人工智能在信息技术教学中的实践探索
沈菊峰
【摘 要】人工智能作为引领未来的战略性新兴技术，正在深刻影响着社会的方方面面，也将深刻改变我们的生产生活方式。在教学研究和应用中，教师应在观念上，重视人工智能教育;在教学中，融入人工智能技术;在课程上，体验人工智能应用。由此，要正视学生的基础现状和接受能力，着力培养学生的思维素养，充分发挥好教师的专业优势和能力特点，在小学信息技术课程的基础上扩展延伸人工智能的教学探索。
【关键词】人工智能;信息技术;编程思维
【中图分类号】G434? 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2020）02、03-109-04
近年来，随着人工智能技术的快速发展，深度学习、跨界整合、人机协同等新特性，使得人工智能技术的应用场景越来越丰富;推动着社会各个领域经历从数字化、网络化向智能化跃升和革新，深刻改变着人们的生活方式和思维模式。
2017年国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确指出，人工智能已成为国际竞争的新焦点。我国应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育、建设人工智能学科。2018年教育部印发了《教育信息化2.0行动计划》，明确要求要完善课程方案和课程标准，使中小学人工智能和编程课程内容能充分适应信息时代、智能时代发展需要。这个时代背景下，在充分调动学生学习兴趣，提升学生的信息意识、计算思维、数字化学习与创新等核心素养的同时，也对如何开展以人工智能为内容的信息技术教学提出了新的要求。
在观念上，重视人工智能教育
人工智能（Artificial Intelligence），英文缩写为AI。它是研究开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。但纵观国内小学人工智能课程现状，当前的课程尚存在以下不足。
一是人工智能课程重视技能训练，轻视计算思维的培养。
从当前的课程实践来看，中小学的人工智能教育主要依托编程教育和机器人教育来开展。编程教育，多停留在指导学生利用程序设计语言完成具体的编程题目。现阶段中小学人工智能教材大多属于产品说明书或用户指南类，缺少对学生思维能力培养的科学引导。
二是人工智能课程缺少相对完善的课程内容体系。
从课程内容来看，人工智能教育主要依托于信息技术课程、STEM课程、创客课程、计算机科学课程来开展，从小学、初中到高中都有不同专题的人工智能相关课程，但是这些课程是碎片化的，缺少对人工智能意识、方法、能力目标的系统化设计。从课程的学段设置来看，人工智能教育多在初中、高中开展，小学甚少涉及。
因此，对当前人工智能教育需要给予足够的重视，人工智能课程需要建立覆盖小学到高中的完善的课程体系，从而让学生接受系统的人工智能教育。
在教学中， 融入人工智能技术
人工智能技术应用范围广，主要是机器视觉、听觉、触觉、感觉及思维方式的模拟，如指纹识别、人脸识别、视网膜识别、掌纹识别、智能搜索、语音识别等等。能与人工智能技术搭上边的有很多，这些都是能够让学生感兴趣的，但是要找一個符合小学生年龄段学习的内容却并不多。最后定“单词识别”这个内容，笔者的意图是英语单词本身就是小学生课堂上学习的内容，程序设计从易到难，循序渐进，让学生初步掌握编程的基本流程，不论是内容还是技术，学生能够容易理解和掌握。
1.以生活实例激情引趣，引入课题
兴趣是推动学生学习的内部动力，是影响学生学习自觉性和积极性的直接原因。学生如果对学习产生了兴趣，就会产生一种积极的情绪状态，鼓舞学生认真而愉快地主动学习。在实际教学中，教师应该依托实际生活场景，以学生生活中熟知的应用、感兴趣的高科技领域应用背景，通过清晰的视频、逼真的动画等信息技术手段，为创设激发学生兴趣的教学提供有力支持。
例如，在“单词识别”的课例教学引入中，先请学生看一段关于人工智能改变生活的视频。在这个视频中，出现频率最高的词是“人工智能”，在短短的1分钟内出现6次。教师说：“在我们的生活中已经出现了人工智能的技术和应用产品，特别是交通工具占了大部分。所以，现在我们的出行越来越方便了。”接着教师出示视频中的智能娃娃图片，提问：“它有什么功能？”学生回答：“辛迪智能娃娃，能说出写在卡片上的英语单词，可以识别650个单词（图1）”。教师：“对，人工智能娃娃。今天这节课我们一起来设计‘单词识别功能。”
像这样，教师通过有趣的视频和图片引入课题，让学生通过各种感官的刺激，带着问题主动探究知识，从而轻而易举地吸引学生参与教学活动。
2.以编程软件为依托，初步体验
慧编程是一款面向steam教育领域的积木式和代码编程软件，基于Scratch 3.0开发而成。孩子们可以通过拖拽积木块或编写Python代码，创作有趣的游戏、动画，激发想象力和创造力。更重要的是，慧编程将AI引入编程教学，让用户使用前沿科技，编出前沿创造力。它融入了微软认知服务和谷歌深度学习功能，可编程实现如人脸识别检测年龄和电脑玩“剪刀石头布”游戏等好玩的应用，让孩子轻松理解 AI 技术背后的逻辑和原理，实现更多创造。
例如，在“单词识别”教学的“初步体验”环节中，教师先应用事先设计好的程序，让学生亲自体验到成功的喜悦，充分调动了学生的积极性和主动性，同时对程序充满了好奇，让学生体验到将知识应用于实践中的快乐。教师课前给每个学生注册账号，课上再简单介绍下“慧编程”软件。请学生添加人工智能模块“认知服务”指令，并进行简单了解。由于指令通俗易懂，学生很快就能找出跟“单词识别”相关的指令，结合已有的编程基础，做好编程的准备。
3.以自然语言描述编程思想，找出问题
慧编程支持对硬件编程，编程结果通过硬件直接呈现，给学生带来更强的成就感，激发其编程学习兴趣。同时，慧编程与硬件搭配可实现虚实结合的多种玩法，让课堂教学的内容和形式更丰富。有时我们会碰到程序设计本身没有问题，结果完全符合要求，但在现实调试操作中，一些外部因素会影响检测，使得不能达到预期效果的情况。
例如，在“单词识别”教学的“尝试设计”中，面对“编写一个识别英文的程序”制作任务，学生能够小组讨论、互相帮助。教师帮助学生分析程序，引导学生用自然语言描述程序设计的想法，然后让学生尝试编程，并检测是否成功（图2）。在操作中，教师发现大部分学生能完成程序的编写，而且程序本身是正确的，但在识别手写英文时，成功率不高。那是什么原因呢？学生回看自己的操作步骤，发现字写得潦草、字迹淡、手拿卡片不稳、拿到摄像头前速度太慢等等，这些都有可能导致程序的验证失败。
所以，在平时生活中，要让学生多认识人工智能，体验各种人工智能产品。让学生学会与较复杂的智能工具打交道，进一步了解人工智能在生活中发挥的作用，自己分析体验所涉及的人工智能的相关技术。
4.以流程图分析计算思维，重在感悟
使用流程图可以辅助小学生学习程序设计，将复杂的问题与过程直观化，帮助学生加深对程序设计的理解，提高课堂学习效率。
例如，在“单词识别”教学的“正确识别”中，学生设计程序时，可以利用原有的思维模式先行解决部分问题。学生都能完成“能识别英文”的程序，但是本课需要解决的教学难点是“识别正确的单词”，反之，不正确的单词就不能识别出来。教师引导学生理解其中的差异，可以让学生用“如果……就……”的句式来整理问题描述，厘清判断的条件及条件成立后要执行的内部脚本。待学生解决难点后，教师可引导学生根据上一环节的程序设计，说出一个条件判断的程序流程，顺势出示流程图，由学生说出对应的脚本。这种从流程图再到脚本图的正向引导，是程序设计整体思路的一次梳理。
接着，教师再次利用脚本图引导学生说出对应的指令功能。这种从脚本图到描述指令功能的反向理解，是程序设计整体思路的二次梳理。通过正反两次的梳理，就能帮助学生建立程序设计的流程步骤并理解算法，彻底解决教学难点。这样的教学方法，既初步完成了任务脚本，又训练了学生的计算思维。
5.以精简高效解决生活问题，收获知识
程序设计是思维抽象性、逻辑性很强的学习内容，而且内容比较枯燥。学生不容易理解，往往不愿意学。教师要在原有程序设计正确的基础上，对其简化，方便学生分解大问题，逐一破解小问题。就这样降低了学习难度，而且训练了学生的分解思维能力和程序整合思维能力。
例如，在“单词识别”教学的“正确识别多个单词”中，教师请学生思考如何识别更多的单词。学生想到的是增加多个条件語句，并验证他们的想法是正确的。这样可以解决识别多个单词的问题，但同时带来一个问题，程序越来越长，不精简，以后修改也不方便。教师提问有没有更好的方法简化程序。教师出示修改过的程序设计图，学生尝试检测后成功，使学生深刻感受到程序设计要灵活运用。
在课程中，体验人工智能应用
小学人工智能课程应重在让学生感悟人工智能对生活和学习的影响，体验生活中的人工智能，直观地了解人工智能的特点，激发探究的热情和积极性。在教学中可以选择一些贴近学生日常生活的话题和素材，比如围绕人工智能医生可讨论的话题有：为什么需要机器医生、哪些工作机器医生更擅长、机器医生诊断与人类医生诊断的异同、机器医生会取代人类医生吗、机器医生误诊怎么办等等，这些贴近生活实际问题的讨论本身就是人工智能科普的好形式。再例如，通过语音识别、刷脸测表情、测年龄等技术，让学生对人工智能的应用领域等建立直观的认识，让学生知道人工智能可以做什么、不可以做什么;从认知视角体验人工智能的用途，学习如何与人工智能机器人合作，如何利用简单的人工智能工具来提高工作效率，更好地为我们的学习、生活、工作服务等等。
