基于问题解决发展计算思维的小学人工智能课程实践

当前，中小学人工智能教育内容多注重AI技术感受体验，内容较浅且碎片化严重，非常不利于信息科技核心素养尤其是计算思维的培养。如何开展以发展学生计算思维为主的人工智能教育课程实践，是笔者近期在课题研究中探索的话题。本文即根据日常生活中的人脸识别闸门设计“探索有趣的人脸识别”学习项目，让学生在体验计算机运用AI技术解决问题过程中，发展计算思维核心素养，提升科学探究、跨学科解决问题的关键能力。

● 基于问题解决发展计算思维的课程实施模式

聚焦计算思维培养的人工智能课程实施，其本质就是基于真实问题情境，引导学生运用计算机科学的思维方法与思维活动，利用计算机工具（AI知识、技术、方法）解决问题的过程，主要包括分析问题、分解、抽象、建模、设计算法、编程调试等步骤。笔者在课题研究中，架构了基于问题解决理念发展计算思维的人工智能课程实施模式（如图1）。

● 基于问题解决发展计算思维的教学案例

1.创设情境，激趣导入

师：我们每天从校园的人脸识别门禁出入，你知道人脸识别为什么能识别我们吗？

教师展示校园人脸识别门禁系统的范例作品。摄像头可以识别教师，并语音播报“欢迎教师回校”，提出疑问：摄像头能识别学生吗？吸引学生上台参与人脸识别，发现不能识别学生，这是为什么呢？学生观察，发现需要先采集人像。师生合作采集学生照片，学生再次参与作品演示，可以被识别。

2.头脑风暴，分析问题

引导学生分析思考，理解人脸识别的过程，尝试将复杂问题分解为一个个简单的问题，培养学生分析问题、分解问题的能力。

教师提出问题：生活中你在哪里见过人脸识别？引导学生提出、思考、讨论关键问题：人脸识别的原理是什么？过程是怎样的？接着学习微视频，初步感知AI人脸识别的过程。最后，师生互动，结合课前范例作品，逐步分析人脸识别的过程：人脸入库、人脸比对。

3.算法设计，自主实践，逐步解决问题

（1）如何编程实现人脸识别？由人脸识别门禁的两个过程，引出探索任务1：编程实现人脸入库（如下页图2）。参考人脸识别中人脸入库的过程，观察图形化编程软件中的AI人脸识别模块，发现人脸入库的关键是创建人脸组与添加人脸入库模块。接着教师示范，编写程序，全班实践任务1。

（2）如何编程实现人脸比对？从提出问题到解决问题，又发现新问题，引出任务2：编程实现人脸比对。这个任务是本节课的重难点，学生先通过微课学习，初步理解，再师生互动，找出第二个关键点：搜索人脸库与相似度。

接着学生参考学习文档，实践任务2：编程实现人脸比对（如图3）。通过多种方法，帮助学生深入理解人脸识别的过程，指导学生使用编程实现人脸识别系统的制作。

（3）创设新情境，引出任务3：设计一个人脸识别门禁系统（如图4），增加校园情境下的语音提示等AI语音的功能，让作品更生动，对用户更友善。学生实践任务3，并完善作品，从而学以致用，关注“技术输出”。

（4）最后，呈现拓展任务：编程实现个性化的人脸识别系统。学生根据自身水平尝试完成拓展任务，可以添加开门声、语音等功能，让作品更有创意，完成更加个性化的作品，从而实现学生的分层教学，注重学生个性化表达与创新精神。

4.交流分享

学生上台分享展示作品并进行自评与他评，课程评价参考标准如下页表所示，从而引导学生体验编程乐趣，学会分享，学会评价。教师引导学生反思程序，理性对待作品分享，当AI作品分享出现问题时，AI数字化作品受网络、环境等多方面因素影响，不成功也很正常。同时，当程序中出现小问题，不能正常执行时，可以反复修改测试，引出程序调试的思想。

5.总结延伸

教师总结本节课所学，同时引出新问题：人脸识别都安全吗？引导学生观看微视频，拓展AI知识，并使其认识到人工智能的局限。最后，呈现人脸识别监控，人脸支付、人脸疲劳检测等AI人脸识别技术，引导学生应用编程让世界更智能更美好。在总结中升华，帮助学生树立信息社会责任，培养正确的价值观。

6.教学反思

纵观教学过程，五个环节，三个任务，层层深入，环环相扣，从提出问题出发，又回归问题解决，重点引导学生理解AI技术的原理与过程，并运用AI知识、技术与编程工具创作作品，发展学生的AI素养。同时，使学生在创作的过程中体验计算机解决问题的过程，培养计算思维核心素养。

本节课教学内容与新课标倡导的五、六年级教学内容相匹配，是一节典型的过程与控制课（如下页图5）。本节课以学生生活中最常见的智能设备——人脸识别闸门系统为例，引导学生识别系统特征，分析人脸识别的系统构成与流程，再根据流程设计计算过程，并通过编程尝试加以验证，将教学内容的要点串联起来，让相关思维方式显现其中。

● 结语

综上所述，用有趣的程序让学生爱上AI，让学生的想象丰富智能世界，这是落实了编程教学来源于生活又回归生活的教学理念，实现让学生在真实的情境中发现问题、探究问题、解决问题的学习变革，在体验计算机解决问题的过程中发展学生计算思维核心素养，培养学生科学探究、跨学科解决问题的关键能力。笔者相信，基于问题解决理念培养计算思维的小学人工智能教育课程实践探索必定会给一线教学带来更多的思考。

本文系2020年度广东省教育信息化应用融合创新课题“STEM视域下的小学人工智能教育课程的开发与实践研究”（项目编号：20JX07167）的研究成果。

苍山点题

来源于一线的理念与实践的探索总是最鲜活的，也总是最实用的。本期解码我们又一次从一线收获实际的研究与课堂的验证，不仅让人开卷有益，更让人掩卷沉思。

第一篇文章，初中信息科技教师从教育大家的演讲中深受启发，能够具体联系自己的教学实践，针对编程教学深刻思考：将每一个程序看明白、听明白、想明白、说明白、写明白、做明白……学生通过听觉、视觉、动觉及触觉等多感官获取信息，多角度、多层面探究编程，理解编程，应用编程，让编程教育充满活力，从而提升编程教学的学习效率。这个做法本身就是难能可贵的。文章从“勤用眼，多读程序，看明白程序中的问题”“勤动脑，多思考，想明白算法的功能意义”“多动口，交流评价，说明白编程中的得与失”“勤动手，多写程序，做明白的编程探究”等方面进行阐述，每一个角度都沾满了课堂的烟火气息，都是很容易借鉴使用的方法。

第二篇文章，小学信息技术教师面对在人工智能教学中普遍存在的体验化与碎片化现象，探索如何利用人工智能技术编程解决实际生活中的具体情境，聚焦计算思维的培养，进行人工智能课程的课例建设。作者首先架构了基于问题解决理念培养计算思维的小学人工智能教育课程实施模式，又以“探索有趣的人脸识别”项目为例，师生一起从体验到构建，对人脸信息库、识别模块、信息安全进行了探索，让学生在真实的情境中发现问题、探究问题、解决问题，并基于人工智能知识、技术、方法来解决问题，从而培养学生的AI素养，发展学生计算思维核心素养，提升学生科学探究、解决问题的关键能力。

实践证明，好的理念支持下的课堂更能让师生共成长，同时能让课程内涵更加丰富、课程外延更加广阔，一线的课堂教学创新也一定会让课程焕发出多姿多彩的未来。