基于人工智能教育的编程教学设计与实施

    张晓东

    随着开源硬件以及图形化编程教育在中小学的普及，人工智能逐渐进入了中小学课堂。自动控制作为人工智能的一个重要发展方向，与人们的生活息息相关，其应用范围也越来越广泛。笔者通过对苏教版信息技术教材五年级Scratch《赛车游戏》一课教学设计进行分析，并对此次教学过程进行梳理与反思，总结经验策略，提出人工智能教育的有效路径，希望能为各层次学校开展人工智能教育提供借鉴。

    人工智能教育解析

    人工智能技术在教育领域的应用是当前教育领域的研究热点，它影响教学内容的规划、教学手段的改革和教学支持机制的建设，在中小学阶段开设人工智能课程可以培养青少年对科学技术的兴趣和爱好，增强青少年的创新精神和实践能力，加强他们的科学素养，引导他们树立科学思想、科学态度，逐步形成科学的世界观和方法论。笔者认为，在小学信息技术学科开展人工智能教育的主要任务是培养学生的计算思维、创造性思维、逻辑思考能力、想象力和解决问题能力等。

    人工智能教育开展路径

    1.紧扣编程教学，开展人工智能教育

    为了积极贯彻国务院提出的新的教育方针，部分中小学校开展了针对中小学生的编程教育，在小学阶段，要求学生初步接触机器人和程序设计以形成感性经验。Scratch以其难度低、趣味强的特点被引入到我国的编程教育中。Scratch是一门图形化的编程语言，适合学生学习，当有一定基础后，可以学习更加高级的语言如Python，其操作相对简单和简洁，适用于人工智能的深入学习。

    2.结合算法程序，落实人工智能概念

    在中小学，人工智能相关课程的普及，集中在逻辑思维能力的提高和思维方式的改变上。人工智能涉及广泛的知识，如语音识别、人机对话、人机对弈、神经科学等，这些知识对于小学生来说太过深奥了。因此，在确定人工智能课程的主题时，应注意培养学生的计算机思维、逻辑思维、创造能力，而不是乏味的知识学习。在小学阶段，学生可以理解和掌握程序的语法和算法，包括条件判断、循环语句、分类、侦测、运算等。

    人工智能教育实践

    Scratch编程怎么与人工智能有效结合？应怎么体现Scratch编程在人工智能方面的应用？下面，笔者以苏教版信息技术教材五年级Scratch《赛车游戏》一课教学为例，探讨人工智能在Scratch编程中的应用。

    1.教材内容分析

    人工智能的目标是希望机器能像人类一样思考。《赛车游戏》的主要学习任务是用侦测模拟“传感器”，通过条件语句对“传感器”的返回值进行判断，让一辆賽车由起点自动行驶到终点。根据教学目标可将教学内容分成五部分：设置舞台和角色、分让赛车不断前进、赛车偏离轨道后纠正方向、赛车到达目的地、加入计时功能。重点是第三部分。

    2.问题解决思路

    小学阶段编程的核心思想是培养孩子的逻辑思维。具体来说，就是将复杂的大问题分解成几个小问题，通过分解思维分别解决。分解完问题后，就是识别，即分别检视、思考每一个小问题并寻找解决方案，这是抽象思维。最后是规律识别思维，在编程的过程中，孩子们必须一直做这种训练，发现一些可以重复的单元，把它整合集成起来，让计算机去重复它。

    具体到《赛车游戏》一课中，人工智能概念体现在侦测控件与条件控件的应用上，侦测就是识别，条件控件是逻辑判断处理，学生通过编程实践理解人工智能的概念及实现过程。

    教学设计：

    生：赛车在灰色跑道上一直向前行驶，遇到草地不能拐弯，偏离赛道了。

    师：那请你说说看，怎样解决？（学生的答案也许比较多，教师借此抛出“传感器”的概念）那么，为了更好地判断赛车是否偏离赛道，想不想在赛车上也安装一个传感器呢？

    任务一：选中角色赛车，选取左车灯为红色和右车灯为黄色给赛车画上小圆，作为虚拟“传感器”。

    设计意图：教师提出“传感器”的概念，引导学生主动探究。而后转至任务中解决实际问题，多给学生预留思考空间。

    3.程序测试调整

    “赛车游戏”与学生日常生活联系紧密，在人工智能教学中能收到良好的效果。学生用色块模拟传感器，用条件控件来判断碰到路边自动转向，体会传感侦测数据编程与条件判断语句的应用。

    教学设计：

    师：同学们的赛车都装上传感器了。我们再来试试看，赛车会不会自动拐弯。

    生：赛车可以直线前进了，但不会自动拐弯，会开到绿色草地上。

    师：那怎么办？看来要想使“传感器”发挥作用，只安装在车上还不行，还要让它工作起来。我们要让赛车偏离跑道后自动纠正方向，可以用Scratch中的“侦测”来模拟“传感器”的读值，再通过条件控件对方向进行判断并做出回应处理。如果左边红色的“传感器”碰不到路面，赛车就向哪个方向调整？请一个同学来说说看。

    任务二：请你编写脚本，实现赛车偏离轨道后纠正方向的功能。（请做完的学生一边演示，一边描述编写的脚本含义）

    设计意图：引入“侦测+判断”模拟判断传感器返回值，利用侦测和条件语句实现任务。用语言表达逻辑思路，再将逻辑转换为脚本。

    师：请同学们想想看，除了判断赛车偏离赛道，可不可以判断赛车压到草坪？

    设计意图：此处的判断方式，或者解决问题的方式并不唯一，教师应该起到引导作用，让学生大胆想象，避免束缚思路。同时，在测试调整过程中，学生还会碰到赛车“失控”现象，这时还需引导学生思考改变每次旋转的角度大小，同时还应考虑赛车行驶速度影响因素等。

    结语

    通过实践笔者认为，在小学人工智能教育中，应根据教学需要选择合适的素材和切入点，不仅要明确学生的基础现状和接受能力，还要考虑多数学科教师从未接触过人工智能的现状。同时，课堂活动的组织和内容设计应着眼于能否充分调动学生的兴趣。人工智能课程知识点的讲解应结合学生的生活经验和感兴趣的主题。对于某些有难度的知识点可分解为若干递进式的小问题，通过逐步加深理解，达到课程教学的目的。

    人工智能不神秘，人工智能教育也不是高不可攀。小学阶段的人工智能教育的重点是要教给学生思维和实践的方法，使学生理解人工智能，充满信心地拥抱人工智能的未来时代。