黃靜?李幸?余盼

【摘 要】基于設(shè)計的人工智能教學(xué)模式包括：情境感知、協(xié)作方案設(shè)計、算法編程、作品制作、改進完善作品、交流演示評價。該模型融合計算思維的基本要素，以解決復(fù)雜的結(jié)合真實生活情境的人工智能問題為主，以設(shè)計為載體，深度融合人工智能教學(xué)要素，可以更好地培養(yǎng)小學(xué)生計算思維。

【關(guān)鍵詞】人工智能 基于設(shè)計 計算思維

計算思維是人工智能時代智慧型人才的必備素質(zhì)，是讀、寫、算之外的又一項基本素養(yǎng)。計算思維是涵蓋算法思維、創(chuàng)造力、批判思維等多元能力的高階應(yīng)用型技能，用以進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解。學(xué)生通過編程解決實際問題可以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的思維模式，學(xué)會從計算思維的角度去分析問題并找出使用計算機解決問題的路徑。但由于當(dāng)前人工智能課程缺少教學(xué)模式的指導(dǎo)，忽略真實生活情境，不重視技術(shù)與其他學(xué)科內(nèi)容的融合，計算思維因而失去其解決真實世界復(fù)雜問題的內(nèi)核價值。因此，如何構(gòu)建本土化的教學(xué)模式，精準(zhǔn)培養(yǎng)計算思維，是教育工作者與教育研究者亟須解決的問題。

基于設(shè)計的學(xué)習(xí)（Design-based Learning，DBL）模式共分為五步：鑒別與定義情境、背景研究、開發(fā)個人與集體觀念、構(gòu)建產(chǎn)品、反饋?；谠O(shè)計的學(xué)習(xí)對于問題解決能力、批判思維、創(chuàng)造力、協(xié)作思維均有顯著的提升作用。

一、培養(yǎng)學(xué)生計算思維的教學(xué)模型

學(xué)習(xí)者在分析與設(shè)計的過程中，收集數(shù)據(jù)，評估方案，形成想法，最終建構(gòu)自己的知識。在設(shè)計流程圖和編輯程序的過程中，通過反復(fù)思考“如何做”“需要什么”“為什么”“是怎樣”，最終借助計算機解決現(xiàn)實問題。學(xué)生收集與分析信息的過程是批判思維的重要部分;在小組討論的過程中設(shè)計產(chǎn)品方案，提升創(chuàng)造力;借助計算機將真實世界中的問題轉(zhuǎn)換成編程設(shè)計，在編程的過程中開發(fā)產(chǎn)品的原型，培養(yǎng)算法思維;在作品的修改與迭代中，提升創(chuàng)造力和設(shè)計思維;在作品的展示分享中，進行反思和深化。整個學(xué)習(xí)過程體現(xiàn)出學(xué)生解決真實世界復(fù)雜問題即計算思維的能力。

基于設(shè)計的人工智能教學(xué)模式由三部分組成：一是基于設(shè)計的學(xué)習(xí);二是人工智能的學(xué)科知識，即具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容;三是計算思維。以基于設(shè)計的學(xué)習(xí)作為基本流程，融合人工智能的學(xué)科內(nèi)容，最終提升學(xué)習(xí)者的計算思維。包括六個方面。

情境感知。學(xué)習(xí)者鑒定真實的情境問題，明確學(xué)習(xí)任務(wù)。以與生活息息相關(guān)的真實情境知識為核心，結(jié)合AI技術(shù)設(shè)計整體教學(xué)主題，融合計算思維實踐，包括問題分解與問題抽象。

協(xié)作方案設(shè)計。頭腦風(fēng)暴設(shè)計產(chǎn)品方案，繪制解決問題的流程圖;在設(shè)計的過程中融合計算思維，包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、并行處理。

算法編程。學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)編程與算法，主要是學(xué)習(xí)基于編程軟件的編程與計算概念，融合計算思維實踐，包括算法與過程、自動化、模擬等。

作品制作。應(yīng)用學(xué)習(xí)到的編程與算法知識構(gòu)建物理實物與虛擬編程相結(jié)合的產(chǎn)品原型，該部分融合較多的計算思維實踐，如數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、算法與過程、自動化與模擬。

改進完善作品。該過程通過測試產(chǎn)品的編程部分以及物理構(gòu)建部分，確保迭代完善改良產(chǎn)品。

交流演示評價。小組開展評價反饋工作，包括梳理和總結(jié)學(xué)科知識、匯報產(chǎn)品制作過程以及收獲。計算思維實踐包括數(shù)據(jù)分析、并行處理。

二、基于設(shè)計的人工智能教學(xué)實踐—以“文字識別小助手”一課為例

1. 教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)分析

“文字識別小助手”是人工智能教材中“智能學(xué)習(xí)伙伴”章節(jié)中的一課，主要是讓學(xué)生通過體驗來感知人工智能中的文字識別技術(shù)，理解文字識別的工作過程，體會其在學(xué)習(xí)上的應(yīng)用。為了給學(xué)生營造真實的問題情境，研究結(jié)合學(xué)生正在學(xué)習(xí)的語文學(xué)科中第六單元的“語文園地”中的生詞，設(shè)計“識字接龍”游戲，與機器人比賽認(rèn)讀生詞，在體驗的過程中產(chǎn)生真實的問題—“機器人是如何認(rèn)讀的？”“怎樣設(shè)計一個智能文字識別小助手幫我們認(rèn)讀生字呢？”從而引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)主題—設(shè)計智能文字識別小助手。

通過編程設(shè)計智能文字識別小助手，將想法用流程圖表示出來，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、計算思維、創(chuàng)造力等。

本節(jié)課涉及的具體的知識點有：了解文字識別技術(shù)及其應(yīng)用;通過程序設(shè)計完成智能文字識別小助手的制作;在文字識別小助手的幫助下學(xué)會生字、生詞。

2. 教學(xué)對象與教學(xué)環(huán)境

本節(jié)課的教學(xué)對象是三年級9班45名學(xué)生。學(xué)習(xí)人工智能課程之前，學(xué)生均沒有接觸過編程，個別學(xué)生對人工智能技術(shù)的應(yīng)用有一定的了解。

教學(xué)的環(huán)境是學(xué)校的人工智能教室，有充足的平板電腦、機器人、筆記本電腦設(shè)備，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，教室桌椅可以隨意組合，學(xué)生學(xué)習(xí)的空間較為自由，學(xué)習(xí)資源充沛。

3. 教學(xué)設(shè)計與實施

（1）情境感知

計算思維解決問題的第一步是界定問題，體驗作品的過程也是界定問題的過程。通過與機器人一起玩“識字接龍”游戲（見圖1），體會計算機強大快速的計算功能和海量的存儲功能，激發(fā)學(xué)生對人工智能技術(shù)中文字識別技術(shù)探索的興趣。以真實的情境知識為核心，學(xué)習(xí)基本知識框架中的科學(xué)概念與知識，設(shè)計整體教學(xué)主題。

（2）協(xié)作方案設(shè)計

到底什么是文字識別呢？學(xué)生通過視頻學(xué)習(xí)和理解文字識別的應(yīng)用及工作的過程，初步理解人工智能技術(shù)工作的原理，思考如何運用信息知識與技術(shù)去解決問題—設(shè)計文字識別小助手。學(xué)生在思考問題解決的過程中進行理性分析，將一個復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)變?yōu)槿舾杀阌诮鉀Q的簡單問題：讓機器聯(lián)網(wǎng);獲取數(shù)據(jù)庫信息;啟動文字識別的功能;讓機器看到生字單;讓機器讀出文字識別的結(jié)果。

（3）算法編程

學(xué)生借助流程圖厘清解決問題的思路，借助圖形化編程軟件和開源機器人進行程序的編輯，將設(shè)計方案變成現(xiàn)實，初步體驗用機器實現(xiàn)想法的過程，通過探索理解程序設(shè)計的關(guān)鍵指令（見圖2）。

實現(xiàn)功能的過程就是算法設(shè)計的過程，學(xué)生將問題分解為小的步驟，思考使用哪些指令、通過什么樣的語法設(shè)計實現(xiàn)目標(biāo);再通過編寫程序?qū)⒔巧袨槌橄鬄樗惴?，編寫、調(diào)試程序的過程實現(xiàn)計算思維的增量和迭代。

（4）作品制作

學(xué)生優(yōu)化算法、完善代碼，利用學(xué)科內(nèi)容知識進行編程和工程設(shè)計，構(gòu)建物理實物與虛擬編程相結(jié)合的產(chǎn)品原型，完成文字識別小助手的制作、產(chǎn)品說明書的制作。作品制作的過程需要小組分工，以協(xié)作的方式完成，充分體現(xiàn)了小組的合作能力。

（5）改進完善作品

學(xué)生在完成最基本的文字識別助手設(shè)計的任務(wù)之后，教師組織學(xué)生思考當(dāng)前作品中存在的不足，以及是否有更多的需求，以小組為單位討論，提出優(yōu)化方案，整理思路，并將解決問題的方法以流程圖的形式展示出來，然后根據(jù)優(yōu)化的流程圖來設(shè)計新的程序，確保迭代完善改良產(chǎn)品。該活動可以讓學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造力和動手實踐的能力，借助計算機實現(xiàn)心中的所需所想。

學(xué)生將問題解決方法通過流程圖進行設(shè)計分析，體現(xiàn)了計算思維中“抽象”“分解”“概括”等重要方法;并運用圖示將大問題分解成小問題，從最基礎(chǔ)的問題開始求解，直到整體問題被解決。

（6）交流演示評價

學(xué)生以小組為單位展示作品，首先介紹流程圖的設(shè)計思路，然后演示作品的功能，全班互評。作品的展示和評價可以幫助學(xué)生從更全面的角度看待問題，在評價他人作品的同時也不斷反思自己的方法思路是否存在問題，是否需要優(yōu)化等，還可以幫助學(xué)生個體利用群體資源，促進學(xué)生更深入理解計算思維概念，建構(gòu)計算思維知識體系。

本研究通過基于設(shè)計的人工智能教學(xué)模式開展小學(xué)人工智能課程的教學(xué)，將計算思維融入實踐項目中，讓學(xué)生在真實的問題情境中理解問題、定義問題，通過小組協(xié)作制定問題解決的方案，設(shè)計流程圖，借助編程工具讓機器解決實際問題，從計算思維的角度去分析問題并找出使用計算機解決問題的路徑。全新的思維方式可以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新動力，在解決復(fù)雜問題的過程中也能發(fā)展合作和溝通的能力。當(dāng)然，本研究也存在一些不足，對于影響計算思維發(fā)展的其他諸如環(huán)境、資源等因素沒有加以分析，后期將繼續(xù)深入研究。

（作者單位：1、3. 湖北省武漢市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)實驗小學(xué);2.江漢大學(xué)數(shù)字媒體技術(shù)系）

責(zé)任編輯：孫昕