面向计算思维的高中人工智能课程设计与教学实践

摘要：本文以人工智能课程内容为载体，以计算思维、项目式教学为理论基础，设计了人工智能课程教学的一般教学过程，并以《人脸识别机器人》为例进行了实践教学。实践发现，基于人工智能课程的一般教学过程，能够有效促进学生的计算思维发展。

关键词：计算思维；人工智能；项目式教学

《普通高中信息技术课程标准（2017版）》（以下简称“新课标”）强调了计算思维的重要性。那么，计算思维是什么？计算思维的定义可分为一般定义与操作定义，前者注重描述计算思维的基本特征，后者强调问题解决过程中的一些基本认知能力。一般定义认为，计算思维是将人脑的思考过程步骤化，通过应对一系列计算机的执行操作的方式，来设定不同问题的应对方案。而操作定义认为，计算思维是一种解决问题的流程，需要使用步骤化的方法将具体的场景结构化，从而设计应对的模型、编写相应的逻辑、设计解决方法以及归纳总结该方法运用到的类似场景。在新课标中，计算思维被定义为：在个体运用计算机科学基本概念解决问题的过程中产生的一系列思维活动。该定义强调的是在计算机学科中的解决问题的方法和思考方式，强调的是将这些方法和思考方式迁移到实际问题的解决中。笔者认为这与计算思维的操作定义理念是一致的。那么，作为一名一线的高中信息技术教师，应贯彻落实新课标的核心理念，应在教学中培养学生的计算思维。基于此，笔者通过在教学实践中不断思考、总结，认为人工智能课程或可成为培养学生计算思维的载体。因此，笔者尝试以人工智能课程为例，探究计算思维培养的可行性。

基于人工智能课程培养计算思维的可行性

人工智能是未来教育发展的趋势，也是新课标的重要组成部分。新课标明确了人工智能的地位，同时也要求学生掌握基本的人工智能技术与知识。那么，如何将新课标的理念落地？如何在教学实践中开展人工智能课程？这些问题成为广大一线教师关注的热点。自2019年起，笔者所在学校建设了人工智能实验室，开发了人工智能课程体系，常规化开展了人工智能校本课程。作为课程开发者与实践者，笔者通过反复实践，认为基于人工智能培养计算思维具有一定的可行性，具体原因如下：

其一，理论可行性。计算思维作为新课标的四大核心素养之一，具有一定的指导性和引领性。人工智能作为新课标的重要组成部分，必然遵循计算思维的理论内涵与实施策略。立足新课标视角，计算思维与人工智能应属于上位理念与下位载体的逻辑关系。因此以人工智能课程为载体，尝试培养学生的计算思维，理论上是可行的。

其二，环境实践可行性。人工智能课程的开设须具备一定的软硬件，需要有体系化的课程内容，以降低非课程设计因素对研究结论的影响。在软硬件设备方面，笔者所在学校的人工智能实验室具备较为完整的软硬件设备。

其三，教学操作实践可行性。当计算思维作为具体教学工具时，其基本步骤为：对问题的描述→对解决方案的设计→对实施方案的介绍、落地与评价。这与计算思维的操作定义基本一致。当人工智能课程作为实践类课程时，其基本过程为：面对真实情境→提出解决方案→解决真实问题。笔者认为作为教学工具的计算思维的基本流程，符合人工智能课程教学实践的基本逻辑，因此尝试以计算思维为工具的人工智能课程教学实践，是具有可行性的。

面向计算思维的高中人工智能课程设计

计算思维作为教学工具，虽然其基本步骤及内涵对教学具有指导性，但对教学过程组织的启发性不足，因此笔者引入了项目式教学理论。“项目式学习”是以学生为中心，从真实情境出发，围绕动态的劣构问题或模拟现实的决策问题，通过团队协作进行开放性探究，并发布成果，最终达到知识构建与自身能力提高的学习模式。因此结合新课标的教学内容，项目式教学应包含如下阶段：①准备阶段，包含确定主题、制订目标、确定项目实施流程、厘清问题本质、组建团队等；

②实施阶段，包含对问题循环探究、提出问题解决方案、实施问题解决方案等；③评价阶段，包含学生展示成果与评价、总结知识与经验、项目汇总与反思等。

在该教学理论的基础上，笔者结合人工智能课程内容，以计算思维培养为目标，设计了如图1所示的一般教学过程。

该教学过程分为设计、搭建、编程、汇报四个环节，即四个课时。

①设计环节。该环节包括问题呈现、小组组建、问题解决方案设计三个部分。其一，问题呈现。需要结合真实的问题情境，给学生呈现生活化、趣味化的情境性问题，并引导学生总结归纳出问题本质。其二，小组组建。根据问题，学生自发组织小组，原则上小组有四名成员，应分别具有组织能力、较强的动手能力、较强的代码编写能力、演讲汇报能力。该方法组建的小组，能够更有效地激发学生个人主观能动性。其三，问题解决方案设计。根据呈现的问题，小组内部展开头脑风暴，结合教学任务单中的提示，设计问题解决方案。最后，各小组总结汇报自己的问题解决方案，并在课后修改完善。

②搭建环节。搭建环节的理论基础是项目式教学中的实施环节和计算思维中的“对实施方案的落地”。基于问题解决方案的设计，学生可以选择不同的设备，如可以选择XF的未来派II、YBX等半开放平台，也可以选择树莓派、Arduinouno板等全开放平台。不同平台的硬件设备不同，搭建方案也不同，但都能实现理想效果，因此在实践过程中可以根据实际情况调整问题解决方案。

③编程环节。编程环节的理论基础与搭建环节相同。现行主流编程方式为模块化编程，该方法具有高效、简单、易懂的特点。但在新课标的指导下，高中信息技术以Python语言为主。因此在此环节需要根据教学目标、学生基本情况等来选择编程方式，在实施过程中可以按需调整问题解决方案与模型。

④汇报环节。汇报环节的理论基础是项目式教学的评价阶段和计算思维中的“对实施方案的介绍、落地与评价”。各小组根据设想、准备、过程、结果、反思、效果等六个方面制作汇报方案，其余小组依据评分细则进行评价。最后教师引导学生对实施过程中的知识与经验进行归纳总结，并发布成果。

面向计算思维的高中人工智能课程教学实践

人脸识别技术是人工智能的核心技术，该技术应用广泛，贴近生活。学生对该技术比较熟悉，容易理解该技术的原理。因此笔者选取《人脸识别机器人》一节为例，展开教学实践活动，具体活动过程如下。

第一课时：设计

①呈现问题。遵循情境性、真实性原则，笔者以学校人脸识别验证闸机为背景设计问题。教师提问：“同学们，每天早上你们进校门时，闸机会通过人脸识别验证判定你是不是本校学生，如果是，就开门放行。请大家讨论如何搭建一个简易版闸机。”学生通过头脑风暴，对问题展开了讨论，在此情境下，笔者不断提问引导，帮助学生深挖问题本质。

②小组组建。通过对问题的了解，给出组队原则，要求同学们组建队伍，并进一步讨论问题。

③问题解决方案设计。在完成组队后，小组应依据任务单要求完成问题解决方案设计。任务单包括组名、组员、选题、设想、可预见问题与解决方案设想、器材需求、遇到的困惑与问题、总结反思等。

另外，笔者会从方案设计、时间、汇报内容、汇报格式、汇报时间等方面给出具体要求，在本课时最后，各小组进行简要汇报，小组之间相互评价。

第二课时：搭建

①选择主板。笔者合理化利用已有资源，选择了XF的主板套装。

②选择搭建材料。为学生提供主板套装、搭建指导手册、工具清单、工具使用注意事项等材料。

③汇报成效。各小组依次简要介绍自己的搭建进度，未完成的学生可以在课后继续搭建完成。需要注意的是，在该环节学生参与度各不相同，因此需要组长结合“组长评价表”（如图2）组织活动。另外，组长可在第三课时填写该表。

第三课时：编程

编程是本课程的关键，编程能否成功，决定了最终成效。为提高学生编程效率，笔者将本课时分为三个阶段。

阶段一：用流程图描述解决方案。笔者提供了基础版的问题解决方案流程图（如图3），要求学生结合小组设计方案，绘制出小组的流程图。随后，各小组依次讲解问题解决方案流程，教师和其余小组积极讨论，并给出建议，最后各小组适时采纳建议，修改流程图。

阶段二：用图形化实现解决方案。图形化编程难度较低，可实时运行调试，效果显著，因此该方法为普适法，所有小组皆可用图形化实现解决方案。但图形化编程对人脸识别技术模块的功能调用有一定要求，其基本逻辑为：调用模块-采集信息-验证信息-反馈结论。学生可在此基本逻辑上添加个性化动作，从而实现不同的功能。例如，可添加伺服电机的驱动模块，改装为移动化人脸识别机器人。

阶段三：用Python实现解决方案。学生在用图形化实现解决方案的基础上，可尝试使用Python来实现解决方案。Python编程难度较高，调试复杂，特别是人脸识别模块调用与相关函数使用的方法，对学生挑战较大。为解决该问题，笔者为学生准备了实验操作手册，该手册内容包括OPEN-CV的简介、调用方法、常用函数及参数设置、人脸识别的简单实现代码、其余常规化操作的代码示范等。

在此环节，学生采用的编程方法不同、各组自身情况不同等因素都会影响实际编程进度，因此需要预留充足的课后时间，便于学生自行组织活动。

第四课时：汇报

汇报环节是本课程成果的呈现，是课程的终点，也是新的起点。汇报过程要求学生以PPT形式汇报8分钟，汇报内容为展示小组成果及核心代码等。各小组依次进行展示，教师给各小组分发学生互评表、评价标准等材料。在小组汇报完成后，教师及其余小组需进行点评，汇报小组可据此完善项目。随后各小组填写相关表格，完善项目内容，教师汇总表格，统计各小组成绩，对优秀小组给予奖励，并鼓励其余小组借鉴、完善本组问题解决方案。最后，各小组发布本组的问题解决方案，并尝试模拟多个类似真实问题，给出问题解决方案的迁移应用策略。

在教学实践后，教师要进行总结反思。对于《人脸识别机器人》一课，笔者认为有以下几点不足：

①课程扎根于项目式教学、计算思维等理论基础，但笔者水平有限，课程设计仍有需要完善之处。②笔者所在学校的设备单一，不能够提供多种硬件设备，限制了学生的想象力。③笔者教学能力、教学组织能力有限，不能够充分发挥课程、学生、设备的价值，对课程效果也有一定影响。

总体来说，本课程以培养学生计算思维为目标来组织教学过程，学生能够掌握问题解决的基本过程，能够发布相关的问题解决方案，能够迁移应用已有成果模拟解决相似问题，这些都是对计算思维过程的具象化显现。因此，笔者认为本研究的教学实践过程能够在一定程度上培养学生的计算思维。

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