基于计算思维培养的人工智能教学探究

张奉霞 郎玉静

摘要：人工智能教育的核心在于培养学生的编程兴趣，提高学生动手实践能力、利用人工智能的思想分析解决问题的能力，确切地说，是培养学生的计算思维。本文结合实例，详细阐述了在人工智能课堂教学中培养计算思维的具体做法，希望能为人工智能课程教学提供一定的参考。

關键词：计算思维;人工智能

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）12-0073-02

中小学人工智能课程的培养目标并不是要培养人工智能的专门人才，其核心是通过体验和感受人工智能，培养学生的计算思维，提高学生解决问题的能力。笔者所在学校自2020年起就开设了人工智能课程，采用华东师范大学出版社出版的《AI上未来智造者》系列丛书，通过系统性、科学性的课程内容设计，让学生接受体系化的人工智能教育，在培养学生编程兴趣的同时，提高其动手实践能力、利用计算机的思维方式分析解决问题的能力，并将这种能力迁移到解决实际问题中。

● 人工智能课程教学中培养计算思维的步骤

关于计算思维的测评维度，被广泛认可的有问题分解、模型抽象、算法与逻辑、问题评估、总结归纳几个维度。因此，在人工智能课堂中，教师可以参照计算思维的测评维度，结合学生的认知发展规律，按照“问题分析—建构模型—抽象分解—问题建模—编程实现—测试调整—拓展提升”的思路来培养学生的计算思维，并在每一步中都渗透计算思维的测评维度。

①问题分析。通过人工智能模型的体验，从分析中提取有用信息，感受人工智能给生活带来的影响。

②建构模型。在理解各种传感器工作原理的基础上，搭建简单的智能系统模型。

③抽象分解。将编程思路细化，形成程序流程图。

④问题建模。进一步细化程序，为每一步找到相应的代码块，形成解决问题的建模能力。

⑤编程实现。利用图形化编程平台，完成程序编写。

⑥测试调整。通过作品分享，发现模型及程序中存在的问题，不断修改、调整，完善作品。

⑦拓展提升。结合生活实际，设计与开发创新性人工智能作品。

● 基于计算思维培养的人工智能课程教学实践案例

根据以上分析，笔者以《智能垃圾桶》一课的教学内容为例展开研究。本课的教学任务是通过搭建智能垃圾桶，提高学生动手实践能力，结合生活实际，让学生了解超声波传感器的应用，利用“如果…否则…”嵌套侦测语句，控制舵机的动作，实现垃圾桶的智能感应功能。学生在此项目实施过程中，通过解决遇到的实际问题，完成知识的建构，并通过算法与编程，实现计算思维的培养。

1.感受人工智能

本模块通过生活中垃圾桶常见的问题，如不美观、不卫生、开盖不方便等，引出制作智能感应垃圾桶，然后通过视频以及作品演示的方式，让学生直观感受，了解智能科技的发展，以及人工智能给人们生活带来的改变，激发学生学习本课的兴趣。

2.体验人工智能

（1）问题分析

教师引导学生观察智能垃圾桶的演示视频，思考会用到哪些主要的零件，并明确：红外测距传感器的测距范围是0～20厘米，超声波传感器的测距范围是3～400厘米。学生结合实际，得出要用超声波传感器。

另外，智能垃圾桶除了用到超声波传感器，还用到了连杆传动装置。学生对连杆传动结构普遍比较陌生，教师可以播放视频，让学生观察作品是如何实现连杆传动的。

（2）建构模型

在分析基本原理的基础上，学生根据教师演示的作品模型以及相关资料，初步搭建出作品模型。通过人工智能作品的搭建，锻炼和培养了学生的动手操作能力和建造能力，同时加深了其对超声波传感器和连杆传动装置的理解和认识。

（3）抽象分解

此环节，让学生通过回顾作品的演示抽象分解程序。当超声波传感器的距离小于10厘米时，则表示有人，垃圾桶盖子打开，否则表示没有人，盖子关闭。学生据此将问题一步步进行拆分，在将问题化大为小的过程中，学生基本能够理清编程的思路，并根据对问题的分解，形成流程图。

（4）问题建模

趁着学生思维正活跃，教师进一步提问：用哪些程序块可以实现这些动作？学生根据已有的图形化编程知识，可以说出需要用到“如果…否则…”语句进行条件的判断，如果超声波传感器距离小于10厘米，那么垃圾桶打开盖子，否则，盖子关闭。而判断条件即超声波传感器的距离需要用到侦测模块。这里用到的垃圾桶开和关两个动作的编程，则需要学生自主探究动作编程的步骤。根据对问题的拆分，为每一小步找到相关的代码块，形成解决问题的模型，并确立各模块之间的逻辑关系，这既是对旧知识的回顾，也是对新知识的探究，同时培养了学生的逻辑思维能力。

（5）编程实现

编程实现环节主要是让学生用代码来实现上述分析的功能。这里学生以小组为单位，先自主创作，遇到问题再合作探究。学生在编程的过程中，不仅可以巩固所学的人工智能知识，而且可以锻炼计算思维。

（6）作品分享、测试调整

该环节组织学生进行作品和程序的展示。通过作品展示，发现模型搭建中存在的问题，尤其是连杆传动装置是否合理;通过程序展示，让学生进行人工智能的体验，根据程序运行中出现的问题，不断进行修改、调试，优化程序。同时，学生在展示的基础上进行一定的经验分享，这样更容易激发其学习人工智能的兴趣，提高自信心。

（7）拓展提升、归纳总结

教学过程的最后一步是创作个性化作品，实现问题解决能力向生活的回归。学生将作品进行优化、创新，培养创新思维，同时将课堂中学习到的知识应用于现实生活，解决现实中的问题，实现知识的拓展和思维的提升。在教学中，鼓励学生在原有作品上进行创新，同时也鼓励学生用所用到的超声波传感器、舵机、连杆传动装置、动作编程等，创作新的作品，实现自己的想法。

● 总结

从实践效果来看，人工智能课堂教学不仅可以有效发展学生的计算思维，还能提升课堂教学效率，学生的创新思维和问题解决能力都能得到显著提升。

参考文献：

[1]谢忠新，曹杨璐，李盈.中小学人工智能课程内容设计探究[J].中国电化教育，2019（04）：17-22.

[2]刘晓玉.面向计算思维培养的中学信息技术PBL教学模式研究[J].中国信息技术教育，2018（01）：34-36.