走进人工智能　激活计算思维

杨向勇　常林海

摘   要：《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》聚焦培养学生的信息学科核心素养。对于一线教师而言，如何在日常的教学实践中，将培养学生的信息素养落到实处，始终没有太大突破。为此，教师尝试通过课堂三环节即抓科技热点，提信息意识；重算法设计，强计算思维；磨信息作品，增信息责任及算法三步骤即自己清楚——原理运用过程；机器清楚——计算思维过程；他人清楚——数字化工具应用过程，将学生的信息学科核心素养培养落实到每一节课的教学实践中，取得了良好的效果，学生的信息素养有所提升。

关键词：中学信息科技教学；信息意识；计算思维；信息社会责任；真实性学习

中图分类号：G633.67  文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2023）29-0004-03

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）提出信息科技课程要培养的核心素养主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。《课标》倡导真实性学习，即以真实问题或项目为驱动，引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，由此建构知识，提升问题解决能力。

目前，我国中学生信息学科核心素养的培养主要通过信息科技课程进行，且主要围绕办公软件、编程软件和网络应用等基础性知识内容展开。课堂教学主要通过操作演示结合简单上机练习来实现，这既枯燥乏味又脱离实际生活情境，因此難以激发学生的学习兴趣，且学生进行思维反思和实践探究的机会比较少，这导致一些学生对信息科技的内涵与外延无法准确理解，对信息科技知识的探究也只是浅尝辄止，甚至学生的信息意识、计算思维也无法得到有效培养。现笔者以“进制转换小能手”一课为例，来分享如何通过课堂三环节、算法三步骤把学生的信息学科核心素养培养落实到每一节课的教学实践中。

一、培养信息学科核心素养的课堂实践

以下为课堂三环节，即课堂的导入、讲授和升华，具体介绍如下：

（一）环节一：抓科技热点，提信息意识

本课源自河北人民出版社《信息技术》（2021版）8年级第二单元第15课的第2课时“二进制转十进制”。掌握二进制转十进制的原理并能通过编程实现进制转换是本节课的重点和难点。

在初中信息科技教学中，教师需要结合学科核心素养的内涵，基于信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等，重点培养学生初步认识人工智能技术以及相关应用，并使其能够运用简单的人工智能技术解决现实问题，如此既可使学生明确人工智能技术对学习与生活的重要意义，又可提升学生使用人工智能技术的责任感与使命感。所以本节课笔者围绕人工智能创设了一个真实的学习情境，即让学生先体验人工智能对话机器人——讯飞星火大模型，然后再带领学生一起创作自己的智能机器人，由此可激发学生用信息科技去解决生活中问题的欲望，并提升信息意识。

首先以教师的困扰为例引入本节课：“五一假期是大家休息放松的好机会，但教师的假期却是在困扰中度过的。教师有什么困扰呢？这些困扰教师是如何解决的呢？解决的效果怎么样呢？教师寻求了讯飞星火大模型的帮忙，它可以解答教师提出的所有问题。同学们，你有什么困扰呢？可以尝试让讯飞星火大模型来帮忙。”课堂上邀请学生体验人工智能机器人，这会深深吸引学生，把学生带入人工智能的世界，进而可实现沉浸式学习。

“人工智能的基础是数据，本质是计算，核心是算法。所以只要掌握了编程知识咱们也可以开发自己的智能机器人。想不想和教师一起来挑战一下？”由此点燃了学生的学习热情。从何处着手呢？可先从基础的二进制转十进制开始做起。因为人类用的是十进制，机器用的是二进制，要想实现人机交互首先要完成进制转换。这样就把教材内容作为一个真实任务融入到教学情境中了。

（二）环节二：重算法设计，强计算思维

《课标》中计算思维的培养是通过引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程来实现的。在课堂教学中，笔者通过“三个清楚”来落实这三个过程，分别是自己清楚、机器清楚、他人清楚，也是就算法三步骤。

1.步骤一：自己清楚——原理运用过程。自己要清楚二进制转十进制的原理，这是本节课的难点，对比教师可通过类比十进制来讲解。教师在黑板上书写985，请学生们说出这三个数字表示的十进制数是多少？表示的十进制数是九百八十五，为什么是九百八十五呢？因为9在百位，8在十位，5在个位，从而引出位权概念。十进制数值是各个数位上的值乘以位权值加起来，二进制转十进制也是这个原理，比如1101，它对应的十进制数是1×23+1×22+0×21+1×20=13.

通过讲解，学生知道了转换原理，但比较生疏。为了帮助学生们熟悉二进制转十进制，笔者设计了一个游戏环节：教师邀请4名学生上台，并站成一排，代表4位二进制数。然后教师说开始，这四名学生可以随机举右手，举手表示1，不举手表示0，然后其他学生快速说出这个二进制对应的十进制数。刚开始学生不能很快说出二进制数对应的十进制数，是因为学生对二进制各个数位的位权不熟悉。对此教师为学生准备了辅助工具，在牌子上写上了四位二进制数对应的位权值，然后让学生以举牌子代替举手，此时学生就可以熟练说出二进制数对应的十进制数了。接下来把辅助工具去除，学生也能快速计算并说出二进制对应的十进制。通过游戏，学生不仅掌握了二进制转十进制的原理，更能快速计算出4位二进制如何转十进制。

2.步骤二：机器清楚——计算思维过程。当学生都掌握了二进制转十进制的原理和运算方法后，下面要“教会机器，让机器清楚”，即通过编程来实现二进制转十进制。为此教师首先会出示一个二进制数1101，并把它转为十进制，然后通过“你以为的运算过程”和计算机的运算过程做对比让学生感受到计算机的编程运算和人的数学运算存在巨大差异，这就要求学生能站在机器的角度去分析问题、解决问题。

对此笔者设计了一个“开盲盒”游戏，让学生在游戏中体会机器是如何运算的：笔者出示一个盒子，在里面放置若干个小球，有的小球上面写1，有的小球上面写0。把盒子盖好，盒子只有左边开口，可以让小球进出。请学生们给出把盒子里面的小球表示的二进制数转成十进制数的方法。学生面对“盲盒”需要解決以下几个问题：如何取出小球？怎么知道每个小球对应的位权值？什么时候停止取球？

这个“盲盒”就代表一串字符串存储在机器中，然后让学生观察Kitten程序，了解该程序对字符串可以进行哪些运算。学生可以找到有获取字符长度的积木、有提取字符串第几个字符的积木、有把字符串中的字符转换为数据的积木。教师可以先获取这个字符串的长度，并用变量n来记录；接着逐一从字符串中取出字符并转换为数字型，继而用当前位置数来记录；然后把当前位置数乘以对应的权值加起来。其中逐一取字符串中的字符也需要定义一个变量来记录，算完一边重复执行，直到m=0为止。

此时学生就会意识到，同一个运算在人和机器的“眼中”是不一样的。一组数据存储在机器中就像放入“盲盒”，对于“盲盒”中的内容，机器做不到“心中有数”，只能通过各种手段去检测，比如可以“扫描”出“盲盒”中有几个字符；可以“网开一面”把各个字符挨个取出；每一步操作都需要进行专门的记录，并以此为下一步操作做准备，一旦制定好运算规则机器重复执行的能力是很强的。只有站在机器的角度去思考，绘制的流程图才是可行的，才能做到让机器清楚，进而让学生在体验计算机解决问题的过程中，发展计算思维核心素养。

3.步骤三：他人清楚——数字化工具应用过程。由自己清楚到机器清楚，代码就呼之欲出了。此时教师给学生渗透编程的几个要点，即编程首先考虑的是程序功能的实现，接着要考虑程序运行的高效，最后是程序编写的规范、简洁，要有可读性，以让他人能看得清楚。因为复杂的程序往往需要多人协作完成，程序编写规范、简洁，让他人能看清楚，就可以让多人协作更流畅。这不仅是一个好的编程习惯，更是信息素养的体现。

这就是算法三步骤，学生通过算法三步骤完成程序的编写，在编程过程中做到了自己清楚、机器清楚和他人清楚，经历了原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，最终提升了计算思维核心素养。

（三）环节三：磨信息作品，增信息责任

教师提问：“大家智能程序做好了，请同学们对比自己做的智能程序与讯飞星火大模型有什么区别？”学生们会说功能太少了。此时教师应培养学生见贤思齐的态度，即对标强者找差距、析原因、定措施，然后迎头赶上。“讯飞星火大模型为什么强大，是因为有开发团队在对它不断完善，如何完善呢？讯飞星火大模型面向全国发布，供大家免费使用，开发团队会收集使用中遇到的问题，然后不断改进。咱们也可以效仿用智能程序去帮助身边的人，每帮助别人解决一个问题，程序功能就会增加一分。”

在上述课堂三环节中，笔者通过抓科技热点，激发学生的学习兴趣，提升学生的信息意识；在讲授新课时重视算法设计，加强对学生计算思维的培养；最后带领学生一起打磨信息作品，增强学生利用信息技术服务社会的信息责任感。

二、课堂实践反思

纵观本节课，笔者通过课堂三环节、算法三步骤来培养学生的信息学科核心素养，学生的学习效果如何呢？在程序完善环节，教师出示了“质数判断”“对话十二生肖”“公元纪年转干支纪年”三个问题，学生通过小组讨论都能给出合理的解决方案。这说明学生已彻底理解了二进制转十进制的转换原理及程序运行过程。在编写“对话十二生肖”“公元纪年转干支纪年”程序时有意识地去对程序进行优化，这都是学生信息素养提升的表现。

【责任编辑 韩梁彦】