小学人工智能与信息技术学科计算思维培育的实践研究

陈伟琦

(福建省厦门市新翔小学 福建 厦门 361000)

计算思维(Computational Thinking)作为中小学信息技术学科核心素养之一，是当前信息化社会中数字原住民所应具备的基本素养。目前，我国的计算思维研究仍处于早期，对计算思维能力的研究较少，而随着教育信息化2.0的到来，更多的人意识到计算思维已经成为每个学生都必须掌握的思维能力。在小学人工智能课堂中，着重强化培育学生的计算思维，才能更好让学生掌握人工智能、编程知识，以适应未来信息时代的需求。

1.计算思维的内涵

计算思维是由美国卡内基·梅隆大学周以真教授首次提出的概念，她指出随着数字化时代的到来，计算思维应当和阅读、写作及算术一样，成为每个人的一项基本技能。计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。

2.小学人工智能课堂

为全面贯彻落实国务院《新一代人工智能发展规划》精神，促进中小学人工智能应用和普及水平稳步提升，人工智能开始走进中小学信息技术课堂中。笔者所在的厦门市于2020年起开设人工智能教育试点工作，截至目前，该工作已在试点学校的试点年级中开展了一年的人工智能教学实践研究。

3.人工智能课堂的三维目标与计算思维的三维框架

为了直观展现小学人工智能课堂的计算思维培育目标，笔者参考2012年美国麻省理工学院终身幼儿园研究小组提出的计算思维的三维框架，结合小学信息技术三维目标，整理了以下基于计算思维的三维框架的教学目标。(1)计算概念，即知识与技能：含电子器件、编程语句、数据运算等；(2)计算实践，即过程与方法：含混合编程、抽象思维、实用原则、调试运行等；(3)计算观念，即情感态度价值观：含创意表达、沟通协作、理解反思等。

4.在人工智能教学中培养学生计算思维的措施

4.1 化碎为整，在知识迁移中掌握计算概念。

4.1.1 自然语言，具象化程序逻辑。自然语言就是我们日常生活中习惯运用的与人交流的语言[2]。在《AI在智慧生活》中，积木可借助uKit EDU编程软件(一款移动设备APP)来使积木变成可执行人工智能指令的各类机器人。uKit EDU是一款针对青少年所设计的机器人搭建、编程和遥控的教育软件，它具备图形化编程、动作编程和多功能遥控器等工具，让学生可以自由拼搭机器人模型，并根据自己的想法编程设计。而《AI在变形工坊》是《AI在智慧生活》的拓展与提升，其积木替换为以主板为控制器的uKit Explore套件，同时软件也开始使用计算机编程软件uCode进行程序撰写。

最开始接触人工智能时，学生可以从《AI在智慧生活》入手，并尝试使用较简单的uKit EDU编程软件。但是在初期，学生尚未形成程序语言的意识，所以在教学中需要在初学阶段引导学生运用“造句”等方法，来描述编程的过程，使程序语言具象化。“智能台灯”是孩子们制作的第一款人工智能模型，孩子们要让机器人自动根据声音传感器收到的音量大小，来调节眼灯的开与关。因此，课堂上教师就要引导学生关注到数值大小对比、“如果执行”等代码块，随后引导学生“造句”，用尽可能详实、规范、准确的自然语言将这一过程表述出来，让学生更好了解本堂课所学习的传感器和执行器的具体功能，同时为更好完成后续的编程设计奠定基础。

当学习者能将简单的自然语言具象为程序后，老师就可以引导学生自主学习uCode等其他编程软件。同时，教师可以根据学生的知识掌握情况、能力水平等因素，做好“分层教学”：让一些掌握较好的学生利用兴趣班或延时服务，进一步探索“悟空机器人”“优创未来”“绿茵小将”等其他人工智能学习项目。

4.1.2 学科融合，技巧化编程应用。一直以来，信息技术是学生获取知识和技能的重要工具，对学生的学科学习也有重要作用。在小学课堂中，人工智能与学科知识也势必要融通共进。在《AI在智慧生活》“我的智慧花园”一课中，教师可以引导学生回忆科学课中所学习的知识——向日葵之所以“向日”是因为生长素，进而对比机械向日葵要满足“向日”的要求同样也需要“生长素”，而这一“生长素”就要运用亮度传感器来模拟。横向的知识迁移，让学生更好理解亮度传感器的作用。此外，在编程教学中，学生已经学习了一个传感器数值与定值的对比，但还未学习两个传感器数值之间的比较，所以上课时以“智能台灯”或“智能风扇”为点例，引导学生发现可以将其中的定值替换为另一个传感器的数值，以满足程序要求。纵向的知识迁移，可以使学生前后知识的衔接更自然。

在人工智能课堂中传授计算概念，运用到不同的知识迁移技巧，化碎为整，能够在培养学生信息技术素养的同时，推动学生的学科学习，促进其实现全面发展。

4.1.2 化难为易，在项目学习中落实计算实践。

(1)实例模仿，创新设计拓展程序。在人工智能的模型建构时，可以引导学生在模仿的基础上创新，逐步展现出自己独特的风格。例如，在《AI在智慧生活》“智能风扇”一课中，学生突发奇想，将直流电机上的风扇重新设计，变为了“智能摩天轮”。教师抓住这一闪光点，并邀请学生利用延时服务的时间进行加工，最终将课堂上“当检测到人靠近时，便启动的风扇”，逐步设计为“当按下触碰传感器后，便启动的摩天轮”。在激发出学生的兴趣后，孩子们不仅能从外观上进行改造，还可以大胆尝试新的传感器，并在几次调试后成功完成模型。

以此为契机，在期中时，该班同学就以“智能游乐园”为主题，开展项目式学习。学生用上课的平时表现成绩作为“金币”，“购买”额外的电子器件或拼接件，然后根据自己的想法，设计不同的游乐设施：海盗船、鬼屋、旋转木马等等。最后，依据评价标准，从美观、编程、技术等方面，组织学生开展自评与互评，并用平板摄影留念。

(2)范例启迪，培养学生质疑精神。正如上方的例子，在人工智能课堂上，教师常会让学生通过更改积木造型、编程执行器的数值等元素来满足个性化的设计要求，但是其实这只是个性化设计中最基本的内容。教师应当在计算实践时，重视培养学生的质疑精神和批判精神，告诉学生平板、课本、课件上的都不一定是最优答案，要引导学生在面对问题时不断理解、不断思考，从而获得新的解决方案，形成创造性的解决思路，最终挑选出最优的方案。

例如，同样在“智能风扇”一课中，另一个班级的同学提出了疑问：当人走进的时候风扇会打开，但是如果走得太近，风扇就会打伤人，是不是要把这一程序进行调整？一石激起千层浪，学生们纷纷提出想法：当距离小于5时，应当立即停止直流电机。随后根据学生的表述，将情况分为三类：距离大于20时风扇停止，距离处于5至20之间时风扇转动，距离小于5时风扇再次停止。讨论结束后，学生也用并联的方式开始“如果执行”的程序撰写。但此时，教师在操作过程中，就可以有意提醒学生寻找更简便的修改方案，部分有图形化编程基础的同学就会联想到用串联的方式编程，直接在原有程序上再进行一次判断，如果距离小于20时，“又发现小于5，直接停止”就可以完成程序。课程的最后，教师就可以引导这些学生在课堂上分享自己的与老师课件中不同的程序语言。

(3)软硬结合，探索深度学习策略。“深度学习”作为近几年创新型教育理念，越来越常被应用于实际的教学活动当中，而这一概念正是来源于人工智能领域。从小学的教育教学角度而言，“深度学习”与教育改革的内涵相契合，主要是对教学方法实施革新与转变，促使学生能够主动学习，形成批判性思维，从而形成信息化核心素养[3]。因此，在小学人工智能的教学中，要将“深度学习”作为有效课堂的重要实施策略。

以《AI在变形工坊》“手势互动”一课为例，相对前面介绍的课例，本课难度有所增加：学生需要运用两个红外测距传感器，通过侦测手势向左或向右的移动方向，让由舵机组成的机械手臂做出正确的反应。由于步骤精细、逻辑繁杂，本课要化难为易，就要借鉴“深度学习”策略，从激发兴趣、优化活动、夯实知识、互动展示多角度入手，引导学生深度互动，以此完成该项目的学习。

首先，要充分调动学生的积极性。在授课前，笔者借用了一台心理咨询室的电子宣泄仪(类似体感游戏机)，并让学生上台体验。在体验过“水果忍者”等游戏后，引导学生仔细观察仪器，不难发现有类似红外传感器的设备，由此引发思考，让学生们主动探究并完成积木拼搭。其次，优化教学活动，侧重学生的主体性。在编写程序时，发挥合作探究的优势：一位学生负责硬件，模拟挥动的过程并观察不同阶段红外传感器侦测距离的变化；另外一位学生负责软件，根据测距的变化一步步撰写逻辑语句，并在两人的反复试验中，完成程序的编写。课程最后，除了常规的学生作品展示外，还多融入生活元素，深入讲解原理，夯实本课知识与技能。教师要让学生知晓，本课的“手势互动”还能运用在生活中，例如：未来的“全系投影新闻阅读墙”或“模拟穿搭试衣镜”等。教师通过交流互动，启发学生思维、促进深度学习。

在人工智能课堂中落实计算实践，可以化难为易，先引导学生模仿实例，再鼓励创新设计，进而从问题中启迪新思路。同时，教师可以结合项目式学习，借鉴深度学习策略，帮助学生围绕任务、问题或主题，依据评价标准，以小组的方式进行自主、合作、探究性学习活动[4]，不仅能极大提高学生学习的兴趣，又能培养学生多学科知识整合、组织协调、沟通表达等能力，降低计算实践难度。

4.1.3 化虚为实，在情境创设中树立计算观念。在人工智能教学中巧设情境，聚焦“五育”并举，不仅能提高学生的学习积极性，还可以落实不同学科的教学实践，构建全面培养体系，促进学生德智体美劳全面发展[5]。

(1)顺承情境，延伸德育。在教学实践中，笔者调整教学顺序，将“智能垃圾桶”和“智能扫地车”作为前后课进行教学。“智能垃圾桶”的原理是利用超声波传感器检测到有人靠近时，通过舵机(角模式)开启垃圾桶；而“智能扫地车”的原理是借助舵机(轮模式)进行移动或清扫，同时通过超声波传感器检测到前方有障碍物自动拐弯。考虑到“智能扫地车”的车轮编程较为困难，因此将两课安排在期中后授课。将这两课结合，主要是为了创设“垃圾分类”的主题情境。近一阶段，厦门十分重视垃圾分类的宣传教育，为配合文明城市建设，将垃圾分类渗透进人工智能课堂，可以在课堂中以学生为主体，促进德育成长。学生在设计完“智能垃圾桶”后会思考如何制作“智能扫地车”，让我们的生活更便利，进而会考虑到如何让机器人自己进行垃圾分类，省去分类错误对清洁工造成的麻烦。经过两节课的学习，激发了同学们的探索欲。部分学生利用“优创未来”的主控(可以进行语音识别)，制作了一款“智能分类垃圾桶”。当投放者对着垃圾桶说出垃圾的名称后，垃圾桶会自动控制内部的舵机，调整好管道，再将垃圾桶盖打开。投放者丢入垃圾后，垃圾将自动被分类到正确的存放口。

(2)竞技对抗，激发热情。2011年国家体育总局将素质体育机器人运动纳入体育运动项目，作为科技与体育跨界融合的新型智能竞技项目，素质体育机器人运动具有探索性强、实践性强、综合性强等特点[6]。在“遥控小车”一课上，笔者参考“绿茵小将”赛事，引导学生以4人小组为单位，共设计2辆“绿茵小将”，并在赛场上与其他小组进行资源掠夺、足球射击、进攻敌营等陆上赛事。

在着手设计前，教师介绍经典设计、分析基础战术，充分激发学生的主动性和思考力。随后，学生根据学习单上的拼搭技巧和遥控说明，积极参与、全身心投入到设计机器小车的过程当中。在检查与竞技环节中，学生各司其职、群策群力，反复推敲、试验，最终参加小组对抗赛，并在赛后及时反思。本课活动覆盖了STEAM教育体系的各方各面，以人工智能为支撑，体育竞赛为载体，跨界整合多学科知识，让智慧和体能相结合，让运动员们(学生)在机器人竞技的操控玩乐中手脑并用，锻炼创造力、思维力、协作力、表现力、审美能力等多方面综合能力，以实现信息技术学科核心素养计算思维的提升。

在人工智能课堂中树立计算观念，可以化虚为实，将虚拟的情景转化为现实问题，同时聚焦“五育”并举，将各学科知识融入到课堂中，让学生成为生活和学习的主人。

5.结语

人工智能的有效教学，作为培育学生小学信息技术计算思维的一种途径，越来越受到教育者的广泛关注。良好的人工智能课堂，可以结合项目式学习法，将各学科知识融通共进，推动“五育”并举有效落地，同时锻炼学生计算思维，让课堂充满活力。