计算思维取向的人工智能编程教学

【摘 要】人工智能时代，编程是实现人工智能的基础，计算思维则是问题解决的关键。以计算思维为取向开展人工智能编程教学，将有力地落实新课标理念，改变教学中偏重程序语法、格式及调试技法，忽视人工智能解决问题的算法和思想的教学局面。本文在智能车教学过程中，透过生活中的问题情境，引导学生聚焦对智能车原理和算法的理解，弱化代码编写技能，助力核心素养发展。

【关键词】计算思维；人工智能；编程教学

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）011-070-02

人工智能正全面进入人类生产和生活的方方面面，成为继互联网之后第四次工业革命的推动力量。人工智能技术正在成为智能时代的基础，人脸识别、自动驾驶、聊天机器人、工业和家居机器人、股票推荐等，人工智能的产业应用正在遍地开花[1]。编程是实现人工智能的基础，计算思维则是智能时代问题解决的关键。以计算思维为取向开展人工智能编程教学，将有力地落实《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”），达成信息科技课程培养核心素养（信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任）的目标。

人工智能编程教学的现状

实现人工智能丰富多彩的应用离不开编程，在信息社会的问题解决中计算思维不可或缺，编程教学是培养学生计算思维的重要途径。计算思维是指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。具备计算思维的学生，能对问题进行抽象、分解、建模，并通过设计算法形成解决方案；能尝试模拟、仿真、验证解决问题的过程，反思、优化解决问题的方案，并将其迁移运用于解决其他问题[2]。

然而，受传统观念和习惯的影响，人工智能编程教学中偏重程序语法、格式及调试技法的现象仍十分普遍。人工智能相关算法复杂，对于义务教育阶段的学生而言，编程实现难度极大。学生花费大量时间输代码、调程序，却忽视了人工智能解决问题的计算思维和科学方法，进而导致学习的效率低下。

计算思维的编程教学实践

“超声波传感器和while循环的应用”是智能车教学单元中的一课，教学过程中要引导学生关注生活场景中的问题，聚焦对智能车原理和算法的理解，弱化代码，探索人工智能的编程教学。

1.教学目标

信息d6ab44531a707696d8675cff7e3cfbed意识：了解人工智能（无人驾驶技术）对信息社会发展的作用。计算思维：通过案例分析理解人工智能（如无人驾驶技术）；能采用计算机科学领域的思想方法界定问题、分析问题、组织数据、制订问题解决方案；使用简单算法，利用计算机实现问题的自动化求解。数字化学习与创新：借助在线平台，与合作伙伴协作设计和创作作品。信息社会责任：了解人工智能带来的伦理与安全挑战。

2.教学过程

（1）导入

教师带领学生观看郑州市无人驾驶公交车上路运行的视频，引出人工智能的应用领域之一——自动驾驶汽车。在人工智能领域，无人驾驶技术是热门的研究方向。实现汽车无人驾驶，需要汽车像人一样，会观察路面的情况，会分析和判断，并做出相应的动作，这是非常复杂和困难的。所以，目前无人驾驶技术仍然在研究阶段。但是很多新款汽车已经安装自动辅助驾驶系统，能在一定条件下实现准无人驾驶。无人驾驶的车辆，依靠车身安装的超声波传感器、摄像头、雷达等设备感知车辆周围的状况，再通过车载计算机进行分析，做出决策，执行相应的动作。

教师明确本节课的学习内容：通过超声波传感器和简单的Python语句，利用商汤教育平台中的虚拟智能车，尝试实现最简单的无人驾驶模型。

设计意图：从生活中的信息科技场景入手，将人工智能的应用引入课堂，激发学生兴趣，引发学生思考。

（2）介绍超声波传感器

教师说明超声波传感器的作用及其在汽车上的应用。教师向学生展示商汤平台中虚拟智能车上的四个传感器，并使用平台提供的get_ultrasound（）函数读取传感器数值。

学生在商汤教育平台上完成实验：控制智能车往任意方向运动后，分别获取四个超声波传感器的数值并输出。将任务单上的代码补充完成，并填写运行的结果数值。

设计意图：通过简单的代码练习，熟悉读取超声波传感器数值的方法，为后续的使用做准备。

（3）超声波传感器的应用

教师播放视频“对具有辅助驾驶功能的汽车进行自动刹车测试”，引导学生思考“如何实现无人驾驶的车辆前进时，在前方100单位距离内发现障碍物立即停车”。对于这种比较抽象的问题，教师带领学生把它分解成几个小问题，逐个解决，即如何知道前方有障碍物、如何知道距离、用什么语句实现前进、如何利用传感器的数值控制停车，引出while循环语句，并详细解释它的语法及功能。

学生在商汤教育平台上进行编程，实现智能车自动前进，在障碍物距离小于100单位时停车，并将任务单上的代码补充完成（图1）。教师展示常见的错误代码，并进行分析，提示学生要缩短传感器数值的读取间隔，才能保证安全。

设计意图：将生活中的无人驾驶汽车简化为教学平台中的模型。将抽象的无人驾驶汽车自动刹车功能进行分解，再通过简单的while循环语句形成解决方案，在教学平台中模拟实现，并优化调整解决方案。既让学生对无人驾驶的原理有了初步认识，又通过简单的算法模拟实现了初步的无人驾驶。

最后，教师对学生完成的作品进行展示，并对课堂教学进行小结。

计算思维取向的人工智能编程教学反思

新课标提出探索“场景分析—原理认知—应用迁移”的教学。随着智能汽车的不断普及，学生熟悉无人驾驶的场景和意义，教学选取简易的无人驾驶智能车为主题，借助视频引导学生简化无人驾驶的问题，对其原理进行抽象并建立编程的模型：超声波传感器和while循环语句，从而将无人驾驶智能车的原理分析、算法实现和编程学习有机地结合。

数据、算法和算力是人工智能的三大要素。新课标中明确，要通过算法的学习，使学生了解利用算法求解简单问题的基本方式，培养学生初步运用算法思维的习惯，形成设计与分析简单算法的能力[3]。教学应依据算法的难易程度，设计学生编程、程序填空和参数修改等多种方式，降低编程语言和代码难度，让学生聚焦在问题解决的方法、算法的分析和理解。

教学设计紧密结合学生的生活经历和学科思维，从真实感受到问题分析再到设计算法编程解决，体验抽象、分解、建模、算法设计等计算思维活动的整个过程，有效促进了学生计算思维的发展，提升解决问题的能力。当然，随着学习的深入和能力的增强，渐进地训练编程语言规范和编程技法，让学生既明其“道”，亦善其“术”，进一步提升核心素养。

参考文献

[1]杰瑞·卡普兰. 人工智能时代[M]. 杭州：浙江人民出版社，2016.

[2][3] 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）[S]. 北京：北京师范大学出版社，2022.

作者单位：江苏南京市宁海中学分校

编 辑：徐靖程