面向人工智能概念理解的小学低学段不插电教学活动设计与实践

傅骞 王雯

问题提出

21世纪以来，人工智能技术应用逐步普及，如何培养出更多人工智能专业人才以助力社会的发展，成了教育领域的热门话题。为了应对这一挑战，国家发布了《新一代人工智能发展规划》等系列政策文件，促进中小学人工智能教育的开展。当前，中小学人工智能教育多以“编程+硬件”的方式为主，这带来三个问题：一是对人工智能概念理解教学着力不够;二是缺乏对人工智能相关思维能力的培养;三是对电子设备的依赖太大，不仅对低年龄段学生视力健康不利，也不容易大范围推广。而不插电人工智能教学活动则可以有效解决上述问题。

面向人工智能概念理解的不插电教学活动设计

不插电活动的概念最早于1998年在Computer Science Unplugged一书中提出。[1]研究者们发现不插电活动不仅可以显著提升学生的计算思维能力和学习动机[2]，还可以促进学生思考和提升其想象力。[3]不插电活动同样能够有效地促进学生理解人工智能概念及其在生活中的相关应用。[4]

1.不插电人工智能活动的设计原则

在认知水平方面，小学生处于具体运算阶段，还不具备抽象思维能力或抽象思维能力较低，需要借助实物才能更好地思考;在初始能力方面，目前小学低学段学生的人工智能知识基础大多比较薄弱，计算机操作能力、数学运算能力也都处于初级阶段。考虑到以上特质，为了以更浅显易懂的方式让小学生理解人工智能概念并提高兴趣，结合Nishida等提出的不插电活动的主要特征[5]，本文总结了设计不插电人工智能活动的原则。

（1）Gamification（游戏化）。不插电人工智能活动应该以一个或几个游戏为核心。一是游戏的形式能够增加活动的趣味性，提高学生的学习兴趣，从而使其更多地投入到活动中;二是游戏本身固有的挑战性能够提高学生们的学习动机，促进学生的思考。

（2）Storytelling（故事化）。为了让小学生更好地借助实物进行思考，不插电人工智能活动需要一个贴近学生的故事背景，这个故事背景可以是小学生喜闻乐见的童话、动画情节，也可以是贴近小学生现实生活的学校生活、社会生活等背景。

（3）Collaborative（协作化）。协作也是促进知识构建的一种形式。不插电人工智能活动应该设计适量的协作任务，借助学生间的互动调动其学习积极性，同时促进多样化观点的产生。

（4）Conceptualized（概念化）。不插电活动应该以一个人工智能概念为核心。每个活动对应一个人工智能概念可以使活动目标清晰、重点突出，也更容易适应小学低年段认知，促进学生理解。

2.不插电人工智能教学活动开发模式

Nishida等提出的不插电计算机科学教学活动开发模式[6]，包含了选择CS概念、确定关键元素、考虑包含类似元素的活动载体、将概念学习转化为挑战游戏、实施与验证、评估与改进等步骤。

本文以上述模式为基础，设计了不插电人工智能教学活动开发模式。《中国互联网学习白皮书之人工智能教育发展报告（基础教育）》明确规定小学阶段人工智能能力培养目标为“能够感知、体验、分辨人工智能，逐步培养计算思维能力”[7]，因此在“概念化”环节选择相关概念时，应该侧重选择人工智能历史、算法原理的基本概念，而不是对具体算法进行教学。现以“模仿游戏”为例进行说明（如图1、图2）。

面向人工智能概念理解的不插电教学活动实践

根据提出的不插电人工智能教学活动开发模式，笔者开发了四个活动，分别为“模仿游戏”“送小羊回家”“冒险游戏”“谁做的好事”，对应“智能”“分类”“聚类”“推理”几个概念，具体表现为“图灵测试”“分类算法”“聚类算法”以及“类比推理与归纳推理”几个知识点。活动设计详见下页表。

经过对11名不同年段（一年级到五年级）小学生开展2天共4课时的教学实践，可以证明所开发的不插电人工智能活动的有效性：在知识理解方面，学生通过不插电人工智能活动基本达到了学习目标，能够清晰理解课中的人工智能基本概念并且在一定的情境中进行应用;在喜爱度方面，学生们十分喜爱不插电活动的形式，不仅认为这种游戏化、情境化的活动是有趣的、好玩的，那么偏好活动中常用的小组合作的学习方式，认为这种学习方式更有学习氛围，更能够提高小组成员的思维灵活性。

总结与建议

本文探索了面向小学低学段学生人工智能概念理解的不插电教学活动的设计原则和开发模式，并展示了相关案例。通过实验可以发现，不插电人工智能教学活动不仅深受小学低学段学生的喜爱，还能够切实促进其对人工智能概念的理解。

研究也发现，虽然各个年级的学生都能够在活动实践中基本达到学习目标，但是对于不同年级的学生来说，学习体验的差距还是较大，主要体现在低年级学生不能较快理解游戏规则，因此在小组合作中容易处于边缘位置，从而失去学习兴趣。因此，在面向小学低学段学生设计不插电人工智能活动的时候，应该适当降低相关问题对计算能力和逻辑思维能力的要求，同时适当降低游戏的挑战性。此外，通过访谈可以了解到，低段学生更偏爱小组合作的方式。因此，对低段学生也应该多多采用小组合作的学习方式，这可以使得学生互相帮助，更好地理解知识以及更多地参与到活动中。

在未來的研究中，可以探索不插电人工智能活动对不同年段小学生甚至于初中生的教学效果，开展更加完善、系统的实验进行效果验证，也可以探索如何通过不插电人工智能活动提升学生的计算思维、信息素养等能力。

参考文献：

[1]Bell T，Witten I H，Fellows M.Computer Science Unplugged： Off-line activities and games for all ages[J].Great Ideas in Computer Science，1998，43（1 Supplement）：S21-S22.

[2]Christian P. Brackmann，Marcos Román-González，Gregorio Robles，Jesús Moreno-León，Ana Casali，Dante Barone. Development of Computational Thinking Skills through Unplugged Activities in Primary School[P].Primary and Secondary Computing Education，2017.

[3]Nishida T，Idosaka Y，Hofuku Y，et al.New Methodology of Information Education with "Computer Science Unplugged"[C].// International Conference on Informatics Education-supporting Computational Thinking. DBLP， 2008.

[4]Lindner A，Seegerer S，Romeike R.Unplugged Activities in the Context of AI[M].Berlin：Springer，Cham，2019.

[5][6]Nishida T，Kanemune S，Idosaka Y，et al.A CS unplugged design pattern[C].// Proceedings of the 40th SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education，SIGCSE 2009，Chattanooga，TN，USA，March 4-7，2009.

[7]马涛，赵峰，王有学，等.海淀区中小学人工智能教育发展之路[J].中国电化教育，2019（05）：128-132.