基于人工智能的可视化编程教学模式构建与应用研究

张超金

可视化编程软件一般具有图形化、模块化、易操作等特点，能有效提升小学生的编程兴趣，同时还可以通过可视化编程实现无人驾驶、人脸识别、语音识别等AI技术的应用，有效培养学生的计算思维、创新精神以及综合能力。然而，传统的可视化编程教学，教法欠灵活，过分偏重教师讲解分析;教学过程缺乏探究性，更多的是让学生依样画瓢。这种循规蹈矩的教学模式不利于学生思维和能力的培养，往往会导致教学效果大打折扣。近年来，笔者通过开展与“AI+编程”社团项目相关的课题研究，构建了基于AI的可视化编程教学模式，并积极实践探索，全面提高了教学效率。

● 基于AI的可视化编程教学模式构建

构建主义学习理论强调以学生为中心，学习过程不是让学生被动地接受知识，而是让其积极主动地建构知识;学习不只是知识由外向内地转移和传递，而是通过新知识经验和原有知识经验的相互作用来充实、丰富和改造自己的知识经验的过程。多元智能理論强调每个人都有不同的智能强项和优势。基于对这些理论的认识，笔者结合多次的教学实践及反思，审视改进，构建了基于AI的可视化编程教学模式（如图1）。

● 基于AI的可视化编程教学模式应用探索

笔者根据以上教学模式框架，以AI社团项目“红灯停绿灯行”为例，对基于AI的可视化编程教学模式应用展开探讨。

1.情境创设，引导发现

情境导入是情境教学的重要环节之一。在这一环节，教师可以通过呈现AI在生活中的应用、AI技术模拟真实情境、情境对比等方法和手段，激发学生的学习兴趣，引导学生发现问题，启发他们积极思考，为学习新课做好铺垫。

上课伊始，笔者让学生了解AI技术在智慧交通方面的应用（如交通信号灯的控制），接着出示两张图片（一张没有交通信号灯，另一张有交通信号灯）并提问：“这两张图片有什么不同？你发现了什么？”引导学生对比观察、现问题，从而引出课题“红灯停绿灯行”，随后展示范例作品模拟真实的交通道路情境（如下页图2）。

2.小组研讨，项目设计

在基于AI的编程教学中，更要注重采取小组研讨等教学方式，以凸显“以学生为主体”的思想，引导学生对“项目”进行必要的分析，理清程序项目的设计思路，提出关键问题，并以问题为导向聚焦算法设计，从而培养学生的设计思维和算法思维。

（1）观察分析。教师运行AI作品，引导学生观察、小组研讨，分析项目的设计思路（如下表），小组汇报。

（2）提出问题。“提出一个问题比解决一个问题更重要”。引导学生根据表1的设计思路逐一提出对应问题：①怎样设置变量“时间”？②如何设计搭建红灯和绿灯的脚本？红绿灯如何实现切换？③怎样设计搭建脚本实现行人的左右移动？④重点：行人遇红灯停绿灯行的脚本如何设计？

（3）聚焦算法设计。算法是解决问题的一系列清晰指令，它代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制。它是基于AI的编程教学的核心和关键。在教学中，教师要注意借助流程图或思维导图，化抽象为直观，这样有助于学生设计算法、分析算法，从而更好地突破教学重难点。例如，“红灯停绿灯行”一课的教学重点是行人遇红灯停绿灯行的算法设计，教师可以先让学生描述算法，再引导学生用流程图表示（如下页图3）。值得注意的是，在算法设计过程中，还要引导学生从多角度、多层面去考虑问题，从而实现算法多样化和算法优化。

3.自主探究，实践创新

在这个环节中，教师应尽量满足学生对探究的渴望，灵活运用任务驱动、探究性学习、分层教学等教学方法，放手让学生自主探究实践，在验证算法的同时进行创意编程设计，调动学生多种多元智能，让学生理解AI技术背后的逻辑和原理，为实现更多的创造奠基，同时培养学生的创新精神。

本环节的具体教学步骤如下：①学生导入背景图片，添加角色“行人”，绘制红灯和绿灯。②根据学生此前提出的四个问题，设置四个对应任务。③任务一：设置变量“时间”;任务二：红灯和绿灯的脚本搭建（设置时间变量实现倒计时，红绿灯的切换可用广播指令）;任务三：用右移键和左移键控制行人左右行走;任务四：行人遇红灯停绿灯行的脚本实现（条件、重复、广播等指令的使用）。④学生结合算法设计流程图，对学习任务进行自主探究、实践操作，教师巡视指导，并请先完成的学生当小老师。⑤创意编程。在完成基础功能后，教师提问：还可以对该项目添加怎样的创意设计呢？引导学生说出三种情况——增加行人数量、增加“黄灯”、改变背景图，并尝试编程、操作。

4.分享评价，总结归纳

本课的教学评价可以这样操作：一是小组内先评出优秀作品，再对作品进行展示评价。教师提醒学生在评价过程中要注意学会倾听，再引导学生从AI技术运用、功能、布局等多个方面来评价他人的作品。二是评价学生的课堂表现，可以从回答问题情况、学习态度、小组协作等方面进行评价。三是可以将作品上传到钉钉群或微信群，课后进行拓展性评价，让家长也参与进来。

对全课进行总结归纳，有利于梳理知识点，使所学知识形成网络，便于学生巩固知识。在本课教学中，笔者先组织学生回顾本节课所学的知识，并尝试总结归纳，笔者再做适当补充，补充通常采取提问的形式，如：本课节主要学习了哪些知识点？关于人工智能作品创作你还有哪些想法？

5.拓展项目，布置作业

考虑到学生对人工智能方面的知识知道较少，笔者特意拓展了一些课外内容，如播放关于人工智能改变生活的视频，视频中呈现了无人架驶、语音识别、掌纹识别等AI技术，以拓展学生思维和视野，激发他们后续创作AI作品的兴趣和热情。

另外，笔者还设计了“有弹性”的作业，以满足学生的个性化学习需要：未完成本项目创作的学生，可选择第一题（将项目“红灯停绿灯行”进一步完善）;已完成的学生，可从余下两道题中任选一题（①可视化编程演示人工智能案例，实现汽车自动驾驶前行;可视化编程实现人脸识别）。笔者还提醒学生将作业上传到“AI社团钉钉群”，如创作过程中遇到困难也可以在群中交流讨论。

● 结束语

教学实践证明，构建合理的基于AI的可视化编程教学模式，有利于充分发挥学生的主体作用，调动学生多元智能，实现AI技术在可视化编程课堂中的有效融入，从而培养学生的计算思维和综合能力。值得一提的是，在运用该教学模式进行教学时，教师要注意课前的学情分析、教学目标的合理定位、教学重难点的准确把握，关注项目与现实生活的联系，重视程序设计分析和跨学科融合，注意从创新意识、设计思维、创造实践、人文情怀等方面全面关照，并最终落实到创新能力的进阶，为培养具有人工智能研发能力的创新人才提供助力。

基金项目：广东省教育科学“十三五”规划课题“‘五度六环人工智能教育启蒙课程的构建与实施”（课题编号：2020YQJK234）。