基于人工智能教育的小学编程教学策略研究

基于人工智能教育的小学编程教学策略研究

胡燕青

南京外国语学校河西初级中学第一附属小学 

摘要：当前，“人工智能”已经成了世界各国争夺的新热点。建议在初等教育中开设与人工智能有关的专业，并在程序设计教学中逐渐普及，从而推动人工智能专业的发展，并为培育高素质的复合型人才提供参考。编写程序，就是一种辅助人工智能的手段。在小学开设编程课，能够提升孩子们的兴趣，能够为孩子们提供一个更好的、更高层次的教学氛围。

关键词：编程；教育；程序设计；人工智能；小学生

引言

而作为一项能够引领未来的战略新兴技术，其对人类的生活和生产都将产生深远的影响。《新一代人工智能发展规划》于2017年发布，提出“人工智能已经成为新的国际竞争热点”。随着软件产业和网络技术的快速发展，我觉得有一定的现实意义，通过对编程思维、对智能化技术的认识，对其进行全面的培养是非常有意义的。因此，作者就当前的小学编程教育现状以及学习编程的重要性，提出了自己的看法，希望能引起教育界对这个问题的重视。

一、编程教育形势

苹果CEO蒂姆·库克提出了一个“在公共学校里，程序设计是一门必修课程”的忠告。《纽约时报》报道说，库克已经给美国总统特朗普提供了关于公共教育应怎样为全国需要服务的建议。

比如以色列，它已经把向儿童传授网络安全知识，当成了一种全国性的任务。根据“TheTimesofIsrael”对以色列几所学校进行的研究，有些四年级的孩子正在学习计算机程序设计，而十年级的天才们则在课余时间学习密码和代码，并学会如何防止恶意的黑客。该国甚至还有两所幼稚园，专门教孩子们计算机科技与机器人科技。

与此同时，瑞典从2018年秋天开始，在其学校（包括初级阶段）的教学计划中，正式引进了计算机程序。要在全国范围内实施“全民智力”教育，在小学开设与人工智能有关的专业，并在全国范围内大力普及程序设计和程序设计，加强人工智能专业的建设，以培育“复合型”人才，构筑起我国“人工智能”的“新高地”。编写程序，就是一种辅助人工智能的手段。从这里可以看出，在世界上的大多数国家，都非常注重在小学阶段进行程序设计教学，这已经成为当前对小学生的一个重要要求。

二、学习编程的意义

应该注意到，编写程序是一个将大型问题分解为小型问题的进程。在此基础上，通过对软件的整体设计，使软件能够对输入输出进行顺畅的处理，提高了学生的逻辑思维和思维的水平。

在进行程序设计的时候，更要有一种将抽象转化为实际的能力，这样就可以让不会思维的计算机也能理解和表达抽象的东西，服从你的命令，并将其执行。

在编写程序的时候，伴随着一个又一个的项目任务被顺利地执行，可以让他们感受到如何才能够生成游戏，进而体验到制作游戏的快乐，这样他们更有可能对此有一种满足的感觉，进而降低他们对游戏的依赖性。

对于同样的一道程序问题，由于不同的同学会给出不一样的答案，也就是说，每个同学的程序设计都是不一样的，所以，很有可能会出现一些比较新奇，比较灵巧的算法设计，这样对提高学生的创新意识是非常有益的。

三、人工智能课堂教学的困境

3.1人工智能教育范围界定不清

从目前的课程实施情况来看，在小学开展人工智能教学，以程序设计教学、机器人教学为主。不管是在学校里，还是在学校外面，编程的教学主要是引导学生使用编程语言来解决特定的问题。而机器人教学，更多是在单纯的实物装配上，并没有将其本身的优势，体现出来。一些小学在实施人工智能的课程时，用兴趣小组或社团的交际性来代替大众化的教育，引起大众化的认识问题。例如：在人工智能教育中，在教育的内容方面，机器人教育，Scratch教育，创客教育，物联网教育等方面都有一定的倾向。

3.2教学模式单一

创客教育和机器人教育都很受欢迎，所以这种“组装+程序设计”的方式，对老师们的教学方式产生了很大的冲击。这种着重建立方式和程序设计的教学方式，不利于提高学生的人工智能基本认知、基本概念、基本技能和基本素质，更不利于学生的人工智能运用，使他们将人工智能课程的学习与程序相提并论。

3.3教学实践环境和硬件设备等资源匮乏

人工智能教学则需要提供相应的辅助硬件，例如：摄像头、话筒、人工智能芯片等。然而，因为缺少了必需的装备支撑，导致了教学老师在效果呈现、操作指导等方面出现了问题。

3.4师资力量相对不足，师训缺乏针对性

由于人工智能的推广还处于起步阶段，所以老师们对人工智能技术领域的认识和知识的把握都非常的不完善，同时也非常缺少相应的教育和实际工作的经历，所以在课堂上经常很难达到他们想要达到的教育目的。

四、优化人工智能课堂教学的策略

4.1应用合理的人工智能课堂教学范式，提升课堂教学活动的规范性

因为目前的小学人工智能课程属于一种新的课程，所以它的教学内容系统还不够完备，老师们对有关的理念和技术还不够了解，与之有关的教育器材和资源也没有完全匹配起来。许多教师对此还不甚了解，容易导致课堂教学方法不够科学，课堂教学具有随机性。为了更好地控制人工智能老师的课堂教育行为，需要一个更加理性的教育模式。

《小学人工智能课程指南》中提出：人工智能是一门技术性学科，适宜采用“以PBL为主要方法”的“以作业为基础”。该系统在计算机辅助教育中的应用，为使计算机辅助教育由混乱走向有序提供了一种新的途径。以作者在《走进人工智能》这门课程中所教授的课程为案例：

4.1.1通识学习

在这个阶段，教师要对有关人工智能的基本概念，基本原理进行说明。本节，作者通过《人工智能技术的广泛应用》的短片，从「影像中，我们看到了哪些有关人工智能技术的运用？」、「人工智能能够为我们的社会提供什么协助？」以这两个问题为导向，让学生带着问题去看视频，从观察实际中的人工智能应用开始，逐渐地深入去思考本节课的核心问题：“什么是人工智能？”激起学生求知欲。

4.1.2体验环节

在这个过程中，老师要通过提问和同学们的日常生活密切联系起来，从而提高同学们的学习兴趣。在本部分，作者使用MG动漫建立了学习环境。名为《常见人工智能技术的应用》的动漫，让同学们在这一虚拟环境中感受到了人工智能技术的运用，为后续对人工智能的理解打下基础。

4.1.3实验环节

在经历了一段经历之后，该环节指的是在老师对基本概念、基本原理进行讲解之后，学生可以用自己的实验活动来对所学的内容进行检验，深化对基本概念、基本原理的认识。在此部分，介绍了有关人工智能的一些基础知识，然后进入到了实验过程中。让学生用自己的双手来进行简易地对程序块进行改动，进而引起他们对“机器人智慧性”问题的思考，深化他们对“人类将具有的智能活动给予计算机设备”的深入了解，对人工智能的概念进行全面、完整的了解。

4.1.4应用环节

在此环节中，让同学们将所学到的人工智能知识、技术运用到一个实际的工作中去，提高同学们的使用能力。在这个过程中，作者首先带领同学们重温了这一节课程所学的知识，并提出了“家用智能机器人”的创意，让同学们用自己的想象来进行创作，使同学们不仅要用自己的“脑”“心”、还要用自己的“手”来完成创作。

4.2分析学生学习认知的最近发展区，提升通识教学的有效性

人工智能的理论与理念，在很多时候都会显得有些晦涩。死记硬背课本上的一些观念和理论，反而会适得其反。所以，在教学过程中，一定要充分地结合了学生的实际情况，利用了人工智能的理念和基础知识，以及他们对这个世界的认识的相同性，循序渐进地进行指导。

就拿这堂《走进人工智能》来说吧。本教学目标为六年级[1]的同学，在上课之前，根据问卷调查得知同学们都曾经用过智能手机，有72.4%的同学会用智能终端进行操控，有86.2%的同学听说过“人工智能”，但并不十分清楚。他们每个人至少都和两个人工智能相关的东西打交道。

所以，在本节课程中，我选择了语音识别技术、数据分析技术、图像识别技术等人工智能技术作为切入点，创建了一个虚、实相融合的体验过程，指导学生将其与人类的智慧行为相比较，从而使他们对人工智能的基础知识有一个清晰的认识。实践证明，这是一个良好的结果。

4.3挖掘身边的人工智能教学资源，提升课堂教学活动的趣味性

目前，我国小学的智能教育正处在初级发展时期，缺乏有效的教育手段，已成为当前教育改革的重点。但是，我们也看到了很多关于人工智能的研究。在图片识别方面，主要有面部识别，百度搜索等。在教育的过程中，可以将那些具有人工智能技术应用的软件，作为案例对其展开讲解，并可结合学校实际，为学生们提供一个虚拟的或现实的体验活动。这样既可以让学生们获得更多的知识，又可以让他们与人工智能技术之间的关系变得更好，从而提高他们在人工智能课堂中的学习兴趣。

作者以《走进人工智能》这节课程为例，以“智能导航”“识花软件”“智能门锁”“智能导航”等为例，为学生对人工智能的认识打下基础。

4.4选择合适的教学实验平台，提升课堂教学活动的有效性

4.4.1可可乐博（CocoRobo）

以页面为基础的图文并茂的程序设计平台，它拥有一个人工智能的模组，可以外接一个摄像头、麦克风等外部设备来进行人工智能的程序设计。而且还可以对同学们的作业进行管理和显示。在它的官方网站上，也有一个人工智能体验平台，用一种非常简单、非常容易理解的在线Demo，让同学们更容易地认识到关于人工智能领域的导语。

4.4.2编程猫－源码编辑器

利用Scratch为基础的程序设计软件，使用者可以很容易地在页面上进行程序设计，从而完成某些关于人工智能的应用。在这个程序里，有很多的背景资料，给同学们的创意带来了很大的方便。

4.4.3Learns人工智能e

Learns人工智能e平台是对教师进行管理的一个软件，它拥有一个Python的在线编程平台，可以让同学们在网上将Python的软件开发出来，并且可以在这个软件中将其使用的结果展现出来。此外，该系统还支持Word、Excel、PPT等文档的提交和浏览，老师和同学们还可以对自己的作品进行调整、完善、打分等。

五、编程能力在人工智能时代的重要性

5.1面对未来，创造力是必不可少的

程序设计课程能使孩子们持续地保持创造性。新科技的发展和运用，必然会带来新的工作机会。人们将会在更具创造性，更具经验的岗位上工作。

在程序设计课程中，能够让学生们学会运用计算机进行交流，培养他们的逻辑思维能力，培养他们的创造力，对同学们进行了团队合作的能力进行了培训，同时还可以对同学们的自主思维与解决问题的能力提高，让同学们能够在人工智能时代，拥有了必要的技能与修养。另外，由于在进行程序编写的时候，因为问题的目标和方式有很大的差异，所以在编写程序的时候，就必须要有一些新颖的、巧妙的算法思维，或者要用一种特殊的数据结构来支撑和实现算法，所以就必须要对学生的创造力进行培育，而创造力也是学生在将来面临的社会中，不可或缺的一项素质。

5.2编程思维将成为未来标配

在人工智能飞速发展的今天，程序设计是每一个人必备的能力。回溯到2006年，来自卡内基梅隆大学的詹妮特•玛丽•温教授，他曾建议“每个人都应该发展自己的程序思考能力”。Scratch的创始人米奇·雷斯尼克教授曾经说过，写计算机程序和做菜、做工程、经营公司一样，都是为了有条不紊地解决问题。

事实上，从2007年起，各地的人工智能课本从小学就已经涉及了程序设计，

它们不仅在使用方便，程序的可读性，而且在内容的丰富和分享的方便等方面有着明显的优越性。而这一次，除了《Scratch》的部分，还加入了人工智能和3D打印等技术。很显然，无论是政府的政策，还是教学内容，都是人工智能老师们在教授“编程”的时候，就已经在向学生们传授了。可以预测，在将来，编程思维以及编程能力，将会逐步变成普通民众必须要拥有的能力标配，就如同现在一门外语在人才市场中的作用，编程能力将会被列入将来的职场必备技能中去。

结束语

综上所述，在对程序的教育过程中，老师要保持一种积极的教育科研的心态，重视采用一些让他们觉得有趣的设计和案例来展开教育，并在教育过程中要充分运用一些教育的方式和策略，这样才可以让他们的课堂变得更加有效。

在课程中，老师要创新地运用“工具性”方法，通过大量的程序例子，来帮助同学理解程序的重要性，改变他们的学习方式，在课堂上更好地发挥他们的作用。重视程序设计练习，全面提高学生程序设计探索的技能。注意“分层次”的教育方法，做到因人制宜，使各水平的同学都能获得平衡发展，才能建立起一个完整、有效的程序设计教室。

参考文献

[1]刘载兴.义务教育阶段人工智能课堂教学范式构建与实践研究.教育专刊[J].2021（08）.

[2]梁佩瑜.浅谈城乡接合部学校开展人工智能课程的教学策略.教育与装备研究[J].2020（1）.

[3][日]三宅阳一郎，[日]森川幸人.给孩子的人工智能图解[M].山东人民出版社.2017（10）.

[4]任友群.人工智能.上海教育出版社[M].2019（08）.

[5]艾伦.中小学人工智能课程定位分析[J].中国现代教育装备，2017（10）.

[1]本节课的教学对象为六年级学生