【摘 要】在人工智能時(shí)代背景下，編程技術(shù)是實(shí)現(xiàn)人工智能應(yīng)用的必要工具，而計(jì)算思維是問題解決過程中的核心能力。基于人工智能案例的Python編程教學(xué)突破了傳統(tǒng)編程教育的限制，有效地促進(jìn)了學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。本文深入分析了計(jì)算思維、Python編程與人工智能案例之間的互動(dòng)關(guān)系，提出了一種融合這些元素的教學(xué)模式，目標(biāo)在于培育學(xué)生的計(jì)算思維能力。

【關(guān)鍵詞】人工智能案例；小學(xué)Python編程；計(jì)算思維培養(yǎng)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）08-049-03

隨著人工智能技術(shù)的不斷突破和課程改革的不斷深化，圍繞計(jì)算思維培養(yǎng)、Python編程教學(xué)、人工智能教學(xué)，一線教師展開了豐富的實(shí)踐[1]。這些概念看似獨(dú)立，然而卻相互交織和互補(bǔ)。筆者在教學(xué)中將計(jì)算思維培養(yǎng)、Python教學(xué)、人工智能案例教學(xué)做了有效融合，立足真實(shí)情境，設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)活動(dòng)。實(shí)踐表明，人工智能案例驅(qū)動(dòng)的Python編程教學(xué)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)具有顯著的促進(jìn)作用。

人工智能案例驅(qū)動(dòng)的Python編程教學(xué)理念

編程作為實(shí)現(xiàn)人工智能眾多功能的關(guān)鍵途徑，是提升學(xué)生計(jì)算思維的主要方法之一。計(jì)算思維則在問題解決過程中扮演著至關(guān)重要的角色[2]?？墒?，現(xiàn)行編程教學(xué)往往受到傳統(tǒng)教育方法的限制，過分重視程序語法知識(shí)、格式認(rèn)知，以及調(diào)試技巧的教授，導(dǎo)致學(xué)生在編寫和調(diào)試代碼上耗費(fèi)了過多時(shí)間，未能充分體會(huì)到計(jì)算思維及科學(xué)方法在人工智能領(lǐng)域內(nèi)解決問題的根本重要性。尤其對(duì)于小學(xué)生而言，復(fù)雜的人工智能算法帶來的編程挑戰(zhàn)，往往成為提升學(xué)習(xí)效率的障礙。

基于這些教學(xué)難點(diǎn)，筆者提出了一種全新的教學(xué)模式：以人工智能實(shí)際案例為驅(qū)動(dòng)的Python編程教學(xué)[3]。教師通過選取和學(xué)生生活密切相關(guān)的人工智能實(shí)際案例和應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合Python這一編程語言，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和解決問題的能力。這種教學(xué)模式不僅使學(xué)生對(duì)編程知識(shí)有更加直觀的理解，還深化了他們將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生通過處理實(shí)際問題來學(xué)習(xí)人工智能的核心概念與技巧，鍛煉在生活中運(yùn)用計(jì)算思維來解決問題的能力。

人工智能案例驅(qū)動(dòng)的Python編程教學(xué)價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）通過沉浸于與人工智能案例相關(guān)的Python編程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠更自然地吸收和掌握編程邏輯與知識(shí)點(diǎn)；（2）面對(duì)案例中出現(xiàn)的具體挑戰(zhàn)，學(xué)生在尋找解決方案的過程中，能有效提高問題解決的實(shí)踐能力；（3）這種基于案例的Python編程教育連接了學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境與真實(shí)世界，增強(qiáng)了他們應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)問題挑戰(zhàn)的自信心；（4）在策略上，從拆分問題、設(shè)計(jì)算法到使用Python語言實(shí)現(xiàn)方案的過程，致力于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力；（5）借助真實(shí)世界的案例引導(dǎo)學(xué)習(xí)，不僅加強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手操作的能力，同時(shí)還激發(fā)了他們學(xué)習(xí)Python和人工智能背后科技的興趣，提高了他們的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和動(dòng)力。

人工智能案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式實(shí)施

1.計(jì)算思維、Python語言、人工智能案例關(guān)系

筆者構(gòu)建了計(jì)算思維、Python語言及人工智能案例相結(jié)合的關(guān)系模型，如圖1所示。該模型可視作一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，其中計(jì)算思維處于核心位置，Python作為實(shí)現(xiàn)工具的中間層，而人工智能的實(shí)踐案例作為最外層。

本模型的核心是計(jì)算思維，它不僅是此模型的心臟，更是分析問題和制定解決方案的全局框架。計(jì)算思維的培養(yǎng)不僅限于編程本身，它的目標(biāo)是提高學(xué)生的邏輯推理、抽象思維和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。緊鄰計(jì)算思維的內(nèi)層是Python語言，作為一個(gè)普遍應(yīng)用的編程工具，其重要性在于有效實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)的目的，它作為計(jì)算思維向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化的橋梁，對(duì)學(xué)生理解編程思想和發(fā)展編程技能起著關(guān)鍵作用。最外層是人工智能案例，它直接與學(xué)生互動(dòng)，為學(xué)生提供了具體形象的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和參與感。這種實(shí)例驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)方式不僅把抽象理論與實(shí)踐操作緊密相連，還創(chuàng)造了一種情境化的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生能夠真切地體驗(yàn)到編程在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用，從而在實(shí)際操作中加深對(duì)計(jì)算思維重要性的認(rèn)識(shí)。

本模型基于一種實(shí)踐導(dǎo)向的教學(xué)理念，該理念強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維中的關(guān)鍵要素：分解復(fù)雜問題、識(shí)別模式、抽象化過程以及算法設(shè)計(jì)等。通過這樣的教學(xué)模型，教師可以更有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，同時(shí)激發(fā)他們對(duì)Python編程的興趣，進(jìn)而引導(dǎo)他們深入人工智能領(lǐng)域的探索和學(xué)習(xí)。教師再結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行教學(xué)，能夠提升學(xué)生在實(shí)踐中解決問題的效率。這一系列的協(xié)同效應(yīng)將極大地推動(dòng)人工智能教育的進(jìn)步和學(xué)生能力的發(fā)展。

2.人工智能案例驅(qū)動(dòng)的Python編程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的模式

依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和認(rèn)知需求，筆者構(gòu)建了一套適合小學(xué)高年級(jí)學(xué)生的人工智能案例驅(qū)動(dòng)的Python編程教學(xué)模式。如圖2所示，此模式通過真實(shí)案例激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)其解決問題的能力，使其在不斷解決問題的過程中思維得到培養(yǎng)。教師明確課程目標(biāo)，包括計(jì)算思維的培養(yǎng)、Python編程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握以及人工智能案例具體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；根據(jù)學(xué)生的能力水平精選AI案例，設(shè)計(jì)問題，營(yíng)造挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)情境；選擇相應(yīng)案例，給學(xué)生輔助體驗(yàn)，提供AI教學(xué)資源和支架，并給予指導(dǎo)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。在實(shí)際教學(xué)中，教師在實(shí)現(xiàn)AI案例的每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)涉及對(duì)應(yīng)的Python知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生先感知情境，再學(xué)習(xí)相應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握基本技能。通過調(diào)查體驗(yàn)、自主合作探究、物化作品、測(cè)試評(píng)價(jià)、交流展示等環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)會(huì)主動(dòng)探求知識(shí)，完成AI案例挑戰(zhàn)和實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而加深對(duì)Python編程的理解。通過個(gè)人或團(tuán)隊(duì)探究，學(xué)生不僅提升了編程技巧，還鍛煉了合作與交流能力。最終，學(xué)生總結(jié)自己的成果，并與同伴分享經(jīng)驗(yàn)和反思不足，實(shí)現(xiàn)在思維和技術(shù)層面的成長(zhǎng)，高效促進(jìn)未來學(xué)習(xí)能力的持續(xù)提升。

3.“校園光盤行動(dòng)”人工智能案例教學(xué)實(shí)踐

（1）項(xiàng)目分析。教育部印發(fā)了《教育系統(tǒng)“制止餐飲浪費(fèi)培養(yǎng)節(jié)約習(xí)慣”行動(dòng)方案》，但在學(xué)校實(shí)際的落實(shí)中仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。很多學(xué)校開展了“光盤行動(dòng)”，推出了相關(guān)的行動(dòng)方案，并且采取了一系列措施，如在食堂內(nèi)張貼倡導(dǎo)節(jié)約的海報(bào)、安排教師監(jiān)督等。然而，諸多因素如食堂配餐量過大、菜品不合學(xué)生口味以及學(xué)生個(gè)人的挑食行為、學(xué)生就餐人數(shù)龐大、教師監(jiān)督力量有限等現(xiàn)狀，使得學(xué)校餐飲浪費(fèi)問題依然突出。隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，為檢測(cè)和評(píng)估“光盤行動(dòng)”的效果提供了嶄新的解決途徑。本項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生探索圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)等人工智能技術(shù)，學(xué)習(xí)使用這些技術(shù)解決當(dāng)前學(xué)校食堂餐飲浪費(fèi)問題。學(xué)生利用圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)等人工智能技術(shù)完成對(duì)用餐情況的識(shí)別，并通過燈光或聲音給予友好的鼓勵(lì)與表?yè)P(yáng)，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)班級(jí)或全?！肮獗P”數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)反饋，為學(xué)校餐飲浪費(fèi)的減少和菜品質(zhì)量的改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。

（2）教學(xué)目標(biāo)。計(jì)算思維目標(biāo)：針對(duì)待解決的問題，能夠?qū)⑵浞纸鉃槿舾尚∪蝿?wù)，合理設(shè)計(jì)相關(guān)算法，并通過編程實(shí)現(xiàn)。Python知識(shí)目標(biāo)：理解并掌握Python中類、對(duì)象、屬性、方法、模塊、庫(kù)等核心概念。人工智能案例目標(biāo)：了解圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)等人工智能技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法，借助人工智能平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)標(biāo)注、模型訓(xùn)練、評(píng)估、應(yīng)用等活動(dòng)，體驗(yàn)圖像分類技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。

（3）學(xué)情分析。教學(xué)對(duì)象是六年級(jí)的學(xué)生，他們對(duì)解決真實(shí)問題充滿興趣，對(duì)用人工智能技術(shù)解決實(shí)際問題充滿熱情，在前面的課程中已了解了機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程及機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)中的數(shù)據(jù)、算法、算力，能利用在線平臺(tái)和Python開源代碼訓(xùn)練二分類模型，但對(duì)訓(xùn)練好的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換和AI應(yīng)用部署Python編程代碼還存在學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)。

（4）主要教學(xué)流程。第一階段：入項(xiàng)活動(dòng)。教師課上出示學(xué)校食堂學(xué)生就餐時(shí)食物浪費(fèi)的實(shí)例，展示學(xué)校德育處大隊(duì)委學(xué)生檢查剩余食物作為每班用餐評(píng)價(jià)打分，引導(dǎo)學(xué)生分享在食堂就餐時(shí)遇到的問題。學(xué)生討論食物浪費(fèi)可能造成的后果，如資源浪費(fèi)和環(huán)境問題等，并思考如何減少浪費(fèi)，分析為什么現(xiàn)有的監(jiān)督方法和宣傳活動(dòng)可能還不足以解決問題，如何能更有效地監(jiān)督和推動(dòng)同學(xué)們減少浪費(fèi)？結(jié)合餐飲浪費(fèi)問題，教師追問人工智能技術(shù)幫助實(shí)施和改善“光盤行動(dòng)”的可能性，提出人工智能在解決食堂浪費(fèi)問題中的潛在角色。

第二階段：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，打造個(gè)性化數(shù)據(jù)集。為了進(jìn)一步減少午餐浪費(fèi)，學(xué)生利用人工智能技術(shù)訓(xùn)練模型，利用中午就餐時(shí)間，在食堂拍攝若干張光盤、非光盤的照片，進(jìn)行整理分類，并按8∶1∶1劃分訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集，做成數(shù)據(jù)集。

第三階段：模型訓(xùn)練，推理測(cè)試。學(xué)生借助OpenInnoLab浦育平臺(tái)上的MMEdu工具完成模型訓(xùn)練和推理等工作。學(xué)生用采集到的不同數(shù)量圖像作為數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次模型訓(xùn)練；根據(jù)模型識(shí)別率，不斷規(guī)范數(shù)據(jù)，優(yōu)化模型。

第四階段：模型部署，安裝測(cè)試。學(xué)生將訓(xùn)練好的模型部署到了邊緣設(shè)備（如行空板），加上燈光或語音等硬件，實(shí)現(xiàn)攝像頭檢測(cè)到光盤，便顯示燈光或語音給予表?yè)P(yáng)，并能實(shí)時(shí)顯示每班“光盤”數(shù)量，同時(shí)在食堂進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

第五階段：反思與評(píng)價(jià)。在項(xiàng)目完成后，學(xué)生進(jìn)行展示和評(píng)價(jià)。同時(shí)，師生共同探討項(xiàng)目的效果和進(jìn)一步的改進(jìn)空間。每個(gè)小組匯報(bào)設(shè)計(jì)思路、實(shí)施過程和遇到的挑戰(zhàn)，以及是如何解決這些問題的。學(xué)?？紤]將最有效的方案投入使用，并可能與其他學(xué)校分享這個(gè)經(jīng)驗(yàn)。

在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生在每個(gè)環(huán)節(jié)都能夠?qū)⒖瓷先?fù)雜的任務(wù)分而治之，并運(yùn)用Python編程語言貫徹執(zhí)行解決方案。他們不僅是掌握了編程和數(shù)據(jù)處理的實(shí)用技巧，更是領(lǐng)會(huì)了如何將所獲知識(shí)付諸實(shí)際操作，以應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)中的問題，進(jìn)而引導(dǎo)出持久性的行為轉(zhuǎn)變[4]。

結(jié) 語

人工智能案例驅(qū)動(dòng)的小學(xué)Python編程教學(xué)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷不再局限于枯燥的技能訓(xùn)練，而是擴(kuò)展到了解決真實(shí)問題的情境中。這種學(xué)習(xí)方式大大提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，強(qiáng)化了他們的科學(xué)素養(yǎng)和人工智能應(yīng)用意識(shí)。更重要的是，此教學(xué)模式為學(xué)生今后深入學(xué)習(xí)人工智能、數(shù)據(jù)科學(xué)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和探索未來的勇氣。

參考文獻(xiàn)

中華人民共和國(guó)教育部. 義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

段波. 面向計(jì)算思維發(fā)展的中學(xué)人工智能課程活動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)（基礎(chǔ)教育版），2022（1）.

岳彥龍，張學(xué)軍，梁嶼藩. 人工智能教學(xué)如何培養(yǎng)高中生的計(jì)算思維？[J]. 基礎(chǔ)教育，2022（1）.

劉妍，胡碧皓，顧小清.人工智能將帶來怎樣的學(xué)習(xí)未來：基于國(guó)際教育核心期刊和發(fā)展報(bào)告的質(zhì)性元分析研究[J]. 中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2021（6）.

編 輯：馮艷艷