指向計(jì)算思維發(fā)展的初中人工智能課堂教學(xué)研究

謝彩虹

【摘 要】本文結(jié)合計(jì)算思維的核心要素與基于問題解決的教學(xué)過程，構(gòu)建了指向計(jì)算思維發(fā)展的人工智能課程教學(xué)實(shí)施模式，并以人工智能校本課程“人臉識(shí)別”一課為例，進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐探究，以期為中小學(xué)人工智能教育教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)計(jì)算思維提供參考。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維；問題解決；人工智能

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

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）07-038-03

新課標(biāo)的頒布和信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，使得計(jì)算思維逐漸受到教育者的廣泛關(guān)注。祝智庭教授和李鋒教授強(qiáng)調(diào)要重視發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維、批判思維和設(shè)計(jì)思維[1]，而計(jì)算思維是信息科技學(xué)科的核心思維之一，是學(xué)生必須掌握的重要思維模式和能力。目前，中小學(xué)階段人工智能教育逐漸成為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的主要途徑。人工智能技術(shù)中的三大核心要點(diǎn)為數(shù)據(jù)、算法、算力。其中“算法”這一要點(diǎn)與新課標(biāo)中提到的“計(jì)算思維培養(yǎng)”不謀而合。本文通過“人臉識(shí)別”項(xiàng)目，探究學(xué)生在解決問題的過程中，如何發(fā)展計(jì)算思維，提升問題解決、科學(xué)探究的關(guān)鍵能力。

基于問題解決的人工智能課程教學(xué)模式

指向計(jì)算思維發(fā)展的人工智能課程的實(shí)施，本質(zhì)是基于真實(shí)的問題情境，通過引導(dǎo)學(xué)生利用人工智能知識(shí)、技能、方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的概念、思想、方法等解決問題的過程。本文將計(jì)算思維的五大核心要素與基于問題解決的教學(xué)過程相結(jié)合，提出基于問題解決促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的大致流程，同時(shí)，將該流程與教師活動(dòng)、學(xué)習(xí)者活動(dòng)以及教學(xué)過程融合，構(gòu)建了指向計(jì)算思維發(fā)展的人工智能課程實(shí)施模式（圖1）。

圖1 ?指向計(jì)算思維發(fā)展的人工智能課程實(shí)施模式

計(jì)算思維的核心要素為分解、抽象、概括、算法思維和評(píng)估[2]，基于問題解決的計(jì)算思維培養(yǎng)著重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用這五個(gè)核心要素去解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題?；趩栴}解決的計(jì)算思維培養(yǎng)模型主要包括以下四個(gè)階段。

第一，問題發(fā)現(xiàn)階段。師生需要明確一個(gè)具體的問題，可以是實(shí)際生活中的問題，也可以是理論上的問題。教師通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，在課堂上組織學(xué)生開展案例分析、頭腦風(fēng)暴、游戲闖關(guān)等教學(xué)活動(dòng)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，挖掘具有計(jì)算思維特征的問題，讓學(xué)生能夠理解問題的本質(zhì)和需要解決的任務(wù)。

第二，問題分析階段。教師組織學(xué)生進(jìn)行小組討論、案例分析等活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維的核心要素仔細(xì)分析問題，在問題分析中，明確問題的整體范圍，并對(duì)影響因素和限制條件等進(jìn)行梳理。隨后學(xué)生將所發(fā)現(xiàn)的問題細(xì)化分解為若干個(gè)小問題，并對(duì)這些小問題進(jìn)行抽象化描述，訓(xùn)練抽象思維。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生分析問題的結(jié)構(gòu)與關(guān)系，深入理解問題本質(zhì)。從而學(xué)生能夠更好地理解問題的本質(zhì)和解決難度，接著對(duì)抽象化后的小問題進(jìn)行識(shí)別建模和算法設(shè)計(jì)，將問題轉(zhuǎn)化為具體可實(shí)現(xiàn)的操作步驟，形成問題解決方案。整個(gè)過程有助于提升學(xué)生的計(jì)算思維水平，提高他們的問題解決能力。

第三，問題解決階段。教師組織學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)、編程實(shí)踐等活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)上述已有基礎(chǔ)解決問題。學(xué)生需要按照設(shè)計(jì)好的方案，選擇合適的人工智能知識(shí)、技術(shù)、方法，根據(jù)解決問題的步驟，實(shí)施解決方案。教師通過指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行圖形化編程實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生逐步解決問題，在解決問題的過程中，鼓勵(lì)學(xué)生不斷反思、進(jìn)一步完善和優(yōu)化解決方案。具體包括調(diào)整算法、優(yōu)化代碼、改進(jìn)數(shù)據(jù)處理、調(diào)整實(shí)施步驟、改進(jìn)所需資源等，以逐步提高解決問題的效果和效率。

第四，問題反思階段。教師在問題解決之后，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)整個(gè)問題解決的過程和成果進(jìn)行評(píng)估和總結(jié)，包括解決問題的效果、實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)的問題及改進(jìn)空間。學(xué)生通過模擬、仿真、驗(yàn)證問題解決的過程并將其遷移應(yīng)用于其他問題。最終，教師在課堂上組織學(xué)生進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分享與成果展示等活動(dòng)，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的自主評(píng)價(jià)能力。

在教學(xué)過程中，教師將基于問題解決的計(jì)算思維培養(yǎng)流程貫穿其中，能夠幫助學(xué)生在完成創(chuàng)意設(shè)計(jì)任務(wù)中以問題解決為導(dǎo)向，鍛煉計(jì)算思維能力，提高應(yīng)用能力和創(chuàng)造力，進(jìn)而更好地解決實(shí)際問題并創(chuàng)造價(jià)值。

指向計(jì)算思維發(fā)展的教學(xué)實(shí)踐

1.“人臉識(shí)別”項(xiàng)目設(shè)計(jì)

計(jì)算思維的形成離不開問題解決的過程，即學(xué)生需要經(jīng)歷基于問題解決的深入思考，不斷分析、反復(fù)調(diào)試、完善優(yōu)化以及實(shí)踐求證等過程。本課基于真實(shí)的生活情境，以“人臉識(shí)別”項(xiàng)目的實(shí)施為主線，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷分析問題、分解問題、抽象簡(jiǎn)化、設(shè)計(jì)算法、實(shí)現(xiàn)編程，并進(jìn)行反復(fù)調(diào)試的過程。通過上述過程，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了人工智能的基本知識(shí)與技能，也為解決更復(fù)雜的問題奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中，學(xué)生體會(huì)計(jì)算機(jī)解決問題的思想方法，從而提升了計(jì)算思維能力。

學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑是先關(guān)注問題分析與算法設(shè)計(jì)，再落實(shí)算法實(shí)現(xiàn)，在問題分析的基礎(chǔ)上，先用流程圖將算法表示出來，然后再轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的程序語句，實(shí)現(xiàn)算法。學(xué)生理解編寫程序不是唯一的學(xué)習(xí)目的，親歷通過信息技術(shù)手段解決問題的全過程，這是發(fā)展計(jì)算思維的關(guān)鍵。

2.“人臉識(shí)別”的案例分析

本案例出自學(xué)校校本課程“初探人工智能”第二單元“計(jì)算機(jī)視覺與聽覺”第一課時(shí)，屬于計(jì)算機(jī)視覺的教學(xué)內(nèi)容，本課的教學(xué)對(duì)象是八年級(jí)學(xué)生。

（1）創(chuàng)設(shè)情境，發(fā)現(xiàn)問題。教師展示問題情境：2018年民政部在全國救助管理機(jī)構(gòu)設(shè)置了100個(gè)人臉識(shí)別試點(diǎn)，截至2019年底，成功比對(duì)識(shí)別身份信息7656例；自2020年5月至2021年5月，廣東通過人臉識(shí)別技術(shù)共幫助了2313名受助對(duì)象成功找到親人，成功案例數(shù)量居全國首位。教師引出問題：人臉識(shí)別技術(shù)幫助了無數(shù)家庭團(tuán)圓，那么人臉識(shí)別技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的？

（2）頭腦風(fēng)暴，分析問題。教師組織“五官猜人”游戲，學(xué)生觀察教師、同學(xué)的五官截圖，猜測(cè)圖片對(duì)應(yīng)的人是誰。學(xué)生根據(jù)剛才的判斷過程，嘗試概括眼睛識(shí)別人臉的具體步驟，并根據(jù)在生活中觀察到的人臉識(shí)別應(yīng)用，思考和猜想機(jī)器又是如何檢測(cè)和識(shí)別人臉，以及實(shí)現(xiàn)這些功能可能需要的硬件和設(shè)備。

基于學(xué)生的分析，師生進(jìn)一步梳理人臉識(shí)別的實(shí)現(xiàn)過程：首先通過攝像頭拍到人臉，通過人臉模型檢測(cè)判斷是不是人臉，如果檢測(cè)到是人臉，則采集人臉信息，然后將采集到的人臉信息與人臉數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，最終實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別。教師引導(dǎo)學(xué)生將問題抽象概括為三個(gè)子問題：如何檢測(cè)判斷是否是人臉、如何采集人臉信息、如何進(jìn)行人臉辨識(shí)。教師的主要任務(wù)之一是引導(dǎo)學(xué)生思考和理解人臉識(shí)別技術(shù)的過程。為了幫助學(xué)生更好地理解這個(gè)復(fù)雜的技術(shù)和背后的原理，教師通常會(huì)將問題分解成小的易于理解的部分，并引導(dǎo)學(xué)生逐步分析和解決問題。這樣做可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，同時(shí)也使學(xué)生更好地掌握有關(guān)人臉識(shí)別技術(shù)的知識(shí)。

（3）算法設(shè)計(jì)，解決問題。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要關(guān)注算法的實(shí)現(xiàn)和計(jì)算思維的形成，而不是過分關(guān)注編程語法。同時(shí)，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生不斷回溯和完善他們所要解決的問題，最終達(dá)成所需效果，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善他們的作品。通過這種方式，學(xué)生可以逐漸提高編程能力，加深對(duì)算法設(shè)計(jì)的理解，從而更好地解決問題。

解決子問題1：如何檢測(cè)判斷是否是人臉

學(xué)生登錄智啟學(xué)習(xí)平臺(tái)自主學(xué)習(xí)，然后完成搶答游戲和硬件組裝，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)快速掌握編程模塊與教學(xué)硬件模塊的基本知識(shí)，為后面的內(nèi)容打下基礎(chǔ)。教師請(qǐng)兩位學(xué)生上臺(tái)體驗(yàn)“人臉檢測(cè)”功能，其余學(xué)生觀察屏幕文本輸出區(qū)，請(qǐng)學(xué)生分析屏幕發(fā)生了什么變化？什么時(shí)候發(fā)生變化？（當(dāng)攝像頭模塊對(duì)著人臉時(shí)，文本輸出區(qū)顯示：Face detected；當(dāng)攝像頭對(duì)著其他物體時(shí)，文本輸出區(qū)顯示：Nothing）學(xué)生觀看智啟學(xué)習(xí)平臺(tái)“人臉檢測(cè)”微課，小組合作完成硬件組裝和算法設(shè)計(jì)，編程實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)效果。

解決子問題2：如何采集人臉信息

教師通過分析流程圖為學(xué)生提供學(xué)習(xí)手腳架，以幫助學(xué)生進(jìn)一步理清編程思路。接著學(xué)生觀看微課視頻，小組合作修改程序，編程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)人臉并標(biāo)注檢測(cè)框，采集人臉信息。在這個(gè)過程中教師點(diǎn)撥，將學(xué)生遇到的問題展示，請(qǐng)其他學(xué)生上臺(tái)演示解決辦法，并由學(xué)生說出其對(duì)程序的理解。

解決子問題3：如何進(jìn)行人臉辨識(shí)

教師講解人臉辨識(shí)的原理，通過圖示讓學(xué)生了解人臉辨識(shí)是提取采集到的人臉圖像中的特征，并將這些特征點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫中已知的人臉信息進(jìn)一步比對(duì)和匹配，最終識(shí)別和確認(rèn)該人臉的身份信息。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)平臺(tái)“人臉辨別”模塊，編程實(shí)現(xiàn)識(shí)別人臉、標(biāo)記人臉特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人臉比對(duì)，并能夠通過B鍵拍照，辨識(shí)3張人臉，同時(shí)提出問題：人臉檢測(cè)和人臉辨識(shí)有何區(qū)別，結(jié)合前面所學(xué)知識(shí)進(jìn)行思考、討論、得出答案。

（4）交流分享，反思問題。在此環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧之前所學(xué)知識(shí)并進(jìn)行梳理；指導(dǎo)學(xué)生對(duì)課堂上的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)成果進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)（自評(píng)、他評(píng)）；鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上暢談學(xué)習(xí)感受和收獲、分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)；激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生創(chuàng)新思維。同時(shí)，師生共議人臉識(shí)別技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中還有哪些應(yīng)用、人臉識(shí)別技術(shù)的廣泛應(yīng)用是否有潛在風(fēng)險(xiǎn)、可能會(huì)帶來怎樣的風(fēng)險(xiǎn)等，使學(xué)生體會(huì)到科技帶給人類便利的同時(shí)也可能存在弊端，認(rèn)識(shí)到人工智能的局限，提高學(xué)生的自我保護(hù)意識(shí)，幫助學(xué)生正確樹立信息社會(huì)責(zé)任和良好的價(jià)值觀。

思考與展望

目前，在中小學(xué)信息科技學(xué)科教學(xué)中，對(duì)于計(jì)算思維培養(yǎng)的研究仍處于初探階段，在人工智能教育領(lǐng)域仍缺乏完整、科學(xué)、成熟的培養(yǎng)模式。因此，更多一線教師的實(shí)踐和探索是必要的，尤其是在人工智能課程中，如何進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)更需要深入研究。計(jì)算思維是信息科技學(xué)科中的核心思維，是該領(lǐng)域價(jià)值的體現(xiàn)。在中小學(xué)人工智能課程的教學(xué)中，注重培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，對(duì)提高他們發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力至關(guān)重要，且有助于學(xué)生更好地適應(yīng)信息化社會(huì)。因此，我們建議在計(jì)算思維的培養(yǎng)中，充分發(fā)揮人工智能課程的優(yōu)勢(shì)，采用科學(xué)的方法和策略，引導(dǎo)學(xué)生積極參與，不斷探索，獲得更多的收獲。

注：本文系廣東省中小學(xué)教師培訓(xùn)中心專項(xiàng)科研項(xiàng)目2021年度課題“指向深度學(xué)習(xí)的STEAM項(xiàng)目式教學(xué)課例開發(fā)與實(shí)踐研究”（課題立項(xiàng)號(hào)：GDSP-2021-Q008）的階段性研究成果，受廣東省周莉萍名教師工作室資助

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