的 小学人工智能初步校本课程实践

魏丽端 方瑶捷

2019年年底，《厦门市教育局关于开展义务教育阶段学校人工智能教育试点工作的通知》出台，指出为加快推进义务教育阶段学生人工智能普及教育，将组织100所学校先期探索人工智能教育的途径和方法，鼓励学校综合考虑学生的心智发展水平、年龄特征，探索开发人工智能校本课程。笔者所在学校有幸成为其中的一所试点校。因为是第一次开展，一系列的问题摆在了我们面前：人工智能是什么？该课程要培养学生哪些方面的能力？如何根据目标开发适合本校学情的人工智能校本课程？该选择什么教学模式、教学策略实施课程？基于以上问题，学校开展了“基于计算思维培养的小学人工智能初步校本课程开发研究”。从人工智能发展和应用角度来看，信息技术学科是人工智能初步校本课程的“基石”。因此，作为信息技术学科核心素养之一的“计算思维”理应是人工智能初步课程的学科核心素养之一。学生通过该课程的学习，也能更好地发展计算思维能力。

● 课程内容的选择

明确了人工智能初步校本课程的目标之后，开学初，笔者通过对学生问卷调查了解到：学校四年级学生65.97%有一定的编程基础，34.03%没有;学生对人工智能课程非常感兴趣，更喜欢在教师的指导下开展小组合作学习;学生希望通过该课程获得多方面能力的发展，尤其是实践创造能力。

立足实情，笔者先组织学生学习了四个课时的图形化编程，缩小学生间的基础差距。在参考华东师范大学出版社的《AI上智慧生活》一书的基础上，通过反复磨课，并进行自主课程选择、改编和补充性开发，最终以教学方案形式形成了具有学校特色的人工智能初步校本课程。内容包括《人工智能简介》《有趣的编程1～4课》《初识智慧生活》等系列主題课。

● 教学模式的选择

“学习的本质”应是促进学生深度思考，发展多种思维，培养问题解决能力。项目化学习能够还原学习的本质。在项目化学习中，学生能联系真实生活发现问题，再通过教师提供的一系列脚手架进行探究合作，从而解决具有开放性、综合性、挑战性、指向核心素养的驱动性问题。参考《重新定义学习：项目化学习15例》，笔者在学生学完人工智能的一些事实性知识后，组织学生开展项目化学习活动，切实有效地帮助学生整合、提升学科知识，培养学生的计算思维能力。

● 项目化学习案例分析

1.项目设计，提出驱动性问题

（1）项目简介

本项目让学生聚焦日常居家生活，通过互动讨论居家生活中遇到的问题，提出“智”造家具方案，创造性地借助人工智能工具设计制作家具模型，形成对问题智能化解决的初步解释。

（2）驱动性问题

智能家具给我们的生活带来了极大的便利。但实际上还有很多家具并没有智能化，还有很多不便之处。如何为居家生活设计一个智能化家具，让我们生活变得更美好？

（3）知识与技能要点

认识亮度传感器、温湿度传感器、声音传感器、触碰传感器的原理、功能、用途;能结合各种传感器的功能，在分析家具结构的基础上，搭建、写流程图、编程。

（4）核心素养的培养

①计算思维：界定问题——能联系日常居家生活，思考哪些家具可再“智”造，以解决日常居家生活问题。分析数据、抽象建模——能将复杂的居家生活问题抽象约简为简单的可计算的问题。算法设计——能绘制智能化家具智能化的流程图并编程实现。评估最优方案——在不断“试错”的过程中，获得家具智能化的最优解决方案。迁移运用——学会将“智”造家具问题的解决方法迁移到其他问题中。

②信息意识：能够根据解决居家生活问题的需要，自觉、主动地寻求人工智能方法分析、解决问题;在合作解决问题过程中，愿意与小组成员共享信息。

③数字化学习与创新：在设计制作智能家具模型的过程中，能探究合作学习各种传感器的原理、功能、用途，并灵活甄选合适的传感器，创造性解决家具“智”造问题。能通过UMU互动平台开展自主探究、合作学习与知识分享。

④信息社会责任：培养学习人工智能课程的兴趣;感受并增强人工智能技术服务于生活的责任感。

2.项目实施，培养计算思维

本项目活动共计8课时，具体教学安排如下。

（1）项目引入阶段

教师活动：以教师晨起喝不上温水的困扰，想拥有一个智能水壶为例，引出问题“你能根据遇到的问题，设计创作一个智能化家具，让我们的居家生活更美好吗？”并组织学生填写问题单，展示问题单。

学生活动：交流讨论，填写问题单。

（2）探究合作阶段

教师活动：组织学生结合前面所学的红外测距传感器、超声波传感器的方法，学习亮度传感器、温湿度传感器、声音传感器、触碰传感器的原理、功能、用途。引导学生结合各种传感器的功能、问题单，在UMU平台上设计“智”造家具活动方案。

学生活动：小组合作探究学习亮度传感器、温湿度传感器、声音传感器、触碰传感器的原理、功能、用途。在UMU平台上设计活动方案。

（3）解惑释疑阶段

教师活动：组织学生明确项目活动评价量规;组织学生小组合作搭建智能家具模型;组织学生绘制流程图，并反馈问题;组织学生在uKit EDU软件上编写程序，反馈调试，实现家具的智能化。

学生活动：小组合作，搭建智能家具模型，写出算法流程图。并编写程序，实现家具的智能化。

（4）成果评价阶段

教师活动：组织学生根据项目成果展评要求进行展评，并说出收获与反思。并根据项目评价量规，组织学生自评、互评，对学生学习过程进行综合评定。

学生活动：根据展评要求介绍“智”造家具过程与作品，说一说收获与反思。

3.项目成效及反思

①真实情境中学习，培养界定问题能力。在项目引入阶段，学生能结合亲身经历，在问题单中写出生活中遇到的真实问题。例如，A队学生的问题：“平时在家看书，经常看着看着，眼睛距离书本越来越近。因此，想改造台灯，希望台灯能辅助提醒、纠正看书的姿势”。B队学生写阳台外的晾衣架遇到下雨天无法自动回收，想改造晾衣架，使其遇到下雨能自动收回屋檐下，晴天自动伸出屋檐……通过本环节，学生学会将学习与生活建立联系，从生活中发现、提出自己感兴趣的可研究性问题，并提出自己的想法。

②探究合作中学习，培养组织分析数据、抽象建模能力。在探究合作学习阶段，因为学生前面已经学了红外测距传感器、超声波传感器的原理及使用方法。因此，教师引导学生知识迁移，认识亮度传感器等传感器的原理，探究如何通过传感器读数读取当前环境下各种参数的变化，并结合“如果…执行…，否则执行…”功能块简单应用传感器。

为了考查学生是否真正理解传感器的功能，能否运用简单的人工智能方法解决生活中遇到的问题，教师让学生根据已学知识技能，在UMU平台上填写“智”造家具活动方案。该环节，学生需要综合考虑如何借助目前所掌握的知识技能，通过分析、抽象“智”造家具结构与功能，采用自动化技术实现家具的智能化。很明显，学生的组织分析数据、抽象建模能力进一步提升了。

③不断试错中学习，发展计算思维能力。程序流程图可以很好地展现学生解决问题的思维过程，并影响后续编程以及自动化方案能否实现。刚开始，有些学生写出来的算法流程图是错误的;有些学生只会用口头说出自己的想法。于是，教师采用范例教学法，引导学生学习如何绘制流程图。在此基础上，让学生探究合作编写图形化程序。为检验逻辑思维过程是否正确，学生还必须不断反馈调试。

反馈调试过程，其实就是学生发展逻辑思维、批判思维的过程。例如，有一小队的学生，在绘制流程图和编写的程序时提出疑问：“老师，我一时对着声音传感器大喊，灯不亮啊？”教师经过检查，发现学生对理解存在问题。教师反问：“‘教室里安静得一点声音都没有是声音强度值大于100还是小于100？”学生回答：“小于100。”教师继续追问：那将“‘教室里安静得一点声音都没有放到判断框中，什么意思？”学生答：“如果‘教室里安静得一点声音都没有执行亮灯，否则关闭眼灯。”学生突然顿悟，将程序流程图和编程错误的地方都修改了。

● 多元性评价中推动项目化学习

在本项目落实培养学生的计算思维的过程中，学习评价量规起到了功不可没的作用。教师一方面借助班级优化大师对学生的探究学习、团队合作进行过程表现性评价，另一方面借助本校人工智能初步计算思维能力评价表（如上表）推进学生学习进程，以及落实项目化学习成果的综合评定。

● 结束语

人工智能校本課程的开发实践研究过程好比学生项目化学习过程。虽然，目前学校还处于初级探索阶段，但相信历经剥茧抽丝、披沙拣金后，定能形成一套具有本校特色的人工智能初步校本课程，使学生受益无穷。