基于图形化编程的初中普惠型人工智能课程开发与实施研究

基于图形化编程的初中普惠型人工智能课程开发与实施研究

张冰

邢台市第二十五中学   054299

摘要:本文分析了初中学生计算思维能力现状，并提出了利用图形化人工智能编程培养初中生计算思维的指导策略。

关键词：图形化人工智能编程；初中生；计算思维

随着信息技术的飞速发展，移动互联网、大数据、人工智能等新理论新技术推动了社会信息化、智能化的建设与发展，构建出现实空间与虚拟空间并存的智慧型信息社会。在智慧社会大背景下，计算思维能力将成为学生在智慧型信息社会中必备的关键能力之一。因此，在信息技术课中如何更好地培养学生的计算思维已经成为信息技术教师关注的焦点之一，也是信息技术教师急需解决的教学关键问题之一。本文对初中生计算思维能力的现状进行分析，并提出强化初中生计算机思维的对策。

一、初中生计算思维现状分析

（一）计算思维概念的理解程度分析

初中生对计算思维的认识大多比较陌生，知道这个概念的学生微乎其微，从这一点来看，大部分学生潜意识里没有计算思维这个词，所以他们也没有意识到计算思维在自身成长过程中的重要作用。

（二）计算思维发展程度现状分析

英国BBC概括总结了计算思维的四大组成部分：分解、模式识别、抽象与算法。下面就从这四个方面来分析初中生计算思维发展的程度。

在对学生进行题目测试的过程中，笔者发现，初中生具有一定的计算思维发展，但是却是基于表面的比较浅显的思维。这种浅层次的计算思维的形成主要是学生从长期数学学科的学习中习得的。首先，初中生具有一定的分解思维能力，他们能够利用分解思维的思想将一些题目分解并求解，但这种分解思维仅限于数学学科问题，在其他问题的解决中必须通过应用、迁移才能达到培养目标；其次，初中生具有一定的抽象思维能力，在解决数学问题时，他们能够根据已知的数据，通过公式等工具分析出最终的结果[2]；再次，初中学生具有一定的算法和评估思维能力，比如在处理“猜价格”的问题时，学生能够利用“二分法”将问题划分为两个区间，然后根据“高或低”的信息提示，继续利用“二分法”把问题范围不断缩小，最终快速猜出商品价格。在这个过程中，学生可以反思和判断自己的算法是否合理或者最佳。可见，在初中阶段，学生已经具有了一定的算法和评估思维。最后，初中生具有一定的模式识别能力，学生们可以利用“二分法”的规律技巧来解决上述“猜价格”问题，即便他们不知道什么是“二分法”，也已经足以证明他们具有一定规律总结、概括、迁移能力，即他们具有一定的模式识别能力。

由此可见，初中生由于长期学习数学学科而具有一定的计算思维，但是缺少在计算机领域的科学实践，还不能很好地在信息活动中采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型以及合理组织数据；判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案的能力比较弱；总结利用计算机解决问题的过程与方法的能力以及信息的迁移能力还比较弱。

二、利用图形化人工智能编程培养初中生计算思维的策略

（一）分解问题，强化建模

主题问题的设计要根据教学内容和教学目标，结合学生的实际生活，提出教学主题大问题。然后引导学生对教学主题大问题进行系统的、整体的分析，从角色、模块、功能等多角度对主题大问题进行分解，分解出便于解决的分问题，分问题解决了，主题大问题就解决了。

例如：利用慧编程图形化人工智能编程软件（虚拟）和光环板设备（现实），实现虚实结合人工智能设计案例。教师设计的主题是《我帮爸爸开汽车》，其大问题描述为：今天，爸爸生病了，他要开车去医院看病。可是他的头很晕，不能开车了，你能以司机的身份帮爸爸完成开车任务吗？

教师引导学生对这个主题问题进行分析和分解：

角色是载人汽车；场景有两个，分别是家和医院；需要的外部控制设备是光环板。

主题大问题分解为三个功能问题：①车动：载人汽车沿直线左右移动；②变换场景：用左、右方向键实现场景切换；③光环板控制车动：当按下光环板按钮，光环板向左动，小车向左走，光环板向右动，小车向右走。

通过对这个主题问题进行分析，学生们对问题的分析过程和思路就会有一个初步的了解，逐渐养成分解问题的能力。

（二）强化图形脚本设计

在问题分解后，教师可以利用图形脚本帮助学生描述和理解解决问题的方法，即算法。在慧编程人工智能编程软件中，教师可以采用两种方式来设计图形脚本：一种是算法流程图，另一种是图形积木有序组合图。算法流程图，可以帮助学生描述问题解决过程和方法，这也是在编程教学中常用的方法。图形积木有序组合图，是慧编程这类图形化人工智能编程软件中特有的功能，教师可以针对不同的角色、背景、外部设备直接拖拽选好的图形积木指令，在不断尝试各类指令的有序组合、修改指令参数的过程中，完成慧编程脚本设计。

脚本设计有助于对象模型建构，能够让学生从问题的整体和本质上找到解决思路，明确主题问题解决所需要的设备、角色以及背景，弄清设备与角色之间、设备与背景之间、角色与背景之间等的相互关系，为设计设备、角色、背景的指令、参数、执行顺序提供思路，有效培养学生的计算思维。

（三）培养学生模式识别能力

模式识别能力是计算思维的重要组成部分之一，是在分解的基础上，对相似的事物或者经历进行分析，找到其规律的过程，并对规律与趋势进行预测。例如上述案例《我帮爸爸开汽车》中，在认识光环板这一环节，教师可以通过介绍光环板的构成，引导学生进行模式识别，分析出因为光环板中集成了速度传感器，所以可以用光环板来控制虚拟小车的运动；在主题大问题分解这一环节，教师引导学生进行模式识别，根据主题大问题的叙述，分析识别出小车运动和已经学过的角色运动程序有关联，引导学生分析总结已经学过的知识和本节课要解决的问题的异同。学生的问题迁移、规律总结过程促进了学生积极思考，打开了学生的思维空间，增强了模式识别能力，培养了学生的计算思维。

结语

计算思维是信息社会学生解决问题的关键素养之一，培养和发展学生的计算思维也是落地信息技术学科核心素养关键因素之一，借助图形化人工智能编程，能够有效融合计算思维思想，培养和发展学生的计算思维。本文系邢台市教育科学“十四五”规划一般课题《基于图形化编程的初中普惠型人工智能课程开发与实施研究》（课题编号： 2101399）成果之一。

参考文献

[1]. 初中信息技术教学中学生自主学习能力的培养[C]//.2021教育科学网络研讨会论文集（五）.[出版者不详],2021:781-783.

[2]刘帅.基于计算思维培养的初中信息技术教学实践——以程序的循环结构为例[J].中学课程辅导(教师通讯),2021(08):78-79.

[3]刘洋.初中计算机教学中学生计算思维的培养策略研究[J].新智慧,2021(04):17-18.

本文系邢台市教育科学“十四五”规划一般课题《基于图形化编程的初中普惠型人工智能课程开发与实施研究》（课题编号： 2101399）成果之一