中小学人工智能教育中计算思维的培养策略探讨

邹连凯 杜汕

2017年，教育部提出要推广人工智能教育，在中小学阶段广泛设置人工智能的教学内容，从而为编程教育打下基础。在中小学组织人工智能教学，主要是为了能够让学生先简单了解人工智能的原理，对其计算思维、实践能力进行培养，从而帮助学生在后续的学习中养成独立思考的习惯，提高学生的综合能力。

一、人工智能教育现状

中小学进行人工智能教学主要体现在计算机课程方面，但是在这一课程中主要是介绍计算机的发展史和一些基础的理论，对人工智能的全面应用没有进行讲解，不能满足现在人工智能教育的根本需求。从课堂实践的角度来看，在进行教学时，仍然是对学生进行简单的技能训练，不重视对学生计算思维的培养，而是采用固化的教学方式，让学生被动地接受并对其模仿，这样的教学会导致学生无法扩展自己的思维，只是机械地学习，在学习中不能主动思考，一些创新型的编程技能无法得到提升。从教学内容来看，目前中小学都会进行计算机教学课程，内容常常是反复的，没有形成一个规范化的体系，使教学的内容不能逐渐递进。同时，一些教学内容还会出现碎片化现象，其中缺乏一些实践的案例，使中小学生在学习时会出现障碍，计算、创新、实践等能力都会降低。为了能够保证人工智能教育的效率，并在教育中培养学生的计算思维，就需要利用不同的教学方式，结合学生的年龄、性格特点，创新教学的方式，使计算思维的培养更有效。

二、中小学人工智能教育中计算思维的培养策略

1. 利用游戏培养计算思维

通过对中小学人工智能教育的现状分析，可以发现其教育效率不高，所以教师在进行教学时要尽量采用游戏化的方式，利用数字游戏或者是游戏活动，提高学生的积极性。例如，教师可以把学生分为两组，一组设计电子游戏的情境，让学生了解相关的信息技术知识，另一组则仍然采用传统的理论讲解方式。教学完成后，对这两组学生的学习成果进行检验发现，第一组学生在计算思维、实践能力等方面都得到了提升，所以这种游戏化教学是比较有效的。在游戏教学时，也可以采用电子游戏网络评估平台，这一平台主要是对学生在打游戏时的一些操作进行智能批改，并对学生的排名进行公告，这也是一种比较流行的智能教育系统。在智能平台中，教师主要是把一些编程中需要运用的计算思维生成一个个短小的游戏，让学生在游戏中完成教师所布置的学习任务，这样学生就能在轻松的氛围中进行学习，并切实地提升自身的计算思维。除了数字游戏教学以外，教师还可以进行游戏活动的教学，让学生从实践角度去学习计算机的知识，并且可以利用自身的计算思维去编写，提升学生实践操作、计算的能力。

2. 采用小组合作方式

目前的教学现状逐渐从“以教师为主”转变为“以学生为主”，学生才是教育的主体，所以在进行人工智能教学的时候，就要采用小组合作的方式，学生在虚拟的环境中通过互助协作的方式完成教师布置的任务，可以提高对社会的认知水平，也让学生的计算、创新能力得到了提升。在合作的过程中，学生可以通过自主性的思想来进行角色的分配，小组成员之间相互合作完成计算的任务。计算思维其实也是解决问题的思维，把学生的解题过程通过“程序化”的方式表达出来，然后再根据这一具体的算法转换成程序编写。小组合作的时候，如果在解题过程中出现思路堵塞、计算错误等问题，小组的其他成员就能及时地指出，降低了计算的错误率。在小组合作的过程中，教师可以提供多元化的学习材料或者是学习虚拟场景。由于中小学生有一定的操作能力和想象力，所以教师在布置学习任务的时候要结合学生的特点，提供一些相应的“半成品”，这样就可以为学生提供交流以及操作方面的机会。教师在安排小组虚拟场景时，应注意创造多样化的场景，利用多样化的场景开发学生的想象力，培养学生的计算和合作能力，它不仅有利于人工智能教育的进一步发展，还能提高学生的协商和计算能力。

3. 采用翻转课堂进行教学

中小学生现阶段的特点是记忆力好、可塑性强，但同时其注意力也容易分散，所以学生很快就会对重复的内容失去兴趣。因此，在实施翻转课堂时，应注意学生的身心特点，所使用的学习资源应尽量保持简短，同时形式多样。所以，有必要探索具有一定特点的人工智能翻转课堂，并为不同的学习模块（如，编程、绘图、计算等）开设不同类型的课程，以使学生能够逐步适应具有计算特点的人工智能翻转课堂。为了更好地实施翻转课堂，不仅需要对教师进行技能培训，还需要对学生进行一定程度的培训。必要的可操作性可使学生更好地融入翻转课堂，学生操作平板电脑的能力不同，因此学校有必要为学生提供基础培训，包括计算机基础编程操作、检索、整理信息等。这不仅能提高学生计算思维的运用效率，还能培养学生自主学习和研究性学习的习惯，最终实现个性化学习，教学效率得到提升。例如，在对“计算机科学”这一内容进行翻转课堂教学的时候，教师可以引导学生用四分之三的时间进行计算机的实际操作，完成教师布置的任务，实现了人工智能的测评；教师再用剩下四分之一的时间对学生传授计算机科学知识的关键理论，加强学生在实践中的理解。翻转课堂的教学可以让教师从繁重的教学任务中得到释放，同时也让人工智能的应用更深入，激发学生的学习积极性，促进其计算思维的提升。

4.通过案例进行实践教学

如果想要保证中小学生在人工智能教学中提升计算思维能力，那么实践教学方式必不可少，可以通过开展一些有趣的活动，把信息技术方面的知识和计算思维融合，提升学生的学习水平，让学生在分解、抽象、计算等思维过程之后更好地解决问题。例如，在对“分解”这一知识进行教学的时候，学生需要将情景中出现的问题进行分解，并且要写出具体的解决步骤，在“莫妮卡地图”这个活动中，学生需要在增长地图中找到两个物体之间最短的距离，在找到最短的路径之后，学会使用乘数来表达解题过程。学生在完成这些任務之后，就可以深入地了解分解算法、模拟等计算的概念，使其计算思维能力得到提升。在实践教学活动开展的过程当中，教师需要指导学生对于人工智能知识当中存在的隐性特点进行初步的了解，进而深入体会和把握其所具备的真正核心内涵，选择可以直接用来展现这些实质特征的计算方法，并且能够做到掌握解题速度、计算的准确性、创新性等诸多方面的基本要素。在实践教学的开始，教师需要先为学生讲解与人工智能知识有关的内容，如果教学的时间足够充裕，还可以与学生一起观看编程、分解等具体的内容，让学生能够在整体上对信息技术方面的知识有一定的认识和理解。在这之后，教师还可以针对编程的变化、AI指令的变化做好标记，以此来进行提醒和说明，让学生能够更好地对这一知识进行理解，拓展学生的计算思维。

5. 隐喻及支架培养策略

在教学中采用隐喻的方法，可以把比较抽象的事物具象化，避免烦琐的逻辑理论和概念给学生带来的学习困难。可以利用隐喻和图片化的编程软件进行教学，采用学生生活中容易理解的事物对一些抽象化的指令进行解析。同时，隐喻的教学方法可以呈现出人工智能中的逻辑关系，然后比较清晰地对问题进行解答，降低学生在学习、记忆和实践中的难度，有利于培养其计算思维能力。而采用支架教学方法主要是采用人工智能技术创设出教学情境，让复杂的问题通过情境层层剥离，从而使学生一步步地解决问题。由于人工智能中的一些理论原理是很难理解和学习的，所以就可以采用智能语音等技术，构建一个情境支架，让学生在这一情境中创设出一个作品，使其原理在作品中展现，从而展现教学的层次化，也使学生在分解的时候充分运用计算思维，降低了代码的编写难度，使学生在学习人工智能知识的时候更有积极性，促进其计算思维的发展。

三、结论

综上所述，在人工智能教育中培养中小学生的计算思维，可以使其在思考问题时更加全面，对信息技术的运用能力更强。主要是从游戏、合作、案例等角度进行培养，让中小学生的计算思维可以得到全面拓展，逐渐提高学生对人工智能的掌握程度，激发学生学习的兴趣，达到创新培养的效果。

（作者单位：邹连凯 山东省教育学会；杜 汕山东省济南商贸学校）

责任编辑：庄 源