指向计算思维培养的人工智能教学衔接研究

【摘 要】随着科技的进步，时代的发展，从国家到地方陆续出台了中小学人工智能教育相关文件，在中小学开展人工智能教育是大势所趋。计算思维是当前教育领域关注的热点内容，也是新时代数字化公民的必备技能之一，2022年教育部发布的《义务教育信息科技课程标准》，也将计算思维作为核心素养之一，本文结合人工智能教学现状，阐释基于计算思维培养的人工智能教学衔接。

【关键词】计算思维;人工智能;教学衔接

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2022）09-011-03

人工智能教学现状

我国于2017年3月首次将人工智能写入政府工作报告。2017年7月国务院印发《新一代人工智能发展规划》，明确指出“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”。2018年教育部印发《高等学校人工智能创新行动计划》，指导推进中小学开设专门的人工智能课程。[1]《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称“信息技术新课标”）和《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“信息科技课标”）都设置了人工智能模块的内容。从我国教育事业发展角度看，人工智能教育的普及、课程的实施，有着十分重要的意义。

根据2022年发布的人工智能教育蓝皮书来看，由于各地在经费保障、师资培训、技术支持、教材建设、课程实施设置等软硬件条件存在差异，造成人工智能教育落地实施情况参差不齐，只有37.95%的学校开展过人工智能教育教学活动，20.94%的学校正筹备开展，没有开设的学校主要原因集中在没有技术支持、缺乏专业师资、经费不足、学生无基础等方面。在具体实施层面也存在一些关键性的“痛点”，人工智能教学进入教材易、进入课堂难，课时无法保障直接导致了不同学段的人工智能教学持续徘徊在感知、体验的层面，无法深入。教师“智能”素养的缺失也导致教师对人工智能教学存在“畏难”情绪，无法融会贯通地设计教学内容，选择教学方法。相比其它学科，人工智能教学的相关教学资源较少，进一步加剧了人工智能教育普及的难度，提高了人工智能教育落地的“门槛”。[2]让人工智能教育在中小学真正落地，还有许多问题值得深入研究。

人工智能课程教学与计算思维

1.计算思维的内涵

美国华裔计算机科学家周以真教授于2006年首次提出“计算思维”的概念，并进行了多次补充，她认为计算思维就是运用计算机科学的思维方式及基础概念进行问题解答和系统设计，像计算机科学家一样思考问题、理解问题、解决问题等一系列涵盖计算机科学的思维活动。[3]

信息技术新课标中将计算思维界定为：个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动。[4]计算思维受到越来越多的关注，众多国家将计算思维作为基础教育阶段信息技术课程的指导理念和核心要素，作为信息科技（技术）学科核心素养培养的核心议题之一，计算思维已被公认为信息化社会中数字公民所应具备的基本素养。将计算思维融入中小学信息科技（技术）课程，对于提升信息科技（技术）课程内涵也具有重要价值，在人工智能教学中培养学生的计算思维非常重要。

2.人工智能课程的内涵

人工智能是模拟人的意识、思维的过程，是计算机科学、心理学、数学、神经科学等多学科的交叉，强调多学科知识融合，需要编程、算法、数学等基础知识相互支撑。其精髓在于人工智能背景下的各学科知识融会贯通，使学生形成具体的能力与素养。在智能社会中，它将对各行各业渗透和影响，即使不从事人工智能相关领域，也需要对其有感知，具有人工智能素养。

信息科技课标中定义了人工智能是研究和开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。[5]从中小学人工智能课程的目标和内容来看，计算思维是人工智能课程培养目标中的一项重要能力，中美两国都提出了要注重计算思维、创新创造力、信息时代社会责任感等培养内容，旨在培养适应智能社会发展的公民，提升学生人工智能素养，在中小学人工智能课程中培养学生计算思维至关重要。

基于计算思维培养的人工智能跨学段衔接教学

信息技术新课标和信息科技课标在核心素养衔接方面一致性较好，都以信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任作为共同的学科核心素养，两个课标中都有人工智能模块，随着新学期义务教育信息科技课标的实施，我们需要对小学、初中、高中三个学段从全局上考虑它们之间的关联，思考学段间的衔接实施问题。

为了更好地落实新课标，我们从小学、初中、高中三个学段各选取一个人工智能教学案例，分别从目标、内容、方法三个维度，从培养学生计算思维角度出发，结合新课标进行修改调整，尝试探索不同学段人工智能教学中的衔接教学。

1.人工智能教学跨学段目标衔接策略

以小学“身边的人工智能”为例，原教学目标包括体验人工智能设备，了解什么是人工智能;了解人工智能技术的定义和应用领域;分析人工智能产品，了解人工智能基本原理。改进后的教学目标则变为：了解人工智能的基本概念和特点，知道与人类智能的区别;通过实际操作，体验人工智能的典型应用;能知道人工智能技术对社会生活的影响;能结合开源软件，通过算法设计与程序开发，实现简易的人工智能应用。

以初中“人工智能基础”为例，原教学目标包括了解人工智能的概念，知道人工智能应用的场景;了解人工智能相关技术，感受人工智能对生活的影响;理解人工智能技术的核心是机器学习。改进后的教学目标则变为：通过体验机器识花的过程与结果，与人类识别过程做比较，了解人和机器学习的过程;通过对比人类学习过程，抽象概括机器学习的一般过程，能利用图形化编程软件搭建简单的识花模型;通过体验百度人工智能模块，了解人工智能应用方向，说出常见人工智能应用场景，感知技术对生活的影响。

以高中“探秘人工智能”为例，原教学目标包括知道人工智能的定义、价值和具体应用;通过分析人工智能应用典型场景，培养学生发现问题和解决问题的能力;通过对人工智能案例的分析，激发学生对人工智能的兴趣。改进后的教学目标则变为：通过辩一辩、听一听、看一看等活动，了解人工智能的概念和发展历史，激发学习兴趣;通过图像识别、语音合成等活动，体验人工智能，了解人工智能技术的典型应用范围;通过人工智能在生活中的应用，认识人工智能在信息社会中的重要作用，激发学生学习知识报效祖国的思想感情。

2.人工智能教学跨学段内容衔接策略

以小学“身边的人工智能”为例，原活动内容包括由生活中的智能应用导入;什么是人工智能;认识语音识别;认识人脸识别;智能机器人;畅想未来的人工智能。改进后的活动内容则变为：人机识物，认识人工智能;活动（1）：使用APP软件识别植物;说一说：通过软件“认识”的植物名称;做一做：使用“形色”程序来识别植物。动手操作，尝试人工智能;活动（2）：使用xDing设计识图小程序;结合人和机器识别植物的过程，使用xDing软件设计一个人工智能小程序。分析作品，理解人工智能;活动（3）：探究人工智能的基本实现原理;思考：机器是如何具有这种认知能力的？在动物识别应用中，机器学习的是什么内容。畅所欲言，感受人工智能应用;活动（4）：畅谈人工智能应用;观看案例视频，说一说：视频中的人工智能技术主要模仿了人类哪方面的技能;你能从人工智能模仿人的角度出发，说一说你身边的人工智能应用吗？

以初中“人工智能基础”为例，原活动内容包括什么是智能;判断人工智能的标准是什么;人工智能的科学特点;人工智能的研究领域;人工智能的发展;图像识别体验;用人工智能开放平台功能，识别图像。改进后的活动内容则变为：体验人工智能;活动（1）：人工识花和机器识花;实践：尝试利用百度识图识别花名;总结：人工智能概念。认识人工智能;讨论：你是怎么认识某种花的，说说你的认识过程;猜想：计算机为什么会认识花;总结提炼：机器学习过程。实践体验人工智能;活动（2）：解密计算机识花;实践：利用mind+图形化编程软件实现简单的花种识别模型。

以高中“探秘人工智能”为例，改进后的活动内容变为：问题一：人工智能的概念和分类;活动（1）：辩一辩人工智能产品;活动（2）：自学书本内容，了解概念和分类;问题二：人工智能的序幕和发展;活动（3）：听音乐，比较、感受图灵实验;活动（4）：观看人工智能的发展史，体验自己的人机大战;问题三：人工智能中的技术和应用;活动（5）：“我来出图你来猜”，了解人工智能中的技术应用;活动（6）：理解人工智能中的技术并体验;问题四：人工智能对人类社会的影响;活动（7）：分析正面影响与负面影响;活动（8）：讨论面对人工智能社会，我们要做些什么。

3.人工智能教学跨学段教学方法衔接策略

以小学“身边的人工智能”为例，原教学方法包括任务驱动法、学习支架结构法等。改进后的教学方法则变为：基于建构主义理论，通过对比“形色”App识图认物的过程，感受人工智能的产品;采用“使用—修改—创作”的教学思路，使用xDing编程软件设计自己的“识图认物”人工智能作品，进一步激发学生的学习兴趣;通过观看视频直观展示机器学习过程，帮助学生了解人工智能的核心是机器学习。

以初中“人工智能基础”为例，原教学方法包括任务驱动法、示范性教学法等。改进后的教学方法则变为：基于学习迁移理论，类比人类智能以及人类学习的过程，帮助学生总结人工智能的概念以及机器学习的一般过程;采取探究学习、支架式教学帮助学生在问题解决的过程中深度体会机器学习的一般过程;提供学习支架、表格、半成品程序。

以高中“探秘人工智能”为例，原教学方法包括任务驱动法、体验学习教学法等。改进后的教学方法则变为：通过学生已有的生活经验入手，引导学生思考对比人类智能与人工智能;通过了解人工智能的典型应用，引导学生对人工智能的深层思考;借助于百度、科大讯飞等人工智能开放平台，帮助学生理解人工智能核心技术。

我们发现在不同版本的教材中，同样主题的教学内容可能在中小学三个学段中都会有，比如同样是初识人工智能的教学内容，三个学段都有涉及，它们之间如何衔接，不同学段步步深入的地方又如何体现，这些都是值得我们去思考的内容。在教学中我们可以通过建构“设计—实践—反思—设计”反复循环的课堂教学实施结构，不断优化迭代人工智能教学的衔接问题。

在中小学开展人工智能教育是大势所趋，是时代发展的必然，是学生个性化发展的需求，在当下显得尤为重要，如何把高深的人工智能专业知识下移降维到适合中小学生学习，要处理好不同学段间的衔接问题，把人工智能的专业知识渗透给他们。计算思维是信息科技（技术）学科的核心素养之一，将计算思维的培养融入到人工智能课程教学中非常有意义，基于计算思维培养的人工智能教学，是培养学生计算思维的新路径，通过人工智能课程的学习，学会应用智能技术思考和解决问题，更好地适应智能时代，提升他们的人工智能素养，从而培养他们的计算思维。

参考文献

卢宇，汤筱玙，宋佳宸，余胜泉. 智能时代的中小学人工智能教育：总体定位与核心内容领域[J]. 中国远程教育. 2021（5）： 22-31+77.

巫雪琴. 推动人工智能教育进入中小学课堂[J]. 江苏教育，2022（36）： 72-75.

令莉. 高中信息技术基础课程在培养学生计算思维中的策略探究[J]. 教育教学论坛，2019（33）： 186-187.

[5] 中华人民共和国教育部. 义务教育信息科技课程标准（2022年版）[M]. 北京：北京师范大学出版社，2022.