“双减”背景下基于高阶思维的人工智能教学探索

摘要：人工智能教育倡导培养具有高阶思维的复合型和创新型人才，因此，本文以项目化学习为主线，以培养学生的计算思维、编程思维和创新思维等高阶思维能力为目的，探索了基于高阶思维的“编程无人机”教学策略，以期为一线信息科技教师的人工智能教育教学实践提供借鉴。

关键词：“双减”；高阶思维；人工智能教学

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）11-0059-03

人工智能课程的开设

“双减”政策的实施对教育工作提出了新的挑战，一方面要求减轻学生的课业负担，另一方面学校人才培养的目标不能松懈。因此，笔者所在学校尝试在课后延时服务中开展人工智能课程，以期在“双减”后让课程更加多样，从多个角度提升学生的思维。

学校开设的人工智能课程立足于项目学习和问题学习，强调多学科知识的跨界与融合，关注学生的动手、实践、思考、体验，关注学生的计算思维、编程思维、工程思维和设计思维，同时关注其批判性思维、创新思维和创造力。

其中，“编程无人机”课程深受学生喜爱，它是一门综合性课程，基于LiteBeeGo平台，旨在锻炼学生的计算思维，同时会涉及数学和物理方面的知识，能够很好地培养学生的编程技能，提升学生的项目化设计思维、分步解决问题能力、迭代思维能力、抗挫折能力、问题解决能力、全面分析问题能力、独立思考能力、协同创新能力等。

基于高阶思维的人工智能教学模式

筆者通过教学实践，总结出基于高阶思维的编程无人机教学策略：问题分解、抽象建模、算法开发/编程实现、调试迁移。

1.问题分解

在该课程的教学中笔者选用了项目化学习，每一个项目都是基于真实的情境。学生将现有的问题进行分析和分解，每个小组为一个团队，团队成员之间互相协作，共同应对教师给出的真实情境。

2.抽象建模

在项目被细分为多个子问题后，小组成员对具体问题展开探讨，然后利用已有知识对问题进行加工，完成抽象建模。在这个过程中，学生要整合多学科知识，而教师在这个过程中，可以给学生提供脚手架，也可对他们进行必要的指导。

3.算法开发/编程实现

在完成抽象建模后，要解决实际问题，学生就要运用计算思维、编程思维等高阶思维对项目进行算法开发。算法开发的路径不唯一，教师要鼓励学生用发散的思维来解决问题，可以先引导学生绘制流程图，或者用画程软件绘制详细的解决策略，然后再用平台给定的编程工具完成算法开发。同时，本课程是过程导向的，所以评价也主要是形成性评价、多元评价。教师要关注学生在参与该课程过程中的成长，并鼓励他们关注自己的元认知，在完成项目的过程中培养自己的高阶思维。

4.调试迁移

在算法开发完成后，连接无人机，对程序进行调试，在调试过程中会遇到各种各样的问题，教师要关注学生的思维，引导他们在解决问题的过程中锻炼高阶思维，并及时引导和鼓励学生把所学知识和技能迁移到其他情境中，并反思自己是否使用了高阶思维。

基于高阶思维的人工智能教学探索案例

案例1：无人机运送抗疫物资

（1）问题分解

在新冠疫情期间，为了切断疫情传播，必要时会采取隔离政策，而被隔离人群的物资供应是个大问题，需要耗费很大的人力物力资源来实现定点配送。而有了无人机的定点投递功能，则可以很好地解决这一问题。本案例通过编程控制，让无人机穿越障碍圈，到达指定降落点，实现物资投递（如图1）。

（2）抽象建模

到指定地点投递物资，需要用精准定位，到达指定地点，摄像头捕捉到投递标记，按照指令进行投递动作。

（3）算法开发（如图2）：

（4）编程实现（部分代码如图3）

（5）调试迁移（部分代码如图4）

案例2：无人机飞行灯光秀促进文化宣传

（1）问题分解

为社区组织无人机飞行灯光秀，运用科技少年特有的方式进行文化宣传。

（2）抽象建模

无人机的编排需要精准定位，在到达指定空间坐标后，并有相应的彩灯和蜂鸣器（如下页图5）。

（3）算法开发（如下页图6）

（4）编程实现（部分代码如下页图7）

（5）调试迁移：（部分代码如下页图8）

关于高阶思维的教学建议

第一，通过再现与学生生活密切相关的真实的情境，激发学生的社会责任感、信息社会的责任担当，同时充分调动学生的高阶思维。

第二，用抽象建模的方式将复杂的问题逐步分解，用切片的方式细化、解决问题，在问题解决的过程中，强化和锻炼学生的高阶思维。

第三，用思维可视化工具将抽象的概念具体化，本课程提供的编程工具是可视化的，使用具有积木界面的编程工具，编程实现就像搭积木一样有趣，学生们抛开纷繁复杂的代码语法，从最本质的逻辑线上解决问题。

第四，有些解决问题的算法比较抽象，可以引导学生用流程图、思维导图的形式，将抽象的过程用形象化的工具画出来，这样会减轻学生的认知负荷，达到更好的教学效果。学生学编程，不只是单纯学会代码，掌握一项技能，或只是培养一个兴趣，重要的是掌握一整套解决问题的思维模式。

结语

“编程无人机”课程在实践探索过程中集中体现了对学生高阶思维培养的关注，从真实情境出发，激发学生强化信息时代的社会担当，促使其积极地自主学习，通过协作探究进行问题分解，跨学科整合抽象建模，调用高阶思维进行算法开发，调试迁移强化高阶思维。

参考文献：

[1]徐燕萍.境脉学习：一种引导学习转型的新范式[J].江苏教育研究，2019（10）：23-27.

[2]臧美凤.STEAM教学模式在初中信息技术课堂中的应用——以苏州高新区实验初级中学为例[J].中学教学参考，2020（03）：16-18.

作者简介：臧美凤，硕士学历，江苏省苏州高新区实验初级中学信息技术教师。

本文系苏州高新区教育科研课题的阶段性成果，课题名称为“双减背景下思维可视化策略提升学习效果的调查研究”，立项编号：SND-2021-ZX-029。