基于计算思维的初中信息技术人工智能单元教学策略与实践分析

文/林俊清

引 言

人工智能也被称作机器智能，通常理解为用来描述模仿人类与其他人类思维相关联的“认知”功能的机器，如“学习”和“解决问题”。其反映数字时代正确育人方向，能帮助学生学会数字时代的知识积累与创新方法，引导学生用信息科技解决问题。在初中信息技术人工智能单元的教学中，教师要讲解其中原理，指导学生利用人工智能分析和解决问题。

一、初中信息技术开发人工智能课程的背景

国务院发布的《新一代人工智能发展规划》明确指出要实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。在初中信息技术人工智能单元的教学中，教师需要结合学科核心素养的内涵，基于信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等重点让学生初步认识人工智能技术以及相关应用，能够运用简单的人工智能技术解决现实问题，明确人工智能技术对学习与生活的重要意义，提升使用人工智能技术的责任感与使命感。

二、重视培养计算思维，做好单元课程设计

初中信息技术教学中，培养学生计算思维要先明确计算思维的内容：计算思维是信息技术学科核心素养的重要组成部分，是指个体运用计算机科学领域的思想方法，通过抽象、分解、建模、算法设计等解决问题的思维。在信息技术单元设计中，教师可以结合单元主题内容，提出问题和布置任务，指导学生经历抽象、分解、建模等思维过程，参与设计算法，形成解决问题的方案，尝试模拟、仿真、验证，反思和优化解决问题的方案，并迁移运用解决其他问题[1]。

以闽教版八年级（下册）第一单元“开源硬件初体验”为例，为更好地培养学生的计算思维，教师应设计人工智能课程，包括人工智能感知、人工智能语言、人工智能问题求解等。这些课程可以培养学生对人工智能的兴趣，指导学生积极参与人工智能应用实验，更好地运用计算思维解决问题。人工智能感知重点是激发与培养学生对人工智能的兴趣，教师可以借助图文与视频资料，引入人工智能发展史，介绍人工智能在人脸识别、语音识别、公共安全等方面的应用，使之感受人工智能在生产与生活中的重要价值。在人工智能语言部分，教师要让学生认识开源硬件及其开发环境，认识micro:bit的硬件和集成开发环境MakeCode，指导学生运用MakeCode编写简单的控制程序等，在程序设计中建构计算思维。在人工智能问题求解部分，重点是让学生通过实验体验与尝试人工智能的应用，如在搭建救援机器人、巡逻机器人等的过程中，尝试人工智能的应用。整个解决问题的过程有情境体验、需求分析、程序设计、调试拓展、分享交流、迁移运用等，教师要将计算思维融入各个教学环节，包括基于抽象方式表示数据，设计算法和形成自动化解决方案，总结此类方法和迁移运用到其他领域，通过指导学生自主合作、探究学习，使其在实践中内化与拓展人工智能知识，更好地培养学生的计算思维。

三、人工智能单元教学的多元化实践路径

（一）加强基础理论教学，打好实践活动基础

初中信息技术人工智能单元教学，一般要分为人工智能理论教学和人工智能实践教学。教师可以根据人工智能理论知识，引入人工智能在生活中的应用产品资料，创设人工智能服务于生活的设计情境，指导学生参与产品体验、观察和记录、总结与提炼等，这样可以将人工智能的抽象概念转变为具体形象的内容，为实践活动打好基础[2]。

例如，关于人工智能基础理论，教师需要提前准备丰富的图文课件与微视频等资源，将人工智能的概念、研究方法、学科角度、能力角度等内容融入其中，推送导学案，方便学生课前自学。同时，教师应在课堂上创设生动情境，让学生初步熟悉人工智能。例如，人工智能的研究方法分为结构模拟、功能模拟、行为模拟，教师可以用手机软件演示人脸识别、语音识别，并提问：这些属于人工智能的哪类研究？让学生基于具体应用理解基础理论。教师还可以展示人工智能其他方面的应用场景，如无人驾驶汽车、图像识别等，让学生更好地认识人工智能的价值，增强学生对人工智能的认知程度。教师还可以基于这些背景提问：人工智能如何实现以上功能？引发学生思考，引入开源硬件与开发环境的概念，让学生认识到在开源电路图、固件、软件、元件列表、器件列表、印刷版图、编程的支持下，可以实现某些功能。教师要重点讲解MakeCode集成开发环境、MakeCode的变量与赋值、MakeCode随机数的产生与应用等的概念，让学生初步体验应用，如数码骰子猜数游戏等。

（二）搭建解决问题支架，分析需求分解程序

基于计算思维的人工智能教学在完成情境体验部分后，教师需要带领学生进行需求分析，指导学生搭建解决问题的支架，从局部到整体分析需求，对程序进行分解，从而更好地解决问题与完成任务。

例如，在“搭建救援机器人”的讲解中，通过前面的学习，学生已经熟悉本节课的主要任务，基于搭建机器人小车的任务，教师可以提出若干个问题：搭建机器人小车都需要用到哪些开源硬件？这些硬件的原理和作用是什么？如何建立开源硬件和计算机之间的联系？经过几分钟的小组交流，学生可以明确主要用到的是电动马达、超声波传感器等。在教师的指导下，各个小组分解程序：一是搭建机器人小车，二是用数据线连接计算机，三是用串口完成读取超声波传感器检测到的数据，四是上传程序实施离线实地测试。在机器人小车中，超声波传感器的作用是判读小车与障碍物的距离是否达到预设值（如6 cm），学生通过编写程序设定预警距离是6 cm，当超声波传感器检测到距离障碍物距离大于6 cm时，LED屏幕显示为“√”，否则显示“×”。做好这个流程能为学生后续做好复杂的程序设计、组织调试优化程序等打好基础。

（三）基于导图引导思路，指导做好程序设计

在初中信息技术人工智能单元的教学中，教师还要引入思维导图、流程导图等，基于导图，引导学生建立基本的思路，帮助学生理清编程的思路，指导其做好程序设计，在潜移默化中培养学生的计算思维。教师要提前布置任务与分发套件，指导学生进行基本设计与操作，在让学生熟悉相关操作之后，再指导学生完善各方面的操作，做好对应的程序设计，提高课程教学的效率[3]。

例如，针对“搭建救援机器人”的教学，完成上述的步骤后，教师要为学生分发机器人套件，要求学生根据教材安装机器人的步骤，试着对这些机器人的套件进行操作，提醒学生不要插反扩展板，要将LED屏和超声波传感器装在同一侧，并检查各个部件是否连接牢固。教师根据学生自行操作的情况，明确主要任务：搭建装有超声波传感器的micro:bit机器小车，从指定位置出发，自动识别和避开障碍，到达指定位置后执行救援。关于机器人小车运用电机驱动轮子，并实现行走和救援等功能，教师应指导学生设计总体程序：设计简易救援现场；搭建机器人小车；测试电机；调试小车的直角转弯；编写程序，到达两个救援地点去完成任务；优化程序，完成全部的救援任务。

（四）引导学生合作探究，组织调试优化程序

初中信息技术人工智能单元是人工智能在生活中的简单应用，教师需要引导学生解决设计中出现的问题。在完成前面一系列的操作后，教师还要引导学生进行合作探究，主要是根据测试的情况在小组中共同参与调试优化程序[4]。

例如，在“搭建救援机器人”的讲授中，往往会遇到各种各样的障碍，涉及直行、转弯、执行救援等各种任务，在实际场景中往往包括更为复杂的任务。这需要教师指导学生基于编程软件，熟练运用“实时模式”和“上传模式”，并注重测试超声波传感器。如在“实时模式”中，教师可让学生拖出“当绿旗被点击”指令，拖出“说你好”指令衔接，将“读取P1、P2超声波距离（cm）”指令置于“说你好”模块，打开小车的开关，点击进行绿旗测试。在测试的过程中要注意电池的电量，如果电量不足则读取值是0。教师还要指导学生编写测试程序，用以观察超声波传感器获得的距离值与显示的LED图案是否和程序设计运行结果一致。教师要根据各个小组的测试情况、调试优化的结果等，做好整理与统计，为后续的归纳总结打好基础。

（五）分组展示实践成果，归纳总结提升思维

在完成相关设计与操作之后，教师还要让学生分组展示各自的实践成果。教师先让各个小组进行自主评价，再让各个小组进行互相评价，要求说出优点与说明不足。教师需要根据最后的结果，结合各组学生参与交流与探讨、实践与操作的过程及在过程中体现出的态度等分别打分，然后将分数输入评测软件，得到一个最终的数值，根据这个数值进行评价。教师需要多鼓励与表扬学生，做好归纳总结工作，通过设置拓展性任务，要求各小组参与思考，以此提升学生的计算思维[5]。

例如，完成“搭建救援机器人”的课程后，各个小组代表分别展示各自的救援机器人，主要测试是否能够按照指令行动，是否到达多个救援地点，是否能够越过各类障碍，是否能够灵活执行转弯等。根据各组展现的结果，教师先让各个小组自行评价，根据设计与操作的过程与结果，说明本组的优势与不足。接着，各小组需要互相进行评价，同样需要以公正的态度对其他小组进行点评。教师对各组救援机器人的演示结果、设计过程、体现态度等进行综合打分，实施综合、科学、系统评价，对表现一般的小组进行鼓励，对做得好的小组实施奖励。

（六）布置课后实践任务，实现知识迁移运用

基于初中信息技术人工智能单元的教学，能够有效培养学生的计算思维，让学生学会基本编程与相关操作。教师还要布置课后实践任务，根据相关课程主题内容，要求学生基于已学知识和已有经验，用所学的技能进行程序设计与相关操作，实现对知识的迁移运用。

例如，在“开源硬件初体验”“搭建巡逻机器人”的教学中，教师让学生自由选择其中一个项目，发挥小组合作的力量，运用所学的人工智能理论知识与实操技能，参与程序设计、动手操作等，完成相应的任务。基于这些课程主题内容，教师需要提前设计与制作辅助学习资源，提供相应的传感器等器材，要求学生分组参与交流与探究，共同商讨设计方案，规划科学的创作流程，在规定的时间内完成相应的任务。教师需要根据各组的展现结果进行点评，指导学生进行调试和完善。

结 语

综上所述，在初中信息技术开发人工智能课程的背景下，教师需要明确计算思维等核心素养的内涵，将计算思维贯穿于单元设计的各个环节，形成多元化的教学策略，引领学生体验情境、分析需求、设计程序、合作探究、分享交流等。在具体教学中，我们遇到了资源不足、较难统筹过程等问题，因此，需要重点优化。相关教师要根据基本学情落实相关教学策略，以此增强人工智能单元教学效果，更好地培养学生计算思维等核心素养。