【摘 要】人工智能時(shí)代，編程是實(shí)現(xiàn)人工智能的基礎(chǔ)，計(jì)算思維則是問(wèn)題解決的關(guān)鍵。以計(jì)算思維為取向開(kāi)展人工智能編程教學(xué)，將有力地落實(shí)新課標(biāo)理念，改變教學(xué)中偏重程序語(yǔ)法、格式及調(diào)試技法，忽視人工智能解決問(wèn)題的算法和思想的教學(xué)局面。本文在智能車(chē)教學(xué)過(guò)程中，透過(guò)生活中的問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生聚焦對(duì)智能車(chē)原理和算法的理解，弱化代碼編寫(xiě)技能，助力核心素養(yǎng)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維；人工智能；編程教學(xué)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）011-070-02

人工智能正全面進(jìn)入人類(lèi)生產(chǎn)和生活的方方面面，成為繼互聯(lián)網(wǎng)之后第四次工業(yè)革命的推動(dòng)力量。人工智能技術(shù)正在成為智能時(shí)代的基礎(chǔ)，人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、聊天機(jī)器人、工業(yè)和家居機(jī)器人、股票推薦等，人工智能的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用正在遍地開(kāi)花[1]。編程是實(shí)現(xiàn)人工智能的基礎(chǔ)，計(jì)算思維則是智能時(shí)代問(wèn)題解決的關(guān)鍵。以計(jì)算思維為取向開(kāi)展人工智能編程教學(xué)，將有力地落實(shí)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”），達(dá)成信息科技課程培養(yǎng)核心素養(yǎng)（信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任）的目標(biāo)。

人工智能編程教學(xué)的現(xiàn)狀

實(shí)現(xiàn)人工智能豐富多彩的應(yīng)用離不開(kāi)編程，在信息社會(huì)的問(wèn)題解決中計(jì)算思維不可或缺，編程教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要途徑。計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問(wèn)題解決過(guò)程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)。具備計(jì)算思維的學(xué)生，能對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象、分解、建模，并通過(guò)設(shè)計(jì)算法形成解決方案；能?chē)L試模擬、仿真、驗(yàn)證解決問(wèn)題的過(guò)程，反思、優(yōu)化解決問(wèn)題的方案，并將其遷移運(yùn)用于解決其他問(wèn)題[2]。

然而，受傳統(tǒng)觀念和習(xí)慣的影響，人工智能編程教學(xué)中偏重程序語(yǔ)法、格式及調(diào)試技法的現(xiàn)象仍十分普遍。人工智能相關(guān)算法復(fù)雜，對(duì)于義務(wù)教育階段的學(xué)生而言，編程實(shí)現(xiàn)難度極大。學(xué)生花費(fèi)大量時(shí)間輸代碼、調(diào)程序，卻忽視了人工智能解決問(wèn)題的計(jì)算思維和科學(xué)方法，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)習(xí)的效率低下。

計(jì)算思維的編程教學(xué)實(shí)踐

“超聲波傳感器和while循環(huán)的應(yīng)用”是智能車(chē)教學(xué)單元中的一課，教學(xué)過(guò)程中要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活場(chǎng)景中的問(wèn)題，聚焦對(duì)智能車(chē)原理和算法的理解，弱化代碼，探索人工智能的編程教學(xué)。

1.教學(xué)目標(biāo)

信息d6ab44531a707696d8675cff7e3cfbed意識(shí)：了解人工智能（無(wú)人駕駛技術(shù)）對(duì)信息社會(huì)發(fā)展的作用。計(jì)算思維：通過(guò)案例分析理解人工智能（如無(wú)人駕駛技術(shù)）；能采用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法界定問(wèn)題、分析問(wèn)題、組織數(shù)據(jù)、制訂問(wèn)題解決方案；使用簡(jiǎn)單算法，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的自動(dòng)化求解。數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：借助在線(xiàn)平臺(tái)，與合作伙伴協(xié)作設(shè)計(jì)和創(chuàng)作作品。信息社會(huì)責(zé)任：了解人工智能帶來(lái)的倫理與安全挑戰(zhàn)。

2.教學(xué)過(guò)程

（1）導(dǎo)入

教師帶領(lǐng)學(xué)生觀看鄭州市無(wú)人駕駛公交車(chē)上路運(yùn)行的視頻，引出人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域之一——自動(dòng)駕駛汽車(chē)。在人工智能領(lǐng)域，無(wú)人駕駛技術(shù)是熱門(mén)的研究方向。實(shí)現(xiàn)汽車(chē)無(wú)人駕駛，需要汽車(chē)像人一樣，會(huì)觀察路面的情況，會(huì)分析和判斷，并做出相應(yīng)的動(dòng)作，這是非常復(fù)雜和困難的。所以，目前無(wú)人駕駛技術(shù)仍然在研究階段。但是很多新款汽車(chē)已經(jīng)安裝自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)，能在一定條件下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)無(wú)人駕駛。無(wú)人駕駛的車(chē)輛，依靠車(chē)身安裝的超聲波傳感器、攝像頭、雷達(dá)等設(shè)備感知車(chē)輛周?chē)臓顩r，再通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，做出決策，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

教師明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容：通過(guò)超聲波傳感器和簡(jiǎn)單的Python語(yǔ)句，利用商湯教育平臺(tái)中的虛擬智能車(chē)，嘗試實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的無(wú)人駕駛模型。

設(shè)計(jì)意圖：從生活中的信息科技場(chǎng)景入手，將人工智能的應(yīng)用引入課堂，激發(fā)學(xué)生興趣，引發(fā)學(xué)生思考。

（2）介紹超聲波傳感器

教師說(shuō)明超聲波傳感器的作用及其在汽車(chē)上的應(yīng)用。教師向?qū)W生展示商湯平臺(tái)中虛擬智能車(chē)上的四個(gè)傳感器，并使用平臺(tái)提供的get_ultrasound（）函數(shù)讀取傳感器數(shù)值。

學(xué)生在商湯教育平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)：控制智能車(chē)往任意方向運(yùn)動(dòng)后，分別獲取四個(gè)超聲波傳感器的數(shù)值并輸出。將任務(wù)單上的代碼補(bǔ)充完成，并填寫(xiě)運(yùn)行的結(jié)果數(shù)值。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)簡(jiǎn)單的代碼練習(xí)，熟悉讀取超聲波傳感器數(shù)值的方法，為后續(xù)的使用做準(zhǔn)備。

（3）超聲波傳感器的應(yīng)用

教師播放視頻“對(duì)具有輔助駕駛功能的汽車(chē)進(jìn)行自動(dòng)剎車(chē)測(cè)試”，引導(dǎo)學(xué)生思考“如何實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的車(chē)輛前進(jìn)時(shí)，在前方100單位距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)障礙物立即停車(chē)”。對(duì)于這種比較抽象的問(wèn)題，教師帶領(lǐng)學(xué)生把它分解成幾個(gè)小問(wèn)題，逐個(gè)解決，即如何知道前方有障礙物、如何知道距離、用什么語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、如何利用傳感器的數(shù)值控制停車(chē)，引出while循環(huán)語(yǔ)句，并詳細(xì)解釋它的語(yǔ)法及功能。

學(xué)生在商湯教育平臺(tái)上進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)智能車(chē)自動(dòng)前進(jìn)，在障礙物距離小于100單位時(shí)停車(chē)，并將任務(wù)單上的代碼補(bǔ)充完成（圖1）。教師展示常見(jiàn)的錯(cuò)誤代碼，并進(jìn)行分析，提示學(xué)生要縮短傳感器數(shù)值的讀取間隔，才能保證安全。

設(shè)計(jì)意圖：將生活中的無(wú)人駕駛汽車(chē)簡(jiǎn)化為教學(xué)平臺(tái)中的模型。將抽象的無(wú)人駕駛汽車(chē)自動(dòng)剎車(chē)功能進(jìn)行分解，再通過(guò)簡(jiǎn)單的while循環(huán)語(yǔ)句形成解決方案，在教學(xué)平臺(tái)中模擬實(shí)現(xiàn)，并優(yōu)化調(diào)整解決方案。既讓學(xué)生對(duì)無(wú)人駕駛的原理有了初步認(rèn)識(shí)，又通過(guò)簡(jiǎn)單的算法模擬實(shí)現(xiàn)了初步的無(wú)人駕駛。

最后，教師對(duì)學(xué)生完成的作品進(jìn)行展示，并對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行小結(jié)。

計(jì)算思維取向的人工智能編程教學(xué)反思

新課標(biāo)提出探索“場(chǎng)景分析—原理認(rèn)知—應(yīng)用遷移”的教學(xué)。隨著智能汽車(chē)的不斷普及，學(xué)生熟悉無(wú)人駕駛的場(chǎng)景和意義，教學(xué)選取簡(jiǎn)易的無(wú)人駕駛智能車(chē)為主題，借助視頻引導(dǎo)學(xué)生簡(jiǎn)化無(wú)人駕駛的問(wèn)題，對(duì)其原理進(jìn)行抽象并建立編程的模型：超聲波傳感器和while循環(huán)語(yǔ)句，從而將無(wú)人駕駛智能車(chē)的原理分析、算法實(shí)現(xiàn)和編程學(xué)習(xí)有機(jī)地結(jié)合。

數(shù)據(jù)、算法和算力是人工智能的三大要素。新課標(biāo)中明確，要通過(guò)算法的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解利用算法求解簡(jiǎn)單問(wèn)題的基本方式，培養(yǎng)學(xué)生初步運(yùn)用算法思維的習(xí)慣，形成設(shè)計(jì)與分析簡(jiǎn)單算法的能力[3]。教學(xué)應(yīng)依據(jù)算法的難易程度，設(shè)計(jì)學(xué)生編程、程序填空和參數(shù)修改等多種方式，降低編程語(yǔ)言和代碼難度，讓學(xué)生聚焦在問(wèn)題解決的方法、算法的分析和理解。

教學(xué)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合學(xué)生的生活經(jīng)歷和學(xué)科思維，從真實(shí)感受到問(wèn)題分析再到設(shè)計(jì)算法編程解決，體驗(yàn)抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等計(jì)算思維活動(dòng)的整個(gè)過(guò)程，有效促進(jìn)了學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展，提升解決問(wèn)題的能力。當(dāng)然，隨著學(xué)習(xí)的深入和能力的增強(qiáng)，漸進(jìn)地訓(xùn)練編程語(yǔ)言規(guī)范和編程技法，讓學(xué)生既明其“道”，亦善其“術(shù)”，進(jìn)一步提升核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]杰瑞·卡普蘭. 人工智能時(shí)代[M]. 杭州：浙江人民出版社，2016.

[2][3] 中華人民共和國(guó)教育部. 義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

作者單位：江蘇南京市寧海中學(xué)分校

編 輯：徐靖程