指向计算思维培养的人工智能课程教学实践研究

摘要：本文以新冠疫情为背景，设计了智能测温猫课程，将计算思维根植其中，引导学生在制作非接触式的智能测温作品过程中，围绕实际问题，运用计算思维创造性地分析问题、拆解问题、解决问题，让学生去体验、感受计算思维，并逐步形成计算思维。

关键词：人工智能；计算思维；智能测温猫；教学设计与实践

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）21-0000-03

国务院发布的《新一代人工智能发展规划》明确提出：“在中小学阶段设置人工智能相关课程。”教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》提出：“要完善课程方案和课程标准，使中小学人工智能课程开展与实施适应信息时代、智能时代发展需求。”新冠疫情的暴发进一步催化了人工智能在多场景中运用所发挥的重要作用，在此背景下，笔者聚焦人工智能与课程革新，以识人说话的智能测温猫为例，设计开发了人工智能相关课程，旨在培养学生的创新意识，引导学生形成良好的信息素养。

小学人工智能教育的关键点

1.人工智能教育的培养核心是计算思维

开展人工智能教育的目的不仅仅是对学生进行人工智能知识的科普，也不是去培养编程人才，而通过提高学生的问题求解能力，培养学生的计算思维。只有具备了计算思维，学生才能更好地理解人工智能的基本思想和理念。

2.基于认知发展规律，层层推进小学人工智能课程

皮亚杰的认知发展理论指出：“小学阶段的学生可以将感知动作内化，并能在具体内容的支持下进行简单的抽象逻辑思维。”教师可以通过一系列人工智能小故事或视频，让小学生直观了解什么是人工智能，也可以通过生活中应用到的智能小工具让学生感受人工智能给生活带来的便利等。学生通过初步体验人工智能的用途，明白人工智能的实际应用，建立对人工智能的认识和感悟。此外，在小学阶段可以引入图形化编程工具，对学生进行编程及计算思维的启蒙与渗透，让学生通过简单的图形化编程，完成人工智能相关作品。

智能测温猫教学设计与实践

1.教学设计

在新冠疫情背景下，笔者设计了可用于疫情防控的智能化作品——测温猫。采用红外测温技术及人工智能技术对特定人员进行非接触式体温检测，通过数码管显示温度，并运用WIFI连接物创云平台，在云端实时监管监测数据。若体温判断正常，则语音播报并自动打开舵机阀门；若体温判断过高，则语音播报且亮红灯警示，并自动关闭舵机阀门。

（1）学习对象和教学内容

本次课程的开展对象为本校六年级的学生，主要侧重对编程的基本知识与基本技能的掌握。学生在三年级时接触了图形化编程，对图形化编程的界面较为熟悉，五年级学习了Python编程课程，编程能力得到了明显的提升，同时，五年级已经开展了对人工智能基础概念的讲解。

识人说话的智能测温猫的设计与开发，主要包括红外测温模块和人脸识别模块，智能猫的智慧防疫主控板使用杜邦线与各类传感器连接，包含红外测温传感器、声音传感器、数码管模块、人体红外传感器，及执行模块（红灯、舵机）等硬件。将各种传感器通过杜邦线与主控板连接进行硬件搭设。使用Arduino进行硬件设计，采用了图形化以及积木搭建的编程方式，可以实现在线运行和下载运行。

（2）教学目标

①通过视频感受人工智能在新冠疫情防控场景中的使用情况，建立对人工智能的直观认识，感受人工智能发挥的重要作用。②通过对开源机器人智能猫软硬件的认识，初步理解人工智能的基础知识与基本思想，能简单解释人工智能产品背后的原理。③通过编程的系统化学习，培养计算思维和实践能力，能够在实践中完成简单的人工智能作品。

（3）教学重难点

重点：红外测温模块的编程设置。

难点：人脸识别模块的编程设置。

（3）教学方法和策略

本课程采取“项目导入、任务驱动”的教学方法。以新冠疫情防控的现实需求导入项目，将任务驱动教学法，贯穿于教与学的始终，激发学生的学习兴趣，使学生在理解项目初衷的前提下自主设计与创新，逐步深入项目，从而获得创新能力的提升。

2.教学实践

（1）情境导入

教师活动：播放短视频《AI体温监测新冠疫情防控系统如何在车站等人员密集场所进行新冠疫情管控》。通过生活中人工智能的真实应用，启发学生的思考，并展示本节课的作品案例，激发学生的学习兴趣。

学生活动：集中注意力，认真观看视频，思考视频中的AI体温监测新冠疫情防控系统是如何发挥作用的，并积极回答教师提出的问题。

（2）任务一：智能猫硬件组成与外观设计

教师活动：开展识人说话的智能测温猫的设计与开发。引导学生思考智能猫需要哪些智能模块，分组开展项目式学习，完成基本硬件的连接；引导学生采用环保塑料设计拼搭智能猫的外形，使硬件布局合理。

学生活动：划分小组，思考智能猫测温系统需要哪些组成部分，并动手完成智能猫硬件系统的连接和组装，通过小组探究和询问教师这两种方式解决硬件搭建过程中遇到的问题。

（3）任务二：红外测温模块和人脸识别模块的编程设置

教师活动：

师：智能猫已经搭建完毕，但它还不能智能思考。同学们需要给智能猫一个“智能的大脑”，通过xDing编程平台对红外测温模块和人脸识别模块进行编程设置，程序编写用图形化编程语言实现，红外测温模块包括红外测温设置和数码管显示温度设置，人脸识别模块包括人脸识别录入设置和特定人脸红外测温。

学生活动：认真聆听知识要点，分析任务要求，并进行组内交流，共同梳理各模块的编程思路，优化方法。

（4）协同任务完成

教师活动：引导学生思考，分解任务，辅助学生拆解操作过程中遇到的问题，鼓励学生大胆创新尝试。

学生活动：小组合作完成作品“智能猫”的搭建与编程设计，遇到难点积极与组内学生探讨，尝试多种解决方案。

（5）成功作品分享

教师活动：为学生提供交流展示的平台；对学生展示的内容进行评价，提出亮点，分析不足等。

学生活动：各组分别进行汇报展示，分享智能猫制作的过程、心得体会，及完成作品之后的收获。

（6）课外拓展

教师活动：

师：智能猫已经可以自动识别人脸和测温，可是智能猫如何把监测的数据图像反馈给我们呢？通过WIFI连接物创云平台可以实现云数据的存储与上传、图形化显示与分享。通过云端实时监管检测数据，可以对数据异常进行反控。（微视频指导学生课外学习）

学生活动：课后有兴趣可以进行编程尝试，实现这一功能。

3.教学评价与分享

本课程采用项目小组内部评价与教师评价相结合的方式。在作品展示环节，可以先进行组内自评、组间他评，然后再进行教师评价。此外，教师可以对小组项目的汇报进行过程性评价；学生则可以从该小组作品设计的美观性、适用性、可操作性等方面进行结果性评价。

在项目的评比、交流过程中，教师引导学生对作品进行优化，不断改进完善智能猫，培养学生的逻辑思维能力、抽象思维能力以及自主创新能力，同时也提升学生的社会责任感。

4.教学反思

在教学设计中，教师应珍惜学生“试错”的机会，因为“试错”本身就是一种学习，而不是一味地追求教学预设与实验结果完全一致。当出现预设与实验结果不一致时，应当积极地引导学生找出问题所在，然后调整方案直至问题解决。在教学过程中，应以拓展学生计算思维为核心，让学生在课堂上思考、实践，协作开展学习交流，体会到人工智能技术发挥的重要作用。

结束语

在小学阶段开展人工智能教育，需要充分考虑学生的认知能力、知识水平等因素，分层次地设计人工智能课程内容。在人工智能教学中，教师应重视对计算思维的培养，将计算思维融入到理论和实践教学的各个环节，锻炼学生抽象、分解、转换以及仿真能力，进而提高学生的创造力和处理现实问题的能力，从而为人工智能的发展培养新一代“智能”人才。

参考文献：

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本论文为江苏省教育科学“十四五”规划2021年度课题“基于计算思维测评的小学生阶梯式编程教育研究”（批准号为：D/2021/02/543）的成果之一。