基于Mind+平臺的小學AI編程教學設計與實踐

發布時間：2022-10-11 15:00

第一章緒論 1

1.1研究背景 1

1.2研究目的及意義 3

1.3國內外研究綜述 4

1.3. 1 Artificial Intelligence 內涵概述 5

1.3.2中小學AI教育課程概述 5

1-3. 3中小學AI教育教學現狀 7

1. 3. 4 AI編程教育中的計算思維培養 8

1.3.5 AI學習工具與環境 9

1.4研究內容及方法 10

1.5研究思路 11

1.6核心概念及理論基礎 12

1.6. 1核心概念 12

1.6.2理論基礎 14

第二章小學AI教育教學現狀調查分析 17

2.1小學AI教材分析 17

2.1.1小學學校教材分析 17

2.1.2小學企業教材分析 18

2. 2學習者特點分析 20

2.3編程環境分析 21

2.4教學環境分析 22

2.4.1學校環境分析 22

2.4. 2教學實施環境分析 23

2.5小結 24

第三章基于Mind+平臺的小學AI編程教學設計 25

3.1學習目標設計 25

3.2學習過程設計 25

3.3學習內容設計 27

3.4學習評價設計 29

3.4.1學生課堂表現評價表 29

3. 4. 2人工智能基本知識問卷 30

3.4.3學生作品評價表 31

3.4.4計算思維能力測試題 31

3. 4. 5學生訪談 32

3.5小結 33

第四章基于Mind+平臺的小學AI編程教學實施與評價 34

4.1教學實踐課例 34

4.1. 1課例一《身邊的人工智能》 34

4.1.2課例二《AI語音助手》 39

4.1.3課例三《人臉門禁》 46

4. 2教學實施效果評價 51

4.2.1人工智能基本知識問卷成績分析 52

4. 2. 2學生計算思維前后測成績分析 52

4. 2. 3學生課堂表現評價表的效果分析 54

4.2.4學生作品評價 56

4. 2. 5學生訪談 58

4.3教學實施建議 59

4.4小結 60

第五章總結與展望 61

5.1研究總結 61

5.2研究不足與改進 61

5. 3研究展望 62

參考文獻 63

附錄 67

附錄一小學生課堂表現評價表 67

附錄二小學人工智能普及現狀前后測問卷 68

附錄三學生作品評價表 70

附錄四計算思維前測試題 71

附錄五計算思維測試題后測 73

附錄六學生訪談提綱 75

致謝 76

個人簡介 77

第一章緒論

1.1研究背景

1.1.1 AI背景下編程教育逐步成為熱點

隨著社會技術的革新，人工智能技術在社會中的應用如雨后春筍般冒了出來。2017年7 月，國務院下發《新一代人工智能發展規劃》的通知，規劃中明確指出我國人工智能技術水平的三步走布局，《規劃》"三步走”內容如圖1T所示，因此為達到每一階段的目標，規劃中指出要從中小學階段開始設置相關課程，推進AI教育與編程教育的普及同年，教育部印發《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》，并在該綱要中開設“信息技術”專欄，該專欄也提出要在小學中高年級普及編程教育，初步樹立學生的計算思維素養⑷。

人工智能理論、技術與應用總體達第三步，到2030年到童黒領先水平，成為世界主要人工智能磁新中心。

第二步,到2025年篦翳芻鴛隸鹽臥盼技

第一步，到2020年人工智能總體技術和應用與世界先進水平屈步

圖1-1《規劃》"三步走"內容

邁入教育信息化2.0時代后，教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》131《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》⑷、以及教育類提案答復函⑹等文件中都明確提出了基礎教育階段要開設AI和編程相關課程、建立學生信息素養評價體系、推動人工智能教師的規范化。此外，教育部公布2020-2021學年面向中小學生的全國性競賽活動白名單中僅"自然科學素養類”中就有5項和人工智能相關的競賽間。

通過對政策文件的梳理可以得知，近幾年編程教育在中小學實施己經成為一種趨勢。為實現教育變革，推進教育與人工智能的融合，在2018年，寧夏回族自治區成為“互聯網+ [1,!國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知_中華人民共和國中央人民政府門戶網站.[EB/OL].htt p: //www. gov. cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996. htm, 2017-07-20.] [教育部關于印發《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》禹通知_中華人民共和國教育部門戶網站.[EB/OLJ. http://www. moe. gov. cn/srcsite/A26/s8001/201710/t20171017_316616. html

⑶教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知一中華人民共和國教育部政府門戶網站.[EB/0L].h ttp: //www. moe. gov. cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188. html, 2018-04-18.

⑷教育部辦公廳關于印發《2019年教育信息化和網絡安全工作晏點》的通知_中華人民共和國教育部政府門戶網站.[EB/0L]. http://www. moe. gov. cn/srcsite/A16/s3342/201903/t20190312_373147. html, 2019-0 3-01.

⑸關于政協十三屆全國委員會第三次會議第"72號（教育類297號）提案答復的函_中華人民共和國教育部政府門戶網站.[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/xxgk Jyta/jyta Jiaocaiju/202012/t20201209_504364. html

⑹教育部公布2020-2021學年面向中小學生的全國性競賽活動名單_中華人民共和國中央人民政府門戶網站. [EB/OL]. http://www. gov. cn /fuwu/2020-08/20/content_5536196. html]

教育”示范區，同年寧夏回族自治區開展人工智能助推教師隊伍建設行動試點工作，借此培養高質量教師，同時實施六大行動，其中就強調要提升師生的智能素養，支持教師進行智能化教育探索，其中不單單包括教學方式/工具的智能化，還包含教學內容的智能化5。因此在教育部出臺的多項措施指導下，寧夏回族自治區中小學己將編程教育納入中小學信息技術教材中，使之成為一種普惠性課程。

1.2寧夏回族自治區中小學正在推進人工智能教育的普及

現在的學校教育不再強調知識的學習，更多的是培養學生核心素養的發展，現今的學校教育會更多的考慮學生的未來發展與競爭的格局，這是學校教育的一大轉變。從社會教育層面看，人臉識別、機器翻譯、指紋解鎖、人機對話等應用的相繼出現，說明人工智能正在悄無聲息地融入現代社會。為消除學校教育與社會教育之間技術的隔閡，基礎教育領域也開始重視信息技術學科，推廣普及AI教育。目前，人工智能課程在各地中小學校園中遍地開花，雖然課程轟轟烈烈的開設，但是課程的實施卻存在或多或少的問題。學者黃偉祥指出現存的人工智能課程存在重視知識技能模仿，輕視計算思維培養、重視零散項目開發，輕視課程系統設計、重視高大上的技術，輕視學生興趣培養、重視社團學生培養，輕視AI教育大眾化等問題叫

筆者通過參加寧夏回族自治區某些中小學的創客社團教育實踐后發現，無論是編程課程、硬件類課程還是機器人課程，學生對動手實踐類的活動有著很大的興趣。銀川市多數小學期待通過建設專門的創客教室，購置昂貴的人工智能硬件、教材等方式，利用圖形化編程與人工智能硬件結合的模式來推進人工智能教育普及。學者季瑜指出寧夏中小學創客教育難以開展的原因在于缺少頂層創客規劃、系統的創客課程建設不全、教師自身專業能力較低筆者通過走訪調查，發現學校信息技術師資比較稀缺，購置的人工智能器材前期企業會給予支持服務，但是服務期過后，學校就面臨無人上課，器材閑置等問題；并且在銀川市仍然存在一些薄弱學校，這些學校沒有大量的資金購置硬件設備，微機室的電腦也比較老舊，人工智能相關知識的學習僅僅依靠寧夏回族自治區信息技術教材中的scratch和LOGO語言，其中學校也會因課時和教學條件的限制，壓縮人工智能的教學知識或者干脆略過不上。

由于以上原因，銀川市多次舉辦的信息素養、人工智能相關的競賽參與的學校仍是少數標桿校，有關部門希望以賽促學的方式來推進人工智能教育，但是究其根本還是因為資金與師資的匱乏，人工智能教育的普及還處于起步階段，因此本研究設計了基于Mind+平臺的小學AI編程教學，利用免費的圖形化編程軟件在中小學中普及人工智能教育，可以在一定程度上彌補某些學校人工智能硬件、師資不足的問題。

1.3小學階段應注重計算思維的培養

111以新技術開辟教師隊伍建設新路子——專訪教育部教師工作司司長任友群一中國教育新聞網.[EB/OLj.h ttp://www. jyb. cn/rmtzcg/xwy/wzxw/202109/t20210915_620929. html

⑵黃偉祥•小學人工智能課程的構建與實施[J].中國信息義術教育，2020(17):5-9.

!3]季瑜.“互聯網+”背景下寧夏N市中小學創客教育開展情況調查研究[D].銀川:寧夏大學,2021.

當今世界，隨著信息科技與知識經濟的不斷發展，信息化社會已發展到較高級的階段, 人們不再過多的強調學習者外在技術的掌握或變革，轉而強調學習者的內在變化，因此計算思維逐步成為一個熱點話題。自周以真教授最早提出計算思維的概念以來，計算思維逐漸成為個體為適應社會必備的素養。世界各國都在加快步伐開展培養計算思維的相關課程，以幫助學生更好地適應未來。2010年，周以真教授又對計算思維進行更清晰具體的界定，2022 年教育部頒布了《義務教育信息科技課程標準》，其中明確指出計算思維是信息科技學科的核心素養之一。因此，隨著社會的發展，信息科學不再注重操作的學習，而是注重素養的培養。由于義務教育信息科技課程標準已經確立了計算思維的核心地位，那計算思維的培養應該以低階到高階循序漸進的方式進行，培養計算思維更應該從小學階段開展，為之后的學習奠定基礎。

目前，信息技術學科被視為培養學生計算思維的主要課程載體，為滿足學生的全面發展需求，因此大多數中小學開設創客社團，通過“5+2”的課后服務來推廣人工智能課程。同樣在小學階段，大多學者通過實施圖形化編程教育來培養學生的計算思維發展，因此本實踐希望通過在小學實施圖形化編程的人工智能教育來促進學生的信息素養與計算思維的提升。

1.2研究目的及意義

1.2.1研究目的

如上一節研究背景所述,對學生進行人工智能教育于我國的教育發展和人才培養都具有很重要的意義。目前中小學人工智能課程層出不窮，但是這些課程的設計大多是基于發達地區的水平編寫，對于西部地區的適用性不強，在銀川市本地的大多數中小學，購置了昂貴的設備，卻任由這些設備堆在角落、抑或是在需要比賽的時候就從培訓機構借調老師來進行短期的速成班，只求能在比賽前拿出一個參賽作品即可，甚至學校與學校之間人工智能環境的差距也比較大，有的學校甚至只有一個微機室，并且微機室電腦老舊較多，人工智能課程開設種類較少。針對這樣的現狀，許多教育工作者指出寧夏回族自治區的人工智能課程的師資還是比較匱乏，人才的培養不夠專業規范。因此，本研究設計了基于Mind+平臺的小學AI 編程教學，利用免費的圖形化編程軟件在中小學中普及人工智能教育，結合銀川市未建立完整課程體系的某小學的實際情況，對教學目標、教學內容、教學活動、教學評價展開設計，實施并檢驗教學成效。本研究的這一嘗試希望充實我國西部地區的小學生人工智能課程的實證研究，供一線教育者們探討。具體而言，本研究將圍繞以下目標進行研究：

第一，通過檢索、分析、參考國內外小學生人工智能課程的研究，從銀川市某小學的人工智能教育實際出發，創建出依托Mind+圖形化編程平臺的AI編程教學設計。

第二，本研究以教育部的政策要求為基礎，該政策主要是針對中小學如何開展人工智能教育，結合國外和我國發達地區人工智能教育的成功經驗，分析以“圖形化編程”和“人工智能技術”相結合的編程教育教學對學生人工智能知識普及、計算思維發展的有效性分析。筆者將針對實際情況，分析優缺點，給出此類課程能否在無人工智能教育基礎的學校有效開展，進而探索寧夏回族自治區AI教育的發展路徑。

1.2.2研究意義

當前信息技術教育應該關注在全民智能化的時代下,孩子為適應信息化、智能化社會做何種準備。面對日新月異的社會生活，即使身處城市，也總是被迅速到來的改變打的措手不及，對于校園里的孩子來說，要應對變化莫測的未來生活，也是一個不容易解決的問題，因此他們需要擁有更多的知識和眼界才能適應智能時代。本研究以促進小學生掌握人工智能知識點和計算思維能力發展為目標，以銀川市某小學的實際學情為依據，進行AI編程教學設計與實施。本選題的研究意義主要包括以下幾方面：

1.理論意義

在人機協同的社會大背景下，人工智能技術如人臉識別、語音識別、手勢識別等已應用到生活中的多個方面，同時現今中小學正在開展人工智能教育，而多數中小學實施人工智能教育是基于硬件環境的體驗，這就對學校搭建的硬件環境、教師的專業能力有較高的要求。在小學階段，多數學者與政策文件都指出小學生主要是感知人工智能，了解人工智能與社會的關系，因此人工智能教育的教學目標可以直接利用軟件平臺來實現，從而衍生出了一種基于軟件環境的人工智能體驗。

2022年公布的《義務教育信息科技課程標準》明確指出在小學第三學段中主要開展的內容模塊包括“身邊的算法”“過程與控制”，而在這一學段中要實現的學段目標如學生通過學習身邊的算法，體會算法的特征，能利用計算機實現過程與控制的方案等，基于此編程是一個較好的驗證手段。因此本研究設計了利用圖形化編程來感知人工智能技術的教學，既能完成新課標中的學段目標，又能讓學生感知人工智能，因此本選題有一定的價值意義。

2.實踐意義

第一，通過教學實踐能提高實驗校學生的計算思維和人工智能素養。設計小學AI編程教育教學，將高深的人工智能技術以動畫、圖形化編程的形式展現給小學生，幫助小學生感知人工智能技術。首先在學習圖形化編程后能熟練并創作自己的編程作品，其次利用圖形化編程的環境去感知常見的人工智能技術，激發學生學習AI編程的興趣。

第二，探索小學人工智能教育開展的多種形式。目前國內中小學人工智能教育百花齊放，但在翻閱相關文獻資料后，發現寧夏回族自治區關于“人工智能教育”方面的研究不多，在東部中部地區人工智能教育理論實踐熱火朝天的同時寧夏回族自治區地區的實踐經驗卻較少,在該地區實施AI編程教學將在一定程度上填補寧夏回族自治區地區實踐層面上的空白。本研究立足于銀川市D小學，并以其為實踐場所，對小學實施AI編程教學，為一線教師們開展人工智能教學提供可操作的教學內容、教學策略、教學方法及案例參考。

1.3國內外研究綜述

人工智能作為推動社會變革的戰略性技術，近年來越來越多的國家認為這項技術對本國的發展大有裨益，美、英、法、日、德等國家為確保自己在全球科技競爭中處于領先地位，在教育領域推岀了多項措施來培養本國的人工智能專業人才。人工智能與教育融合也迅速成為教育熱點，在基礎教育階段推進課程改革己蔚然成風，在小學階段開設人工智能啟蒙教育 4

被越來越多的國家認可。

1.3.1 Artificial Intelligence 內涵概述

1956年，Artificial Intelligence概念首次被提出并作為一個研究領域，此后AI作為 Artificial Intelligence的專有名詞。此后技術的高速發展，人們對它的研究逐漸深入。1961 年，Marvin Minsky在其論文中指出人工智能是一種科學，這種科學主要研究機器如何替人做John McCarthy認為人工智能是制造智能機器，它與使用計算機來了解人類智力的類似任務有關血。學者楊宜民等指出人工智能就是機器具備學習、感知、思考、理解、識別、規劃、推理、決策、抽象、學習、創造和問題求解等與人類智能有關的功能，又稱機器智能叭學者楊洋認為人工智能就是制造出像人一樣會聽、會看、會說、會思考、會學習、會行動的智能機器或程序，這些功能在生活中實現的技術包括語音識別、機器翻譯、圖像識別、文字識別、語音合成、人機對話、人機對弈、機器學習、知識表示等“。

通過對上述各種定義的分析，我們可以知道不管社會如何變化，人工智能最核心的功能依舊是如何幫助人類工作。隨著學者們的深入研究，人工智能的技術分類越發的全面，從多個角度模擬、延伸人類的智能。

1.3.2中小學AI教育課程概述

國外：日本文部科學省倡導日本中小學開展以編程教育為核心的人工智能教學，明確提出將編程、科普等與人工智能相關的基礎課程納入中小學必修課范圍。日本中小學人工智能教育體系涵蓋了多個年齡段的學生，并融合多學科多課程，以程序設計教育為核心，形成了全面且多樣的AI教育體系⑹。2019年，印度中央中等教育委員會(CBSE)宣布為了確保未來的印度公民了解人工智能，將人工智能設置為學校的選修課程，該課程側重于“通過實踐學習”，并為學生提供了通過學習人工智能來構建解決社區挑戰的機會。印度為了讓人工智能順利融入學校創設了比賽、線上研討會以及為期三天的“人工智能馬拉松”夏令營等活動，學生們使用人工智能執行一個項目設計和原型循環，以解決一個已確定的社區挑戰。2020 年韓國發布的中小學人工智能課程的內容標準包括三個領域:理解人工智能,包括子領域“人工智能和社會”和“智能代理”；人工智能的原理及其應用，子領域包括“數據”、“識別”、 “分類、探索和推理”、“機器學習和深度學習”；人工智能的社會影響，子領域包括“人工智能影響”和“人工智能倫理”叭在聯合國發布的《全球中小學人工智能課程》調研報告中指出全球12個國家都開發了人工智能課程，教學內容類別包括：人工智能基礎，包括算法和編程、情境問題解決和數據素養；理解、使用和開發人工智能，包括人工智能技術的主

⑴ Marvin Minsky.Steps toward artificial intelligence^].Proceedings of the IREJ961,49(l),8?30.

121 John McCarthy.What is AI?[EB/OL]http://jmc.stanford.edu/artificial-intelligence/what-is-ai/branches-of-ai.ht ml.1989

⑶楊宜民，張祺，高軍禮，張學習•自動化科學與技術概論•北京:清華大學出版社,2015:179.

⑷楊洋.小學《人工智能初步》校本課程開發的實踐研究[D].揚州:揚州大學,2019.

舊于勇，密,劉未央.我國中小學人工智能教育課程體系現狀及建議——來自日本中小學人工智能教育課程體系的啟示【」]•中國電化教育,2020(08):93-99.

161聯合國教科文組織關于全球中小學人工智能課程的調研報h-.[EB/0L].https://unesdoc.unesco.Org/ark:/482 23/pf0000380602 題領域、現有人工智能技術和開發新的人工智能技術；以及倫理和社會影響，包括人工智能應用于其他領域的主題領域、人工智能的倫理以及人工智能的社會影響。

國內：《普通高中信息技術課程標準(2017年版)》明確指出在選擇性必修模塊中包含 “人工智能初步”，并進一步將該模塊分為三個部分內容：一是人工智能基礎；二是簡單智能系統開發；三是人工智能技術的發展與應用

此后在人工智能領域各一線研究者們根據高中信息技術標準開展多樣的人工智能課程設計。何帥在架構中小學生的人工智能課程中，以慕課、微課等形式展開教學資源的設計，并且將入工智能的知識內嵌進游戲中，利用模塊化的編程作為教學工具進行教學小學人工智能課程的內容主要可以從兩個方面展開，一是感知人工智能，通過使用智能工具和智能小應用，讓學生了解人工智能，二是如何讓機器學會看、聽、說、想、動，讓學生體驗人工智能⑷。因此，通過對多位研究者的實踐進行梳理后，可以清楚直觀地了解到現在一線教學中人工智能課程的內容如下表所示。

表1-1人工智能課程的內容和目標設置

研究者課程內容課程目標

王本陸等皿人工智能的基礎知識幫助學生親近、感受、關注和初步探究人工

人工智能的初步體驗智能

人工智能技術的簡單探究等

楊文華® Scratch七種基礎積木知識 1.學會一般的編程語言

python語句知識 2.培養編程學習的興趣

楊洋人工智能通識類 1. 了解人工智能的知識

編程類、機器人類 2.體驗人工智能技術的應用

語音識別、圖像識別類 3.培養編程和人工智能學習的興趣

謝忠新等曲小學：人工智能的基礎、圖形化編程； 1. 了解人工智能對生活和學習的影響

初中：人工智能應用的體驗、人工智能 2.學習人工智能的原理與方法

的原理、圖形化編程;高中：人工智能 3.掌握編程語言，并能制作主題作品

的原理與方法、Python、機器人 4.培養人工智能學習的興趣

潘金晶m AI概述 1. 了解人工智能應用的原理

AI應用 2.掌握圖形化編程工具的程序編寫

AI編程 3.熟悉樹莓派及套件的知識

AI硬件 4.學會利用程序運行樹莓派

中小學信息技人工智能與社會 1.提升對人工智能技術的敏感度與理解力

術專業委員會人工智能與人類智能 2.實踐與探究人工智能技術的應用價值

E孔慶巖.高中信息技術必修模塊1中"單元1:數據與信息”教學建議IJ]沖國信息技術教育,2019(Z4)：44. 回何帥.中小學人工智能課程一體化創新架構的研究[D].北京:中央民族大學,2020.

131肖睿，肖海明,尚俊杰.人工智能與教育變革:前景、困難和策略[J].中國電化教育,2020(04):75-86.

141王本陸汗京龍盧億雷，張春莉.簡論中小學人工智能課程的建構[J].教育研究與驗,2018(04):37-43.

㈤楊文華.小學人工智能課程開發研究[D].長沙:湖南師范大學,2018.

冋謝忠新，曹楊璐,李盈.中小學人工智能課程內容設計探%[J].中國電化教育,2019, (4): 17-22.

>7>潘金晶.基于設計思維的小學生人工智能課程設計與實施研究【D].杭州:浙江大學,2020.

m 人工智能原理與技術 3.激發人工智能技術的實踐創新思維

4.樹立適應智能社會發展的責任意識

通過對上述國內外人工智能課程梳理,我們可以總結現行的中小學人工智能課程內容主要涉及人工智能科普模塊、編程模塊、機器人模塊、語音識別與交互模塊、人機博弈和倫理模塊、圖像的處理和識別模塊以及開源硬件模塊知識。多數學者的文章和教材內容都暗示小學階段人工智能課程的重點在于感知人工智能，但是在小學感知人工智能的內容要如何設計, 教學如何設計都是我們要密切關注的。

1.3.3中小學AI教育教學現狀

國外方面：國外研究側重于科學技術課程的研究，AI是當前信息技術領域的熱點之一。一些發達國家將AI課程以各種形式靈活地加入原有的課程體系。美國的AI教育是從面向中小學生的基礎編程教育開始的，1977年，學者Kahn提出將AI編程納入適齡兒童的教育內容中⑷。同樣，在上世紀80年代，在中小學信息技術課程中納入了多樣的AI教育，如英國的ICT課程中就加入了以講解AI的基礎知識、應用知識為主的AI教育后來Irene Lee 等學者實施了一系列人工智能在線課程，并通過設計人工智能概念量表(包含人工智能一般概念、邏輯系統和機器學習三個子量表)和AI職業的態度調査來評估學生的人工智能素養變化叭

國內方面：2003年張劍平教授認為開設人工智能課程有助于學生多種思維方式的培養，但是AI課程中知識面和深度如何控制是值得思考的問題2018年，科大訊飛公司的學者趙飛龍深入一線人工智能教學實踐中，以語音識別模塊為例搭建了中小學人工智能科普教育體系叫2021年，李天語利用騰訊AI開放平臺進行小學生人工智能模塊教學設計與實施，并驗證超七成的學生對本案例的教學的培養結果持肯定和積極態度此外，學者楊春梅、楊鴻武通過自編問卷在西北地區的中學進行人工智能開展現狀調査后發現:西北地區開設人工智能相關課程的中學較少，學校AI優質資源與教材配套情況較差；通過問卷分析，學生們比較愿意學習的人工智能內容包括智能機器人、人臉識別、智能語音、情緒識別等“I

通過比較國內外人工智能教學的現狀，國外的人工智能的研究較早，因此在學校開設的人工智能課程體系也比較成熟，甚至還出現專門針對人工智能的概念量表研究。國內近年來涌現較多學者開始研究人工智能在教學中的實施，但是通過文獻梳理可知，國外大多是將編 [111中國教育學會發布《中小學人工智能課程開發標準(試行)》_全國團體標準信息平臺.【EB/OL].http://www.ttbz.org.cn/StandardManage/Detail/51978/

國 Kahn^K.Three Interactions between Al and Education[J]Machine Intelligence, 1977, (8): 422-429.

⑶張劍平，張家華.中英兩國高中人工智能課程標準之比較卩).中小學電2005, (9):80-83.

141 Irene Lee, Safinah Ali, Helen Zhang, Daniella DiPaola, and Cynthia Breazeal. 2021. Developing Middle School Students' AI Literacy. Proceedings of the 52nd ACM Technical Symposium on Computer Science E ducation. Association for Computing Machinery, New York, N¥, USA, 191 - 197.

[5J張劍平.關于人工智能教育的思考[J].電化教育研^2003,(1):24-28.

161趙飛龍，鐘銀，劉敏.人工智能科普教育探究——以初中“語音合成”課為例[J].現代教育技術,201&] [李天語.基于AI開放平臺的小學生人工智能模塊教學設計與實施[D].天津:天津師范大學,2021.

>8>楊春梅，楊鴻武.西北地區中學人工智能與編程教育：開展現狀、問題及對策一以某省某市部分中學為例【J].數字教育,2021, 7(6): 77-84.] 程教育定為人工智能的啟蒙，而國內的學者們主要是通過某些平臺如科大訊飛、騰訊AI平臺來體驗人工智能技術，因此本研究嘗試以圖形化編程與人工智能技術融合的形式來推動人工智能教育的普及推廣。

1.3.4 AI編程教育中的計算思維培養

國外方面：2016年美國發布＜ Preparing for the future of AO報告，其中指出中小學的美國學生都有權力學習人工智能相關知識并具備在技術驅動的世界中所需的計算思維技能因此，多數學者早前會通過人工智能相關知識來培養計算思維，并以計算思維的評估結果來評價人工智能教育。如SzeYeeLye等人提出了通過編程實現計算思維發展，K-12的學生被要求使用圖形化編程語言來創建數字故事和游戲，通過創作來表達他們的思維過程，并評價學生作品來判斷課程的實施效果⑷。Tommaso等人在研究中，引入了一個基于游戲的系統一 TAPASPlay,并專注于利用游戲與協作的策略來培養提升計算思維的技能兇。而聯合國發布的《全球中小學人工智能課程》調研報告中訪談的西班牙學者Juan David等人利用scratch 軟件搭建積木腳本，創造具備機器學習能力的程序，從而學習人工智能技術知識，并借此培養學生的計算思維發展學者Wen-Chung Shih在研究中將計算思維融入人工智能的學習過程，并開發了一款APP, APP包含人工智能應用體驗、基于計算思維解釋AI原理、例子引導下的人工智能實施教學⑹。Relkin等人強調通過編程培養學生自我表達和創造力的教學方法，可以更好地促進幼兒的計算思維技能，同樣可能有利于教師的專業發展冏

國內方面：馬玉慧等學者認為中小學要加強STEM課程、計算機、AI課程、機器學習等課程的內容設置，倡導各年級的教學都要將編程學習作為核心，培養學生的計算思維能力⑺。陳凱泉等學者認為基礎教育階段AI教育強調人工智能技術的應用，并且目的是培養學生的編程能力與計算思維如。肖海明等學者利用AlSpark人工智能編程實驗平臺在北京細辛小學進行實踐，并發現基于計算思維為核心的AI編程課程實施對于整體提升實驗學校學生的計算思維具有顯著的積極作用冋。朱文艷在對人工智能課程計算思維五要素的培養過程進行分析后，進行了對比教學實驗，并證明實驗班的高中生在問題解決、算法思維、創造能力、批

⑴ Executive Office of the President.Preparing for the Future of Artificial lntelligence[EB/OL]https://files.eri c.ed.gov/fulltext/ED587229.pdf.2016

[2] Sze Yee Lye , Joyce Hwee Ling Koh.Review on teaching and learning of computational thinking throug h programming: What is next for K-12?.Computers in Human Behavior 41 (2014) 51 ~ 61

⑶ Tommaso Turchi;Daniela Fogli,Alessio Malizia.Fostering computational thinking through collaborative ga me-based learning.Multimedia Tools and Applications (2019) 78:13649 - 13673

⑷ J. D. R. Garcia, J. M. Leon, M. R. Gonzalez and G. Robles, Developing Computational Thin king at School with Machine Learning: An exploration卩]lnternational Symposium on Computers in Education (SIIE), 2019, pp. 1-6. ⑸ WervChung Shih. 2019. Integrati ng Computati on al Thi nking into the Process of Lear ning Artificial In tellige nee,. Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 364 - 368.

同 Relkin,RuitecBers.Learning to code and the acquisition of computational thinking by young children.Co mputers & Education 169 (2021) 104222

⑺馬玉慧，柏茂林,周政.智慧教育時代我國人工智能教育應用的發展路徑探究——美國《規劃未來,迎接人工智能時代》報告解讀及啟示卩).電化教育研%, 2017, 38⑶

⑻陳凱泉，何瑤，仲國強.人工智能視域下的信息素養內涵轉型及AI教育目標定位一兼論基礎教育階段AI課程與教學實施路徑卩].遠程教育雜志,2018, 36(1): 61-71.

⑼肖海明，朱秋庭，王占秋.以計算思維培養為核心的人工智能課程設計與實踐[幾中小學信息技術教育， 2020, (9): 59-62.

判能力、協同能力這五個計算思維的維度上均有顯著提升王琳將機械臂編程知識設計成學習活動培養高中生的編程技能和計算思維121 o2021年，張舒雨依托Machine learning for kids 平臺設計了人工智能項目式活動，并利用圖形化編程APP Inventer實施教學，驗證項目式教學模式能提高小學生對人工智能學習的滿意度、計算思維態度

綜上所述，多數專家學者認為在中小學開展人工智能教育的核心內容就是編程教育，越來越多的專家學者通過實踐證明在中小學階段可以將計算思維的培養融入到人工智能教育中，并且認為計算思維的測量結果可以反饋人工智能教學的情況。但是已有研究中，小學感知人工智能技術的教學研究相對還是較少，本研究借助圖形化編程工具來幫助小學生感知人工智能技術，并通過計算思維問卷、人工智能知識普及問卷等方式來評價教學的實施效果。

1.3.5 AI學習工具與環境

國外方面：聯合國教科文就《全球中小學人工智能課程調查》報告中指出：在K12階段開展的人工智能學習工具基本都包含廣泛的人工智能技術，如Alexa、GAN圖像生成器、谷歌助手、PixPix、PoseNet、機器人工具包和模擬軟件包，允許學生在不同學科領域用各種方式探索人工智能，還有當需要學習機器人時，課程需要利用工具包，如樂高、頭腦風暴EV3 等。奧地利和阿聯酋的代表提到他們在中小學進行人工智能教育時會使用Jupyter Notebook/Lab、 Python、 PyCharm > 或者 Python libraries for AI (Scikit-leam, Keras, Tensorflow).在教學中他們專注于自然語言處理、圖像分析和大數據分析，并且會根據學生的年級水平來使用不同的資源和平臺，如在線工具，如Code.org、Microsoft and AI, Machine Learning fbr Kids、IBM and AI；同樣不同的人工智能項目學習也會結合硬件，如Magkinder Labeeb、Maker和我們熟知的樹莓派。更高年級的學生將會引入Python,并通過這種語言來實現不同的機器學習算法。人工智能課程并不都涉及編碼或編程，但許多課程都包含了這些元素，并且在中小學基礎教育中通常使用介紹性的編程語言和工具，如Picto Blocks或者 Scratch o

國內方面：學者趙蘇亞在研究中利用Raspberry Pi與樹莓派硬件、Ardunino板結合在小學開展人工智能教育機器人教學，讓小學生在硬件與編程中結合阿里云平臺的語音技術等功能來感知人工智能技術皿。學者潘金晶使用儀酷智塊圖形化編程平臺與樹莓派硬件結合開展小學人工智能教學。肖海明等學者利用AlSpark人工智能編程實驗平臺中的人工智能功能模塊對小學進行人工智能啟蒙教育，帶來學生感知、體驗人工智能技術。學者李天語利用騰訊 AI開放平臺來讓小學生體驗人工智能知識⑸。學者張舒雨將人工智能學習平臺Machine lea ming for kids與圖形化編程APP Inventer相結合實施人工智能教學。學者韓思瑤則利用C1 ass dojo平臺作為課堂項目平臺、Teachable Machine和百度Easy DL定制化訓練工具在

m朱文艷.面向計算思維培養的高中人工智能課程學習活動設計【D].長春:東北師范大學,2020.

a王琳.面向計算思維培養的高中人工智能教育學習活動的設計研究【D].濟南:山東師范大學,2020.

[3>張舒雨.基于Machine learning for kids平臺的小學生人工智能項目式教學模式設計與實踐[D].天津:天津師范大學,2021.

⑷趙蘇亞.小學人工智能教育機器人的設計與應用研究【D].武漢:華中師范大學,2019.

⑸李天語.基于AI開放平臺的小學生人工智能模塊教學設計與實施[D].天津:天津師范大學,2021.

中學開展AI助力垃圾分類的項目教學叭

縱觀國內外的機構、企業，可以發現供中小學生學習人工智能的平臺與工具非常多，有將人工智能技術融入硬件傳感器中的，也有將人工智能技術集成到某個公司的網站平臺上的, 還有的是與公司的人工智能平臺系統結合開發的編程工具等。市面上有多種工具平臺可供教學使用，本研究是為了普及人工智能知識與提升學生計算思維而設計教學，因此考慮到能有效實現研究目的，在進行教學設計時需要將人工智能技術實現的過程可視化，并提供機會讓學生自主感知創造，筆者選擇圖形化編程軟件Mind+來實施教學。

1.4研究內容及方法

1.4.1研究內容

1.基于Mind+平臺的小學AI編程教學目標設計

通過査閱文獻，梳理2021年后公布的多項文件如《中小學人工智能課程開發標準（試行）》、《中小學人工智能技術與素養框架》、《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，這些文件都指出在中小學階段實施人工智能教育的必要性與可行性，并依此界定每個年齡段學生應該掌握的人工智能教育的多項素養目標。本研究以文件要求的素養目標為指導，結合圖形化編程的教育目標共同設計出AI編程教學目標。

2.構建基于Mind+平臺的小學AI編程教學內容設計

首先通過走訪調查，了解AI編程的教學現狀、存在的問題、學生對AI的了解和看法。其次參考人工智能課程研究，思考以促進學生人工智能知識掌握和計算思維發展為最終目的的AI編程教育所應該包含的教學要素，并將計算思維過程培養的五大要素融入活動環節中，從而構建基于Mind+平臺的AI編程教學內容。

3.基于Mind+平臺的小學AI編程教學實踐設計

通過文獻的梳理，確定評價教學的方式，并設計AI普及問卷、計算思維試題問卷，問卷的數據將在一定程度上反應融合AI知識的編程教育實施效果，其次根據前期走訪調查的學校微機室的條件以及報名參加社團學生的特點，挑選學生易于掌握且交互性強的AI技術，設計合適的教學主題，最終完成教學設計。

4.基于Mind+平臺的小學AI編程應用效果分析

在每次教學完成后，不僅需要對教學中存在的問題進行反思，而且還要對學生人工智能知識普及、計算思維能力前后測數據進行分析，通過數據變化的結果反應該AI編程教學是否既能促進學生人工智能知識的掌握，又能提高學生的計算思維水平。

1.4.2研究方法

本研究運用了文獻研究法、調查研究法和個案研究法對小學AI編程教學進行了深入探

m韓思瑤.《人工智能初步》模塊的項目式教學實踐一以“ai助力垃圾分類”單元為例【J].中小學信息技術教育,2021, （1）: 62-65.

究分析。

1•文獻研究法

在本研究的前期階段，筆者通過對政策文件、文獻的閱讀梳理，最終確定小學實施人工智能教育的課程目標，并根據國內外學者的實踐經驗，論證利用圖形化編程感知人工智能技術的可行性，參考國內外專家學者開設的人工智能課程內容，為后續的教學內容設計奠定基礎。

2.調査研究法

社會科學大辭典中對調查研究法的解釋是指通過直接或間接的接觸，系統地搜集資料，為所要探究的問題提供各種基本素材來研究社會現象的方法。本研究中的調査方法主要包括問卷法與訪談法，將量化的數據與定性研究結合。首先在前期準備階段，通過走訪調查與 AI普及問卷，了解實驗學校的教學實施環境、學生對課程的期待以及學生的AI知識程度，為后續教學平臺的選擇以及教學內容設計的難易程度提供依據；其次在研究過程階段，分為教學實施前與教學實施后兩個環節，在兩個環節中采用問卷的形式了解學生計算思維的變化, 并在第二個環節中增加AI普及問卷，通過對兩個問卷的前后測數據進行分析可驗證研究目的的達成與否。

3.個案研究法

陳向明教授指出個案研究是通過對某一特定個體、單位、現象或主題的研究。在本研究中，筆者選取了銀川市某小學高年級編程社團學生作為個案研究團體，實驗教學持續一學期，每周3課時。研究期間對個案材料進行收集、記錄，分析并撰寫論文，通過實驗前后測的數據、作品等來分析教學的有效性。

1.5研究思路

首先，本研究以人工智能教育為關鍵詞，檢索相關政策文件以及文獻資料，通過閱讀與梳理，明確本研究實施的時代背景，明晰一線中小學中開展的人工智能教育形式，并通過前期走訪調査了解實驗校的教學環境，提出選題的研究目的等內容；其次，闡述小學AI課程內容和相關概念；然后，對實踐學校的需求和指導文件中人工智能課程目標進行分析，確定人工智能課程的設計目標；接著，進行基于Mind+平臺的AI編程教學內容編寫，利用圖形化編程的環境實施人工智能不同案例教學，在研究的不同環節采用多種問卷收集數據，在實踐結束后對數據等資料進行分析，得出圖形化編程和人工智能技術相結合的人工智能課程的有效性分析。研究的基本思路如圖1-2所示。

圖1-2研究思路圖

1 • 6核心概念及理論基礎

1.6.1核心概念

（1） AI教育

目前AI是一個熱點話題，同樣也因為其技術的便利性，AI的應用范圍比較廣，在談及 AI教育時，有的人可能會想到人工智能教育與教育人工智能。前者強調的是一種AI的普及教育，可以以多種方式靈活地納入學校的課程中，這種教育是為促進學生智能素養發展。后者則是指利用人工智能技術來助推教師的教育教學環節，便利教師的教、學生的學，教育人工智能的目的是更深入的觀察分析學習過程，改善教師教學方法。因此，本研究所探討的 AI編程教學屬于人工智能教育的范疇，主要是為培養適應智能時代發展的人才而開設的課程。

謝忠新等學者指出中小學人工智能課程建議分為認知、理解、應用、實踐、創新五步走，基于小學生的年齡特征，人工智能課程在小學實施應該注重讓學生思考人工智能帶來的變化, 直觀體驗人工智能的應用；學者楊洋設計的人工智能課程內容包含scratch編程、人工智能科普類、機器人類、語音識別與交互類、人機博弈和倫理類、圖像的處理和識別類知識。學 12

者楊文華以廣西某小學為例設計了一套五年級人工智能校本課程，課程內容主要包含scratch 和python的相關知識。

參考以上的研究，本研究中的人工智能教育教學內容包含AI科普模塊、AI編程基礎模塊、AI技術應用模塊(如語音技術、人臉識別技術、手勢識別技術等)。AI編程教學通過讓學生拖拽圖形化編程完成作品制作，引導學生思考，普及人工智能技術相關知識，調動學生的學習積極性，培養學生學習新知識的興趣。

2.計算思維

計算思維正式系統的提出后，就掀起了學術界對思維討論的熱潮，隨后許多學者加入了研究計算思維的隊伍中，并從理論到實踐的不同角度中對計算思維進行擴展和補充說明。對計算思維觀點進行梳理后，主流觀點如下表所示。

表「2計算思維觀點梳理

研究者觀點

周以真m

(2011)

ISTE&CSTA121 計算思維是一個形成問題和制定問題解決方案的思考過程.這解決方案以一種可以由信息加工代理(機器或人)所能有效執行的形式表述出來.

計算思維是包含六大要素的問題解決過程：提出可解決的問題、邏輯組織和分析問題、通

(2011)

Brennan 等間

(2012)

ISTE[⑴Computational thinking:What and Why?[DB/OL].https://wwwcscmuedu/-Comp-Think/reso urces/TheLinkWingpdf.

t21ISTE&CSTA(2011).Computational thinking teacher re-sources [EB/OL].http://iste.org/computational-thinking. 國 Brennan K,Resnick M.New Frameworks for Studying and Assessing the Development of Computational Thinking [EB/OL].http://webmediamitedu/%7Ekbrennan/files/Brennan Resnick AERA2012CTpdf.

⑷ ISTE(2015).Computational Thinking in K-12 Education leadership toolkit [EB/OL].https://cdn.iste.org/www ? root/2020-10/ISTE_CT_Leadership_Toolkit_booklet.pdf

⑸中華人民共和囪教看部•義務教育信息利技課程標準(2022年版)[M].北京:北京師范大學出版社.2022:5.]

(2015)

《義務教育信息科技課程標準》151 過抽象的方式表征數據、實施并優化最有效的解決方案、概括問題解決的過程并遷移應用. 計算思維應包含的要素：計算概念、計算實踐、計算觀念.

從能力觀的角度出發，計算思維包含創造力、算法思維、批判性思維、問題解決、協作.

計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動.具備計算思維的學生，能對問題進行抽象、分解、建模，并通過設計算法形成解決方案；能嘗試模擬、仿真、驗證解決問題的過程，反思、優化解決問題的方案，并將其遷移運用于解決其他問題.

綜上所述，從不同角度看計算思維都有其獨特的內涵，但總的來看，很多學者在描述計算思維的特征要素中還是存在共同之處，本研究的測量工具是使用Bebras國際計算思維挑戰賽的測試題，測試題涵蓋的能力維度主要包括分解、抽象、算法、評估和概括，這些維度和義務教育信息科技課程標準中對計算思維內涵的界定完全重合。因此，本研究主要以《義務教育信息科技課程標準》中計算思維的界定為指導目標，在教學過程中從問題分解、抽象建模、設計算法、評估優化、概括遷移這五個要素中來培養學生的計算思維，同樣從學生能力觀來看，還會通過合適的教學策略來培養學生的創造力、算法思維、批判性思維、問題解決、協作這五種計算思維能力。

3.圖形化編程

圖形化編程是一種專門為兒童設計的編程語言，這種編程語言較通俗，降低了學生學習門檻，學生只需要拖拽積木即可完成程序的編寫，且能立馬檢測程序運行情況。當前在小學課堂中應用較多的圖形化編程有以下幾種：

Scratch是最早的可拖拽的圖形化編程軟件，同樣也是應用范圍最大的圖形化編程； Mind+是一款基于Scratch3.0開發的，支持人工智能應用、各種開源硬件的青少年編程軟件，支持三種系統版本的PC端下載使用；Kittenblock是一款基于MIT Scratch3.0的圖形化編程軟件，其支持在線、離線等多種模式，融合了 IoT和AI技術，支持PC端下載使用；慧編程是童心制物自主研發的一款圖形化編程軟件，同時融合了 AI （人工智能）和IoT （物聯網）等前沿技術。支持PC端和移動端下載；編程貓（codemao.cn）是一款由中國創業團隊自主研發的圖形化編程工具平臺，配合人工智能與AI相結合的貓老祖助教系統，手機端有AR游戲獎勵機制，該平臺支持PC端和移動端下載。

在本研究中，人工智能課程是一種大班教學，且課程內容涉及人工智能技術。通過對多種圖形化編程軟件的體驗以及寧夏回族自治區教育廳編制的《人工智能與未來》教材的參考，考慮到編程平臺的界面友好性與功能的免費性，最終選定的編程環境是Mind+o

1.6.2理論基礎

1.6.2.1建構主義學習理論

建構主義起源于皮亞杰的認知發展學說，后經杜威等學者發展補充，逐步演變為一個成熟的學習理論。建構主義認為學習者是基于自己的真實經歷而構建自我的知識體系，學習者構建知識的過程就是學習過程，這種學習是學習者在真實情境中運用自己已有的經驗解決問題的過程，因此這種學習也被稱作有意義的學習切。建構主義的基本觀點包含知識觀、學生觀、學習觀和教學觀。從知識觀上看，建構主義認為知識是相對不確定性的，并且知識擁有應用情景性，即面臨現實問題時針對具體情景具體問題對學習者己有知識進行改造、重組甚至創造，才能解決好實際問題。并且每個個體都以自己己有的經驗為基礎建構知識，所以個體的知識體系具有一定的差異性；從學生觀上來看，學生在日常生活中、以往學習中已經形成的豐富經驗，根據這些經驗學生往往會形成對問題的某種解釋；因此教師要把學生的已有經驗作為教學設計的依據，將新知識與學生已有的舊知識建立起聯系何。

在AI編程教學中，小學階段的學生需要了解人工智能是什么，以及其對生活的影響；教師在設計教學時，必須要創建一個真實的教學情境，利用生活中常見的人工智能技術案例打開學生的思路，讓學生對人工智能有一個初步了解后，促進學生動手操作環節中自主探究能力與計算思維能力的提升。人工智能是屬于新興的復雜類的教育知識，單純依靠傳統的教學方式講解，違背了學習者的認知發展規律，學習者也會因深奧、枯燥的知識講解，失去了入工智能學習的主動性，在本研究中的人工智能的知識主要包含語音合成、語音識別、人臉

111閆寒冰.信息化教學的助學事件研究【D].上海:華東師范大學,2003.

121陳琦、劉儒德.當代教育心理學[M].北京:北京師范大學岀版社,2009:187-197. 識別、手勢識別的初步了解與體驗，學習者在生活中或許曾經體驗過這些人工智能技術，因此，這些知識的講解，必須要在建構主義的指導下進行，首先，教師可以從學習者的真實生活經歷入手，輔以視頻、圖片等形式，幫助學習者建構人工智能的知識體系，讓學習者在具體的生活場景中能分辨出運用的人工智能技術，其次，學習者在初步感知人工智能技術后，體驗添加了人工智能技術的程序效果，體驗過后再進行編程知識的學習，在搭建操作環節，學習者利用自己先前構建的編程知識與人工智能技術知識體系解決任務完成過程中的問題，從而實現了人工智能知識的有意義學習，促進學生動手操作環節中，自主探究能力與計算思維能力的發展。

1.6.2. 2合作學習理論

合作學習自美國興起后，發展迅速，已成為當代教學改革最為成功的典范之一我國學者王坦認為合作學習的核心是讓學生通過共同的學習目標而工作，在合作學習的過程中學生會更愿意去形成問題解決的方案，并且為促進團體的成功，學生會更樂于嘗試。合作學習認為教學是一種人際交往間的信息互動。

在本研究中，學習活動的設計主要依靠合作學習理論的指導，因此在學習活動的設計中，既要融入計算思維培養的五個維度，又要體現合作學習的理念，人工智能教育教學包含任務發布、分析項目、實踐創作、迭代調試、作品展示、交流評價這六個學習活動環節，每一個環節都涵蓋教師與學生的具體活動，在教學中，教師通過游戲將學生分成六個大組，大組中兩個人組成學習共同體，從學習活動的每個環節中，學生可以選擇不同的組別（大組或學習共同體中）進行交流學習，盡可能增加學生在課堂中的學習選擇與嘗試，組內明確任務分工，協調成員工作，組內成員對各自的作品進行互評以及最佳作品的挑選，同樣其他組會對每一組的最佳作品進行點評，利用作品評價的方式將交流延伸到整個班級之間。

1.6.2.3 "做中學”理論

做中學理論源自于杜威的教育研究。杜威在論教育的本質中闡述了 “教育即經驗”，其認為教育就是經驗的不斷改組與改造,教育的過程就是學生直接經驗的增長過程。杜威強調，

“做中學理論”就是要重視教育過程中學習者的主動性、學習者的需要與興趣。“做中學理論”強調在行動中解決教育問題，知與行相互統一，知識是行動的向導。行動是知識產生的源泉叫

顧名思義，做中學理論就是強調學習者動手操作，在本研究中，人工智能的知識，只有通過學習者動手操作才能將知識內化。從教學內容上看，人工智能教育主要依托圖形化編程工具，使學習者感知人工智能，因此每一個編程任務都需要學習者自主拖拽、搭建積木才能完成程序腳本的編寫；從活動環節上看，每一次的學習過程中，學習者都會有程序編寫、修改迭代的環節，同樣，這兩個環節在學習過程中所用時間占比較大，這也是為了盡量提供學生自主探索交流的機會，讓學生在動手操作的環節中，有充足時間發現自己的問題，并尋求周圍一切可利用的資源幫助自己解決問題。在操作中，學習者可以更為清晰直觀地發現自己的腳本問題，因此，學習者能更迅速地找到解決辦法。“做中學”理論也能在一定程度上促進學習者批判思維，創造力等維度的計算思維發展。

第二章小學AI教育教學現狀調查分析

2.1小學AI教材分析

2.1.1小學學校教材分析

AI被稱為是第四次工業革命的重要驅動力量，近幾年科技的快速發展，AI已經滲透進各行各業中，這種滲透正在深刻改變人們的生活、工作和教育學習方式，因此學校教育應該縮小與社會教育之間的鴻溝。我國在2003年就提出要在基礎教育階段開設人工智能課程，并在12年開始以文件的形式明確規定在義務教育階段增設編程與機器人課程，隨著研究的深入、國家加大對教育的投資，在政策文件中體現出來的AI教育相關的內容設置也在不斷變化，詳細請見下表。

表2-1中小學信息技術課程中人工智能相關內容設置

來源模塊名稱教學目標

《中小學人工智能課程組織游戲化實踐活動，利用開放AI

開發標準（試行）》111 課程內容人工智能原理與技術智能識別工具了解機器智能所展現的外在屬性及能力.

能列舉生活中常見的人工智能產品

《中小學人工智能技術 "素養框架” 人工智能與社會并分析其模擬的哪些人類能力；編

與素養框架》121 主要內容人工智能技術程實現機器的某種感知和識別能力.

通過生活中的在線經濟、新興媒體、

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》模塊三在線學習與生活人工智能等實例，感受在線社會對學習與生活的影響.

了解人工智能的基本概念和術語，理解人工智能的特點、優勢和能力

模塊九人工智能與智慧社會邊界，知道人工智能與社會的關系，以及發展人工智能所遵循的倫理規范。

對現存的中小學信息技術課程中AI內容的梳理，可以得知小學階段的人工智能相關知識多是以人工智能科普類、編程類、機器人類、硬件類為主。科普類、編程類知識大多是出現在必修信息技術教材中，其他相關知識則大多以選修的形式出現。下面以寧夏回族自治區教育廳編制的《人工智能與未來》教材為例，探討寧夏回族自治區小學選修課中的人工智能教育內容。

《人工智能與未來》（實驗版）分為小學上下兩冊，幾乎銀川市所有小學都會配備至少一本。在小學上冊中，此教材共分為四個單元:生活中的人工智能、人工智能從哪里來？（上）、

E中國教育學會發布《中小學人工智能課程開發標準（試行）》_全國團體標準信息平臺.【EB/OL].http://www.ttbz.org.cn/StandardManage/Detail/51978/

【2]《中小學人工智能技術與工程素養框架》_中央電化教育tg,[EB/OL].https://www.ncet.edu.cn/zhuzhan/tztg aol/20211130/5505.html 我的第一個程序、學會使用變量。第一單元主要講解生活中的人工智能案例，如人工智能播音主持人、人工智能交警，通過生活案例的介紹帶讓學生對人工智能有一個初步了解；其后第二單元通過模仿大腦的工作原理、模仿人適應環境的身體反應兩小節讓小學生初步感受到人工智能的原理；在前面兩個單元的鋪墊后，學生基本對人工智能的知識會有一定的認識，后兩個單元主要是動手操作的內容，如利用圖形化編程編寫程序，將電腦與硬件相結合讓 LED燈亮起來等內容。

圖2-1寧夏回族自治區小學人工智能教材

下冊中的內容同樣包含四個單元：人工智能從哪里來？（下）、人工智能美化生活、項目式編程活動、我們是未來創造者。本冊內容同樣分為生活案例介紹與動手編程兩部分，在下冊中，生活案例的講解不僅包含人工智能的來源，而且還介紹人工智能將給未來帶來什么樣的影響，而動手編程部分包含制作流水彩燈、設計翻譯機、設計猜數字游戲等活動。

本套寧夏回族自治區版《人工智能與未來》教材先從生活案例入手，引導學生從自身的經歷去了解人工智能的應用場景，之后再介紹人工智能的原理，將此原理類比到人類大腦和身體反應過程，讓學生初步了解人工智能，最后通過動手操作的兩個單元，既鞏固了學生在圖形化編程學習中變量這個難點知識，又讓學生接觸到編程控制硬件的現實交互知識，教材的知識結構從易到難，邏輯較清晰。不僅注重人工智能案例的引導，還培養了學生的動手操作能力，但從另一方面看，本套教材中生活案例的人工智能強調的是模擬和延伸人類智能的一種技術，生活中應用的這些機器或程序能夠做到像人一樣會聽、會看、會說、會思考、會學習、會行動。但動手操作的內容更多注重的是編程與簡單硬件的學習，屬于創客知識，此部分的知識與案例中應用的人工智能技術部分銜接不夠緊密，容易給學生形成人工智能知識間的誤解，因此在設計教學內容時，需要明確人工智能的定義，該定義是支撐其他內容的主干，現在市面上大部分的圖形化編程工具都添加了人工智能，百度AI等擴展模塊，人工智能在生活中的應用大多圍繞語音識別語音合成人臉識別手勢識別等技術開展，因此，針對寧夏回族自治區版人工智能與未來教材中結合硬件的單元，可替換成僅用編程工具展開人工智能技術感知的內容，這樣既便于教師上課，又能減少學校硬件的器材消耗。

2.1.2小學企業教材分析

校內的人工智能教育內容設置不夠靈活，教材更新的速度比不上技術的革新，因此一些

校企合作編寫的人工智能教材在人們的視野中如雨后春筍般冒了岀來，如早期華東師范大學編寫而成《人工智能基礎》（高中版），其中的教育內容包括圖像識別、聲音識別和視頻識別等。后期，越來越多的企業開發出適合小學教育的人工智能課程內容，具體內容見下表2-2 所示。

表2-2校企合作的小學人工智能相關內容設置

來源名稱內容

第一單元初識人工智能

第二單元自動駕駛

尚俊杰《走進人工智能》第三單元人臉識別

第四單元圖像識別

第五單元人機對話

第一單元科學背后的奧秘

博雅瑞特（北京）文化

第二單兀智能語音的時代

科技有限公司 AI積木編程智能工具課程

第二單兀圖像識別的應用

-AI Spark 平臺

第四單元人臉識別識人臉

第1章初識Mind+_AI編程百寶箱

第2章 Mind+初體驗_掃清迷霧

第3章文字翻譯—環游世界小助手

第4章人臉識別_小麥教我"川劇變臉”

王春秋《人工智能編程趣味啟蒙一第5章姿態追蹤_超方便的AI試衣鏡

楊少東 Mind+圖形化編程玩轉AI》第6章語音識別_智能新家大改造

第7章手勢識別—春節"云拜年”

第8章 KNN分類_五禽戲

第9章物體識別—垃圾分類我能行

第10章人臉對比_更像爸還是更像媽

先導課：身邊的人工智能

第1課：初識人工智能

卓世未來（北京）科技

第2課：練就火眼金睛

有限公司 ITEC小學人工智能公益課

第3課： AI世界覓知音

一愛熊智學空間平臺

第4課：機器學習

第5課： AI未來說

多數企業與高校合作編寫教材與課程，并開發相應的教學網站，以此來促使學生初步接觸人工智能常識并擴寬學生的視野，通過梳理市面上企業己成規模的中小學人工智能課程，可以發現，多數公司的人工智能課程主要分為三種：人工智能知識點普及類、圖形化編程與人工智能結合創作類以及硬件結合類，且多數公司的課程收費比較昂貴，學校資金支持也不夠。

在本研究中，筆者參考寧夏回族自治區本地的《人工智能與未來》教材中的內容、愛熊智學空間中的小學人工智能公益課以及《人工智能編程趣味啟蒙一Mind+圖形化編程玩轉AD 中的內容，借鑒愛熊空間中人工智能理論講解的內容與《人工智能編程趣味啟蒙》一書中的純操作形式結合，構建出本研究中基于Mind+平臺的所有人工智能教學。

2. 2學習者特點分析

本研究主要是以Y小學高年級（5~6年級）的學生為研究對象，年齡處于10~12歲之間的52名學生。這個時期的學生大多處于具體運算階段，根據皮亞杰的認知發展理論，可以知道該年齡段的學生正處在思維具體到抽象的過渡階段，這個年齡段的學生己經習慣于依賴具體事物進行邏輯判斷，若是教師提供更多的思維訓練，可以幫助該階段的學生初步形成抽象邏輯思維。

通過基本情況問卷調查后的數據統計后得知，該興趣班60%的學生都不太了解人工智能是什么，僅2. 22%的學生認為自己非常了解人工智能；有超過90%的學生對人工智能課程比較感興趣，認為自己會積極參與課堂活動；有超過半數的學生認為自己了解人工智能是通過電視、網絡或朋友告知等途徑；同樣在該興趣班中沒有一個人曾經參與過專門正規的人工智能相關的比賽\科普活動；有大約10名的學生是在課外機構學習的圖形化編程語言，但是學習時間都不長，都在6個月以內；在對學生的人工智能應用體驗進行多選項調查后發現，幾乎超過90%的學生體驗過語音識別技術，88. 89%的學生體驗過圖像識別技術，具體數據如圖

2-2所示。

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圖2-2學生人工智能技術體驗統計圖

通過基本信息問卷調查與訪談可以發現，該校學生有關人工智能的體驗基本是在社會生活中得到的，與學生交談中可以了解，雖然部分學生表示自己在培訓機構學過編程，但是僅僅了解一些編程基礎，自己也沒有獨立創作過復雜的編程作品。學生反映Y小學有人工智能教材，但是在此之前沒有開設過人工智能相關的課程，筆者走訪后發現該校引進的人工智能教材是寧夏回族自治區教育廳編制的，且此套書共有兩冊（小學上下冊），該校鋪設了上冊。

在高度的信息化時代，這些小學生都生活在一個智能社會中，因此他們對人工智能技術的了解是不自覺會受到社會影響的。張舒雨認為當代小學生在信息處理上有獨特表現，比如對網絡信息和技術工具非常熟悉，會用智能手機玩游戲，在網絡上查詢資料等。因此，在智能化時代，這些小學生一出生就被稱作“數字原住民”，社會對他們的數字素養和信息素養的要求也隨之變化，這些學生可能不再滿足于只學習信息技術教材中文字處理工具、PPT演示文稿等技能型操作，因此多數學生對于編程、人工智能技術的學習抱有較高的熱情。

2. 3編程環境分析

Mind+是一款基于Scratch3. 0開發的國產的青少年編程軟件，其不僅支持Arduino^ micro:bit、掌控板等多種開源硬件，而且還提供物聯網、人工智能技術。Mind+有三種編程模式：“實時模式”類似原生版本的Scratch,用于互動編程；''上傳模式”類似ArduBlock, 給開源硬件編寫固件；Python模式則可以直接手動編寫Python語言，并且該模式還支持使用圖形化積木編程時自動轉化為Python代碼，學習者在學習代碼時對照學習較輕松，便于學習者學習使用。

在實踐中，學生們將學習使用Mind+基礎積木塊功能與擴展模塊創造自己的動畫、游戲等作品，Mind+軟件界面較友好，界面的默認角色是一個機器人，學生對于該形象喜愛度較高，所以該編程平臺較容易吸引學生的注意力。打開軟件界面后，可以看到界面分成多個區域，分別是菜單區、積木區、腳本區、舞臺區、角色區、舞臺背景區，如圖2-3所示。

圖2-3 Mind+畀面

左側積木區呈現了九種基礎類型的積木模塊。使用者可以從左側的基礎積木區把需要用到的積木拖動（按住鼠標左鍵）到編程區。每一個積木都有不同的功能，使用者可將不同積木模塊進行拼接和組裝，便可完成程序的編寫。Mind+因為界面簡潔、易操作，趣味性、創造性強，拓展功能強大，滲透計算思維這幾大特點被各類學者作為可視化編程研究的首選叫因此，面對界面友好、各模塊色彩鮮明、分界清晰的Mind+在教學中，也便于教育研究的開展。

Mind+集成了各種AI應用，能滿足老師對于AI人工智能知識學習的各種需求，不管是純軟件應用為主的圖像識別、語音識別、文字處理等功能，還是開源硬件中的語音、圖像等傳感器的控制Mind+都可以輕松實現。Mind+中的網絡服務中的人工智能技術是內嵌了百度 AI開放平臺的功能。如AI圖像識別功能，可以實現文字識別、手寫數字識別、車牌號識別

⑴趙晨希.基于Mind+的小學生計算思維培養的教學設計實踐研究[D].石家莊:河北師范大學,2021.

等文字處理功能；語音相關的積木直接通過網絡實現錄音與識別、文字轉語音，讓機器具備

圖2-4 Mind+中人工智能模塊

Mind+根據百度大腦提供的技術文檔將網絡訪問以積木塊形式呈現，數據直接與百度大腦服務器進行交互，因此可實現非常強大且結果精準的AI功能，對電腦無配置要求。但是教師在教學中需要注意，在Mind+中的人工智能模塊一開始使用時都是默認使用百度AI開放平臺的公用賬戶，如果公用賬戶的人工智能技術體驗免費額度用完，或需要更快的響應速度，則可以使用切換至獨立賬戶功能。該獨立賬戶需要教師提前在百度AI開放平臺中注冊百度賬戶，登錄個人百度賬戶后可以看到百度大腦的所有服務，我們僅使用其中人工智能相關技術，因此教師只需要勾選需要的人工智能技術選項創建，就可以領取免費的人工智能服務，教師將服務器接口的API Key和Secret Key填入Mind+中AI圖像識別模塊中的切換獨立賬戶積木中，就可以獲得更快響應的人工智能服務。教師在課堂中直接將自己領取的賬號與密碼下發給學生即可。

2.4教學環境分析

2.4. 1學校環境分析

實驗學校周邊的教育資源較多，周邊某些高中、初中學校每年會舉辦科技運動節，實驗校可進去參觀體驗。實驗校現有18個教學班，全校有一名信息科技教師，一間微機室，微機室共有60臺臺式電腦，一臺希沃一體機，微機室的電腦未安裝電子教室軟件，因此教師無法控制學生電腦，也無法向學生機進行屏幕廣播、監控、文件分發、屏幕錄制和回放、遠

程控制等操作，平常教師需要利用U盤將資源拷貝到學生端電腦。在對教師機與學生機進行編程環境測試時發現，學校網絡流暢，Mind+中需要網絡訪問的人工智能技術能得到反應，但是學校電腦設備比較老舊，存在卡頓、死機的電腦較多。機房電腦麥克風和揚聲器運行正常，沒有配置攝像頭，因此，在實施人臉識別等教學內容時，筆者可以選擇上傳本地圖片進行人臉識別，但是考慮到讓學生更加生動地認識人臉識別功能，需要自帶12個外接攝像頭上課，每組分配兩個外接攝像頭。

本學期開始，實驗校開始實行“5+2”模式，開設了攝影課、游戲活動課、話劇班、剪紙班、黏土班等課后興趣班，該校的課后興趣班都是由學生自主報名參加。人工智能興趣班是在周一、周三下午開設，每周課時有三小時。雖然學校規模較小，資金有限，師資也有限，但是實驗校十分重視課程改革，積極尋求更多的支持，如與高校合作，引進高校研究生實習，鼓勵并盡量支持實習老師進行教學改革。

2. 4. 2教學實施壞境分析

由于實驗學校機房沒有安裝電子教室軟件，教師內容的講解只能通過希沃白板。考慮到教學對象的年齡特點以及微機室電腦難以管理的問題，筆者在教學中引入希沃公司的班級優化大師平臺，創設小組，建立小組積分PK賽制等教學形式來吸引學生的注意力。下面將對班級優化大師平臺功能進行內容分析。

班級優化大師，是希沃（seewo）專為教師打造的智能班級管理工具，該軟件利用AI 技術分析學生課堂表現，便于家長和教師了解每一位學生的過程性表現。

在班級優化大師中，其次教師建立班級群后，每個學生都有個性化的頭像，且學生分數越高學生頭像越華麗；再者教師可以置頂光榮榜，隨心掌控教學節奏，手機、電腦多端實時發送點評，分數排名即時刷新，更容易激發學生的好勝心，課堂氛圍也會更加活躍；最后，教師可利用平臺的隨機抽人、接龍抽人等小工具活躍課堂，并能一鍵導出班級班表。教師可以自定義評價類型，全方位評價學生的表現情況，多角度評價學生的學習情況，在評價過程中學生的積分會不斷產生變化，如圖2-4所示。

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圖2-4個人與班級評價積分報表

2.5小結

本章主要對指導性政策文件中小學AI教育的內容進行梳理，并參考了多個校企合作搭建的AI教育體系，最終確定了本研究中的教學目標與教學形式；在對教學對象的調查結果進行分析后，筆者根據教學對象的興趣確定了本研究的教學內容、教學環境與教學策略，如教學內容選擇學生更感興趣、也更直觀的語音技術與圖像技術，教學環境則選擇卡通形象是機器人的Mind+平臺，同時運用班級優化大師來對班級進行個性化的管理。

第三章基于Mind+平臺的小學AI編程教學設計

3.1學習目標設計

基于Mind+平臺的人工智能教育教學是以AI科普類知識、AI編程基礎知識、AI技術應用等內容為載體，通過小組合作的方式，在合作學習的過程中培養學生問題分解、抽象建模、設計算法、評估優化和概括遷移這五個計算思維的核心方法，同時希望能普及人工智能知識, 本教學借助布魯姆的三維教學目標設計人工智能教學目標，期望達到的教學目標如表3-1 所示。

表3-1人工智能教育課程教學目標

模塊知識與能力過程與方法情感態度與價值觀

AI科普了解人工智能是模擬人類行為能力和思維能力的一種技術；了解人工智能在生活中的應用，并能說出該應用模擬了哪些人類智能. 通過觀看影片，理解人工智能程序執行過程；通過分享生活中常見的人工智能應用，了解人工智能的優點。感受人工智能給生活帶來的變化,形成對人工智能客觀的認識，激發學習 AI的興趣，形成關心周圍世界變化的態度.

AI編程基礎了解圖形化編程平臺中基礎積木塊的運用；了解流程圖的使用及基礎程序結構；能熟練地利用多種積木搭建作品. 通過觀看范例的演示，分析程序結構并完善流程圖；通過小組討論與合作，完成任務要求. 感受小組合作帶來的成功體驗，形成合作意識，養成問題分解、抽象的習慣.

AI技術應用鞏固基本程序概念，能掌握Mind+中擴張部分AI 模塊積木的混合使用，熟練地運用編程創作人工智能交互作品. 以小組合作的形式設計人工智能作品，通過游戲、討論等方法明確作品設計要素，并結合所學知識完成作品的制作» 感受做中學的快樂；培養熱愛科技、積極探索的精神.

3. 2學習過程設計

根據對已有研究的總結和義務教育階段AI教育內容、培養目標的梳理，本研究將計算思維的培養過程融入AI編程的學習過程中。學者Wen-Chung Shih在研究中指岀計算思維不是學習目的，而是體驗式學習圈的思考階段，是協助理解人工智能的方法，是學習方法中的一部分。本研究依據ISTE&CSTA對計算思維六大要素的劃分，將計算思維的培養要素概括總結為：問題分解、抽象建模、設計算法、評估優化和概括遷移。根據這五大要素設計學習過程中的環節，并在每一環節的意圖中體現這些要素，具體如表3-2所示。

表3-2設計融合計算思維五大要素的活動構思

活動意圖

學生在問題情境中明確復雜問題，并能將問題分解成多個容易理解的小問題，分步驟解決問問題分解

題.

將多個小問題抽象細化，將其用易于理解的方式表達出來.如將復雜范例用流程圖、思維導抽象建模

圖表示，將問題抽象化并建立解決問題的模型.

將抽象模型利用編程語言實施，讓編程語言具備相應的邏輯性。使用編程語言將各個小問題設計算法

通過邏輯程序解決從而實現復雜問題的解決.

評估優化評估解決方案能否順利解決復雜問題，若不能則需要學生對方案進行不斷的迭代與優化。

概括解決問題的方案進一步強化學生的思維，并引導學生將該問題解決的方法遷移到其他同概括遷移

類型問題中.

根據這五大要素設計的基于Mind+平臺的小學AI編程學習過程共有6個活動環節，包括任務發布、分析項目、實踐創作、迭代調試、作品展示、交流評價，整個學習過程的設計如圖3. 1所示。

■ 確定活動內容與目的

廿算恩維能力培井

反饋合合反饋

敦學評價-作品評價、學生課堂表現評價表、學生訪淡、廿算思緞測試題

評價對蒙-敷師評價' 同件互評、組間評價

圖3.1學習過程設計

（1）教師發布任務，學生明確問題

在任務發布環節，學生需要將任務簡化，并能明確問題，因此教師需要創設盡可能真實的問題情境，通過問題的引導，學生能獨立思考，明確任務的步驟是什么，以及如何去解決。由于實驗學校電腦老舊，且是信息技術的薄弱校，因此安排2個學生為一個小組，7-8個學生為一個大組。教師任務發布后，每大組中的學生可以兩兩討論問題，共同明確問題。

（2）教師展示范例，學生繪制流程圖

在問題情境的引導下，學生基本對任務有一個初步了解。此時教師演示范例，并展示不寧夏大學碩士學位論文第三章基于Mind+平臺的小學AI編程教學設計完整的流程圖，讓同組學生一起討論，在討論的過程中，學生可以分享自己的觀點，并評估他人的觀點是否符合。通過小組討論，可以發現大部分同學能明確問題情境中需要解決的問題。根據流程圖和范例視頻的演示，可以幫助學生將項目分解，通過問題分解的過程來培養學生的計算思維。小組討論完畢后，都已經明確問題，此時就需要對復雜項目進行抽象建模。因此教師在白板上調出倒計時，讓學生在規定時間內完善本組的流程圖。在教學中，教師還可利用班級優化大師中的隨機抽人功能，隨機抽取一個人上臺介紹本組完善的流程圖，讓其他同學來評價是否符合范例視頻的流程。對于基礎薄弱的實驗校學生來說，通過組內討論完善本組的流程圖，可以幫助整個組的同學將復雜的項目分解成單個小步驟，同樣學生在明確問題的基礎上，對項目進行抽象建模，才能在操作環節更順利地編寫出成功的腳本。

（3）教師巡視指導，學生合作探究

經過前期多輪組內討論后，小組成員對項目任務都有初步認識，此時教師再組織成員兩兩合作編寫程序，既可以解決微機室少數電腦老舊卡頓的問題，又能使小組成員合作探究。期間成員可以借助流程圖來編寫腳本程序，小組內的成員都把程序編寫好了，可以相互檢查，提出改進意見。在此過程中，教師在各組之間巡視，遇到編寫腳本有困難的同學可提供編寫支架。

（4）教師組織組內交流，學生評估修改

學生組內合作將程序基本編寫完畢后，教師組織學生進行組內作品交流評價，組內學生之間相互檢査，提出改進意見，若學生想實現某種效果，自己無法獨立完成，可求助教師的幫助，同時組內學生需要推選出本組最優秀的作品上臺展示，在此過程中，組內學生會相互合作，發散想象力。迭代修改自己的作品，力求推選的作品實現的效果較其他組更獨特。

（5）教師組織組間交流，學生評價作品

在限定時間內，小組優秀作品推選結束后最早提交作品的三個組可依次加小組積分。然后教師用班級優化大師隨機挑選三個組上臺展示小組最優程序，每個小組需要指派一位作品介紹人，由介紹人向全班同學講解該小組的程序作品。其他小組的同學則根據作品評價表對該小組程序進行打分，評價表滿分為40分，且教師評分占總分的60%,學生的組外評價占總分的40%。

（6）學生交流反思，教師總結提升

抽査的三個小組都展示完畢后，教師詢問每組給抽查小組的打分，根據分數的高低，隨機詢問某組的組長，為什么給該作品的分數最高（低），該作品好在哪里/可以改進的地方在哪里？在觀看了其他小組的作品以及評價后，每個小組對自己的作品都會有新的想法，此時教師可以適當給一些時間,讓有想法的同學去改進自己的作品，其他同學可以繼續小聲交流。

3. 3學習內容設計

由于該課程是借助圖形化編程工具來實施人工智能教育，因此教師首先需要幫助學生熟悉該工具操作的環境，主要包括基礎積木編程和拓展中網絡服務兩部分。實驗校此前并沒有開設關于人工智能的課程，多數學生的圖形化編程基礎能力較薄弱，但學生對人工智能技術

的學習熱情較高。因此，在課程開始后，還需要多個簡單的項目來幫助學生熟悉圖形化編程平臺的操作。筆者在參考Mind+出版的《人工智能編程趣味啟蒙：Mind+圖形化編程玩轉AI》一書中的教學案例、卓世未來平臺上愛熊智慧教育空間中人工智能課程后，發現書籍中的內容主要是案例講解操作，即需要用哪些積木搭建作品的介紹，而愛熊智學空間中的課程則更多的是關于人工智能知識的講解，知識鞏固問答，缺少學生思維的可視化過程，因此筆者參考兩種課程的優點后設計了九個項目，共14課時的教學實驗，并在實驗校實踐了 1個學期，總共進行了為期3個月的教學。具體實驗內容課時安排如下表3-3所示。

表3-3基于Mind+平臺的人工智能教學內容安排所示

模塊教學主題活動名稱活動內容課時

AI 了解什么是人工智能及人工智能產品模

科 AI與生活身邊的人工智能擬了哪些人類能力，了解生活中人工智 2

普初始視頻偵測行走的機器人能的應用，體驗人工智能技術平臺。圖形化編程界面介紹；認識視頻偵測的功能，并利用此積木搭建出檢測到視頻畫面變化就行走的機器人. 1

AI 掌握導入單個角色多造型、背景的方法

編

程初識語音合成文字點讀助手 ,并認識克隆積木，利用文字朗讀積木搭建出點擊角色就朗讀角色名字的腳本 1

基效果。

礎初識人臉追蹤趣萌變臉利用人臉追蹤積木，讓角色造型跟隨人體面部移動. 1

初識語言處理出游翻譯助手使用翻譯模塊與詢問回答偵測積木，搭建一個多語言翻譯腳本.

了解語音識別的過程，并與人類交流過 1

AI 技術應用再探語音技術 AI語音助手程進行類比；利用語音模塊、天氣等模塊搭建一個會査天氣、時間，播放歌曲的腳本效果。

了解人臉識別的過程，并與人類識別過程進行類比； 2

再探人臉識別人臉門禁學會人臉錄入與識別積木的使用，讓電腦記住房間主人的臉，實現人臉開門的效果.

了解手勢識別，并將手勢識別與人臉識 2

初識手勢識別 "云養”熊貓別過程進行類比自主總結特點；學會手勢積木的使用，利用編程搭建出手勢控制熊貓從天掉落，點擊熊貓變化大小，調整手勢則出現不同的熊貓角色效果.

利用變量、廣播、運算等積木搭建出能 2

再探手勢識別猜拳游戲識別人類手勢，機器人隨機出拳的比賽游戲。 2

3. 4學習評價設計

在前文的綜述中，國內外人工智能教育的評價方式大多集中通過計算思維的變化來體現，因此根據研究目的設計人工智能知識普及問卷與計算思維測試題前后測，同時輔以學生課堂表現評價表共同驗證融合計算思維培養的Mind+編程輔助小學生人工智能課堂的學習效果。

現今計算思維的研究趨勢一直在上漲，國內外關于計算思維評價的方式方法也較多，其中有通過基本編程能力測試、交換評估測試等計算思維測試的總結性工具、有如計算思維模式CTP圖，能夠自動地給學生提供反饋，促進學生計算思維技能的提高的形成性迭代工具、還有利用Bebras Tasks評價學生運用計算思維解決情境問題的技能轉移工具、也有利用計算思維量表(CTS),調査學生對計算思維的認知與態度等情況的量表、最后是通過學生口頭表達對計算思維要素與維度的理解的詞匯評估法

基于以上的文獻研究，本研究中的教學評價將采取總結性評價與形成性評價相結合的方式，期望從多種方面分析學生計算思維的變化。具體評價方式如表3-4。

表3-4小學生人工智能教育的評價方式

評價方式評價內容評價工具工具來源

學生訪談訪談提綱自行設計

形成性評價學生作品評價表量表參考學者楊金玉的研究

Bebras國際計算思維挑戰賽試題集錦一張

計算思維能力測試題 Bebras Tasks 測試題進寶

人工智能基本知識問

總結性評價卷測試題參考學者趙蘇亞的研究

參考Korkmaz等人的量表、張屹等人的量表

學生課堂表現評價表量表及威廉斯創造力傾向量表

3.4. 1學生課堂表現評價表

課堂表現在一定程度上能夠反映出學生在課堂學習中的狀態和學生的學習興趣，因此學生的表現情況可以作為衡量人工智能課程有效性的工具之一。具體評價表如表3-5所示。

⑴范文翔，張一春,李藝.國內外計算思維研究與發展綜述IJ].遠程教育雜志,2018, 36(2): 3-17.

表3-5學生課堂表現評價表

序號知識點舉例

1 人工智能英文拼寫全拼、簡寫

2 人工智能的功能聽、看、說、運動、思考

3 智能機器人的"器官” 智能機器人的“嘴巴”、“腳”

4 智能機器人分類及作用掃地機器人、無人機等

5 圖形化編程語言運算順序順序結構與循環等積木

6 人臉識別的過程過程排序

7 語音識別的過程過程排序

乩“刷臉”

8 生活場景 b.天貓精靈等智能音箱語音回復

C. “聽歌識曲”

3.4.3學生作品評價表

Mind+作品評價表參考學者楊金玉在其研究中使用的作品評價表，其將編程作品評價的內容劃分為生活情境貼切度、編程運行流暢度、思維導圖繪制豐富度、流程圖繪制清晰度、角色背景美觀度、作品新穎創意度m。因此本研究的作品評價表將劃分為作品設計、操作技能和擴展創新三個維度，每個維度的評價指標參考學者楊金玉的具體評價要求。組內自評主要包括自己對作品設計、操作技能和擴展創新三個方面的得分評價。組外評價主要是其他小組對該組作品在同樣維度下的得分情況。教師評價主要包括小組的作品、上臺介紹作品的同學表現情況等方面。（附錄三）

3.4. 4計算思維能力測試題

本研究釆用測試題類型的總結性評價，在課程開始和結束后對學生進行前后測，通過前后測數據對比可以觀察學生在問題分解、抽象建模、設計算法、評估優化和概括遷移方面是否有提升。測試題來自“國際計算思維挑戰賽”。正如前文研究中所闡述，由于我國近幾年才開始系統地探討計算思維，計算思維研究整體上還不夠成熟，近年來國內對于計算思維測評的工具大多引用國外已有的方法，同樣也有許多學者在實踐中利用Bebras Tasks測試題來測量計算思維的變化。

本研咒根據教學對象的年齡階段和學習基礎篩選出A、B兩套試卷，試卷中的試題全部選自學者張進寶出版的圖書2019年《Bebras國際計算思維挑戰賽試題冊》，該圖書對每一道測試題的計算思維知識與能力維度都進行說明，A、B兩套試卷各包含6道涉及思維能力的情景題目，本問卷主要是對小學生計算思維能力水平進行測試。根據計算思維的五個要素，將試題分為“易”、“中”、“難”三種程度，共設計6道題，每個程度2道題，試題框架如表

m楊金玉.小學高年級段編程思維培養研究[D].桂林市:廣西師范大學,2021.

3-5所示，同樣為了符合小學生的認知情境, 不改變題目的思維方式，筆者將原題中所有英

文名字替換成中文，小海貍情境替換成熊貓國情境，具體測試題見附錄四、五。

表3-5計算思維測試題A、B卷計分標準

難度考察要素題號選項正確選項錯誤

分解、評估 1 2分 0分

易

抽象、評估 2 2分 0分

抽象、分解 3 3分 0分

中

評估、算法 4 3分 0分

算法、抽象、評估 5 4分 0分

難

概括、評估、抽象 6 4分 0分

3.4.5學生訪談

通過結構化訪談的方式，利用線下、線上等多種形式，共挑選三位女生、八位男生進行訪談，訪談提綱主要分為課前、課中、課后三個階段的感受。通過定性的訪談可以了解學生的前期基礎、課程實施后的AI普及知識的掌握程度。訪談具體名單見下表。（附錄五）

表3-6訪談名單

序號學生性別年級

1 A 女五年級

2 B 女六年級

3 C 女六年級

4 D 男五年級

5 E 男五年級

6 F 男五年級

7 G 男五年級

8 H 男五年級

9 I 男六年級

10 J 男六年級

11 K 男六年級

3.5小結

通過對文獻的梳理，本研究的教學內容最終確定分為AI科普類知識、AI編程基礎知識、 AI技術應用三個模塊進行，每個模塊都設置了三維目標，每個模塊下具體的教學主題都圍繞模塊的學習目標進行教學。本研究的研究目標之一是促進學生計算思維的發展，因此在學習過程中，筆者根據計算思維過程培養五大要素融入學習過程中的六個環節，每個活動環節都有預設相應的師生行為。在學習內容中。筆者設計了九個項目，預計需要花費14個課時進行實施，并且在實施過程中輔以學生課堂表現評價、人工智能基本知識問卷、學生作品評價、計算思維測試題和訪談等多種評價，將量化評價與定性評價結合，以此來觀察基于Mind+ 的AI編程教學是否促進小學生人工智能知識的掌握與計算思維的發展。

第四章基于Mind+平臺的小學AI編程教學實施與評價

4.1教學實踐課例

4.1.1課例一《身邊的入工智能》

4.1.1.1活動設計

(1)教學內容分析

當前，在全國城市數字化轉型逐漸深入的大背景下，人工智能進一步發揮重要的驅動性和賦能性作用。以AI在身邊為主題開展教學活動，是為了讓學生認識身邊的人工智能有哪些，并且了解到人工智能為我們的生活帶來了哪些改變，分享自己對人工智能的看法，積累有關人工智能的概念。

(2)學習者分析

學生在日常生活中，會接觸到智能音箱、智能導航等設備，但很難跟人工智能技術結合到一起，學生對人工智能缺乏了解，本節課將帶領學生感知人工智能技術，了解人工智能和自己的生活息息相關。同時通過講解人工智能的概念，讓學生了解身邊哪些是人工智能，體驗人工智能的圖像識別技術、語音技術等。

(3)教學目標

知識與技能：

①了解什么是人工智能及人工智能的“器官”，了解生活中人工智能的應用；

②能分析、總結人工智能的特點，并在愛熊智學空間內體驗人工智能的應用。

過程與方法：

①通過導入視頻中大白治療男孩的步驟總結，讓學生理解人工智能程序執行過程；

②通過給人工智能貼標簽、觀看生活中的人工智能應用視頻，總結人工智能特征，并能辨別人工智能與非人工智能。

③通過小組合作等活動分享生活中常見人工智能的應用。

情感態度價值觀：

①通過觀看電影中的人工智能，總結人工智能的特點，培養學生的人工智能科學素養和獨立思考的精神。

(4)學習重難點

重點：了解什么是人工智能及人工智能的“器官”，了解生活中人工智能的應用。

難點：能辨別人工智能與非人工智能。

4.1.1.2教學過程

教學環節

教師活動

學牛活動丨設計意圖I

任務發布

1.同學們大家好，歡迎大家來到人工智能課堂.

2.教師提問：你們知道人工智能是什么嗎？

通過剛剛的回答，相信大家都對人工智能比較好奇，接下來讓我們一起來了解什么是人工智能，我們身邊都有哪些人工智能以及分辨我們身邊哪些是人工智能產品.大家準備好了嗎，準備好我們要開始上課啦！

（說明本節課的目的）

3.老師想問問大家有沒有同學看過大白這個電影呀？（簡單互

動）。

有看過的也有沒看過的，沒有關系。那現在呢，老師給大家播放

一段視頻，大家來觀察一下，視頻中的大白都做了什么！（播放視

頻，引發學生興趣和思考）

分析項目

1.教師提問：我們現在來一起分析一下視頻中的機器人大白都做了哪些事情？（給學生2分鐘的發言時間）。

對，剛才視頻中的大白有自己移動、搬椅子、分析人類的情緒、掃描傷口、對人類身體情況的進行分析、給傷口噴藥等等。（對學生的回答進行歸納總結）

2.教師提問：有沒有人可以說一下大白幫助我們人類處理傷口的這個過程的步驟！（給大家2分鐘的時間去討論）。

對，剛才大家說的都非常好，首先大白是對小朋友進行人體掃描、然后做出診斷、最后再治療我們的傷口。（引入人工智能概念） 3•教師提問：老師這里出示大白和人工智能執行程序的過程，請大家思考，大白屬于人工智能嗎？為什么？（給學生3分鐘的討論時間）

大白處理傷口的流程圖

人工智能執行程序的過程

人體掃描

作岀診斷

治療傷口

感知信息

分析信息

4.現在老師隨機邀請3個小組的成員來說一說你們的看法. 有的小組認為大白和人工智能處理的過程不完全一樣，這個小組

1.觀看視頻，獨立思考老師的問題

2.思考并回答老師的問題，通過小組討論，獨立思考，明確人工智能的執行過程.

利用視頻來導入，激發學生學習興趣，從而引出今天的課題。

讓學生明確本節課要掌握哪些知識點，

這樣學習才更有目的性。

提岀了自己的看法，非常棒.另外兩個小組認為大口是人工智能, 并且還將人工智能執行程序的過程解釋了一遍，大家被誰的觀點說服了呢？

沒錯，其實大白治療傷口的這個過程和我們人工智能執行程序的過程是非常像的.雖然人工智能執行程序的過程我們不太理解，但是剛剛兩個小組的同學都用他們的理解幫我們解釋了。所以我們的大白就是一個人工智能機器人。

剛剛我們通過討論，確定大白就是人工智能，那人工智能究竟是什么呢？現在讓我們來探討一下吧。

1.教師提問：請你們以小組的形式討論，來給人工智能貼標簽吧，并說一說為什么要貼這個標簽。（給學生5分鐘的時間）

我們一起來給人工智能5W標簽］

剛剛我們看到了電影中的人工智能，也按照自己的想法給人工智能貼了一些標簽，那么現在我們來逛一逛語音、圖像、娛樂實驗室，看一看現實生活中的人工智能是什么樣子。（一共三個短視頻）看完現實生活中的人工智能后，現在同學們是不是更清楚人工智能是什么？

2.請你選擇PPT中的一個特征，說一說剛剛的視頻中哪里體現了

通過兩次的特征總結，大家對人工智能的認識也更加深入。

3.現在，我們來探究一個問題，剛剛我們總結人工智能的特征時, 說到它能看能說能思考，請大家以小組的形式完成任務單。（任務單要求學生通過資料搜集，確定人工智能的“器官”）

實踐體驗

具有感知能力：視覺、聽覺籌

具有記憶和思考能力

與有學習和自適應能力

具有行為能力

1.好的，剛才我們己經學習了什么是人工智能，那我們現在一起來體驗一下人工智能的應用吧。

2.（通過生活中的問題探討）我們在生活中都會有這樣的一個問題困擾，當我們去植物園和動物園的時候，遇到不認識的植物或者動物怎么辦呢？

大家想一想！非常的好，我們可以用手機進行拍照識別，就會出現圖片的識別結果了，就和我們圖片左邊的紅框里的一樣。那接下來我們就一起體驗一下人工智能中的圖像識體驗人工智能別

吧！

選揮識別圈片

3.首先在網站上搜索’愛學智熊空間'，點擊’我是學生'、登錄賬號和密碼、點擊上面的AI體驗、選擇左下角的動物識別。上面紅色的區域是圖像識別區域，下面的紅色框是選擇需要識別圖片的區城，右側的紅框就是我們的識別結果了現在同學們來自己動手試一試吧！如果生活中我們遇到不認識的事物也可以拍照在剛

才的網站上進行圖像識別。

5.通過網絡等方式搜集資料，完成任務單，自主探究明確人工智能的“器官”。

6.動手操作，自主體驗愛熊智學平臺中的AI功能。

以學生感興趣的主題任務來驅動學生，并規定小組任務，確保每一位學生都動手操作，培養學生的自主學習、團隊協作能力。

4.現在，同學們可以小組合作一起探究這個頁面里的其他功能，大家在體驗的時候想一想這些功能在生活中的應用。

1.大家都將AI體驗中的功能都嘗試過了嗎？ 7.交流分享引導學生

2.現在請大家說一說，你對這里的那個功能比較熟悉，能舉一個剛剛自己的關注身邊

生活中的例子嗎？ AI體驗，舉的人工智

交流分享剛剛同學說手機人臉解鎖是利用了圖像識別技術，圖像識別在我例生活中的能應用，自

生活中還是有非常廣泛的應用的，比若說智能體溫檢測系統，我

們拍照時常用的美圖軟件。

那現在其他同學們來分享一下你們身邊的人工智能吧！應用。主創造性

表達。

4.1.2課例二《AI語音助手》

4.1.2.1方案設計

(1)教學內容分析

語音技術是人工智能原理與技術中機器感知的一部分內容，語音技術包括語音合成與語音識別，現今語音技術幾乎運用到生活的方方面面，學生大多都體驗過此技術。因此在教學中，教師需要讓學生了解語音技術包括什么，以及生活中的運用案例，喚起學生的已有認知經驗，學生在學習語音技術后，將此技術融入自己的編程作品中，會極大地激發學生的學習興趣。

(2)學習者分析

學生在具體的生活場景中都接觸或使用過語音技術，如手機中的語音助手，點讀筆等工具。且教學對象屬于小學高年級學生，此階段的學生求知欲旺盛，對新興事物較感興趣。本課中利用兩個項目來講解語音技術，給足學生自己動手操作，創作自己作品的機會，無形中促進學生創新、問題解決能力的發展。

(3)教學目標

知識與技能：

①了解什么是語音技術及認識語音合成、識別的過程。

②了解語音技術在生活場景中的應用，分享、發現身邊語音識別的應用

③學會使用Mind+中擴展部分網絡服務模塊積木的運用。

過程與方法：

①通過類比人與人交流過程，理解人與機器的交流過程。

②針對手機語音助手，闡述該助手如何做到像人一樣具有交流的能力。

③在動手操作環節，能根據范例視頻用流程圖表示岀該項目的解決步驟。

④通過編程實現電腦的語音合成和識別能力，編程實現簡單的語音應用作品。

情感態度價值觀：

①感受語音識別技術的魅力，能體會語音識別的應用給學習和生活帶來的變化，激發起學生學習探索語音識別知識的熱情與愿望。

(4)教學重難點

教學重點：了解什么是語音識別及認識語音識別的過程。

教學難點：了解語音技術在生活場景中的應用，并能利用Mind+創作岀包含語音技術的程序作品。

4. 1.2.2教學過程

教學環節

教師活動

學生活動

設計意圖

任務發布

1.在第一節課的先導課中，我們一起了解各種身邊的人工智能設備，現在請同學們回憶之前看到的人工智能設備有哪些？

（教師總結學生的回答，從而引入語音識別技術。）

2.這時教師播放一段視頻，視頻里面一個小女孩和智能機器人進行對話，邀請學生來總結視頻中智能機器人的行為有哪些。由此引出這節課的任務，每位同學利用編程都制作出一個自己專屬的語音助手。

1•利用己學

知識回答問

題。

2•觀看視頻，獨立思考老師的問題

利用視頻來導入，激發學生學習興趣，從而引岀今天的課題。

3.思考并回

1.通過播放小女孩與機器人對話的視頻，引出一系列問題，教師引導同學們將“人與機器交流過程”與“人與人交流過程” 作類比，教師拋出問題“人與人交流的過程是怎樣的”，限定時間讓同學們思考并討論，討論結束后邀請小組交流他們的討論結果，教師總結并演示人與人交流過程、人與機器交流過程。

2.通過兩者之間的交流對比，此時教師提問，上節課觀看語音實驗室視頻中，手機是如何幫我們執行命令的呢？（通過問題引導學生思考生活中常見的現象，以此過渡到語音識別的執行過程講解。）

教師在對語音識別執行過程講解時，強調語音識別核心功能就是將人類的語音轉換為文字。再者教師引用生活中語音識別的實例，扣住語音識別的核心功能，詳細講解語音識別的過程：語音輸入、喚醒語音機器人、聲音采集，關鍵字提取、語料庫模型匹配、語音輸出，在具體過程講解時，教師都會岀示觀察問題，引導學生自主觀察，思考解決問題，由多個小問題幫助學生鞏固對語音識別過程的認識，以及幫助學生形成總結。

2.在對語音識別過程有一個初步了解后，教師展示范例程序，并利用班級優化大師隨機邀請2個同學上臺體驗AI語音助手程序，其他同學思考語音助手的功能有哪些，并通過小組合作完善功能腳本流程圖。（教師提出小組PK,看哪一組流程圖完善

得又快又準確可以加小組積分。）

（2）需要判斷語音識別的結果中是否包含語音助手的名字，應該用哪些積木塊？老師提醒大家可以去運算符模塊、語音識別模塊中找一找，這個判斷語句需要多個積木疊加才能實現效果，大家開動你們的腦袋想一想。

（3）如何實現程序里的語音助手多次響應？同學們想一想以前我們做過的程序里，控制某個效果的“開關”是用什么積木？

（變量就是指會變化的量，我們這里的多次響應就是指語音助手在“沉睡”與“啟動”兩種狀態中切換，這是不是類似于一

個“開關”的效果？）

3.基本程序介紹我們都一起體驗過了，現在請每個小組的同學自己合作，一起將剛剛講過的積木塊組合起來吧，遇到問題可以隨時尋求老師的幫助。（教師巡視指導學生搭建程序腳本）

1.請每個小組的同學注意，你們要評選出最內最優秀的作品

小組加3分，第三早的小組加1分。

作品展示

1.修改時間到，現在老師利用班級優化大師隨機抽選3個小組來展示他們最優秀的作品。

2.請被抽中的小組派岀作品介紹人，向全班同學展示并講解你們的作品，講解的內容必須包含：運用了什么語句，和范例

8.觀看其他

組的作品，

通過組間評價

的方式，幫助學

評價他人的生加深對作品

作品，并思的理解。

相比有哪些創新點、演示程序作品。

3.其他組的同學就和老師一樣根據評分表對展示的作品進行打分，每組同學給展示作品打完分后，需要算出自己組給其他作品打分的平均值，同時老師也會根據比例算出展示組同學的最后作品得分. 考自己作品的優點與不足。

交流分享 1.我們來邀請得分最高的小組來說一說他們作品的得分點在哪里，你們組是如何設計這個創新點的？

2.其他同學認為這個作品好不好？好在哪里，你覺得還有哪里不足嗎？ 9.交流分享自己的想法。通過交流發散自己思維，以新想法促進新想法，不斷提高學生的概括遷移能力

4. 1.2.3實踐效果

在課程中，教師利用視頻來導入，通過步驟講解。試題測試讓學生了解語音識別的過程, 之后再示范例程序，同學們在程序體驗的時候，都不約而同贊嘆這個AI語音助手，僅僅用圖形化積木搭建后，不僅能回應，還會播放歌曲、當前天氣、現在的時間，體驗完成后，同學們積極性非常高，都想自己動手編程個人專屬AI語音助手。體驗過后，同學們后將功能流程圖完善得比較全面，見圖4-1。

《AI世界覓知音》

圖4T學生完善的功能流程圖

經過前面兩個活動環節，同學們對語音技術都有了一個初步了解，且都能基本明確自己的任務，便開始制作屬于自己的AI語音助手，有的同學在制作的過程中拿著流程圖時刻提醒自己的制作思路，有的同學通過和他人合作一起搭建AI語音助手的程序。因為AI語音助手程序之間邏輯較嚴謹，程序編寫不簡單，因此還是有不少同學編寫過程中遇到了困難，這

時教師會鼓勵組內同學相互合作探究，參考老師出示在PPT上的完成流程圖，自主理清程序之間的邏輯關系，教師也會在巡視的過程中給予指導。

圖4-2學生合作創作中

多數同學通過老師和同伴的幫助后，都能基本編寫出自己專屬AI語音助手，但是有的同學程序還存在問題，因此迭代調試是必不可少的環節，多數同學或多或少都會發現自己的程序存在某些BUG,導致語音助手實現的效果不是非常理想如程序無法正常運行，或者播報的時間沒有單位翻譯的順序等，但是同學們最容易弄混淆的地方就是在編寫AI語音助手的功能模塊時，三個功能之間應該是并列關系，三個功能的判斷語句應該是并在一起，但是有些同學就誤認為三個功能語句是包含關系，最后編寫出“如果•••那么”語句里面嵌套“如果..•那么...”，結果測試程序的時候，程序就沒有反應，程序如下圖4-3所示。在調試階段，有些同學會給自己的AI語音助手添加新的功能，如念詩、翻譯等，并且同學們要在限定時間內選拔出本組最優秀的程序，因此同學們需要對本組所有人的作品都了解，組長更要承擔一定的選擇權，由組員與組長共同商議選拔、完善本組代表作品。經過調試修改后的學

4.1.2. 4教學反思

在本節課中，學生課堂參與度較高，由于展示的范例帶有語音回復，一開始所有同學都覺得比較新奇，認為這個程序"太厲害了吧”，這種情緒有助于開展語音技術的知識教學，但是教師帶領學生一起分析范例，繪制流程圖時，少數同學開始有畏難心理，因為自己從來沒有接觸過這類人工智能模塊，在范例分析階段就有的茫然與不知所措。因此教師在之后的課程中需要考慮到學生在接觸新知識時的茫然情緒，盡可能多的為學生提供學習支架。在實踐創作環節。大部分學生通過合作的形式都可以完成作品的基本程序編寫，但是在語句邏輯關系這里，還需要教師聯系流程圖多分析幾次才能理解程序之間的關系。在今后的教學中，教師需要在項目分析部分提供給學生更多思考的時間，以及利用類比、畫圖、提問的方式幫助學生理清流程圖的思路。同樣學生在程序迭代修改的環節，雖然清楚角色需要達成什么樣的效果。但是卻經常忘記用哪個積木來實現這種效果，或者記錯相似積木對應的指令，導致學生在腳本設計的時候速度較慢，且腳本語句問題增多，需要教師的指導幫助較多，在今后的教學中，教師需要強化學生對積木塊的熟悉程度。

4.1.3課例三《人臉門禁》

4.1.3.1方案設計

(1)教學內容分析

人臉識別是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術。同樣人臉識別屬于圖像識別技術中的一部分。人臉識別的重點就是進行人臉對比，即將檢測對象的人臉與已建立的人臉庫中的人臉數據依次進行搜索對比，并找出最佳的匹配對象,從而進行身份確認。

在Mind+中的AI圖像識別是基于百度AI的數據庫，能夠實現人臉識別、人臉對比、常用物體識別、文字識別、車牌識別、手勢識別、人體關鍵點識別等豐富的功能，在本課例中，學生主要通過形象化的動畫了解人臉識別的整個過程，再利用Mind+中積木搭建，加深對人臉識別的初步認識。

(2)學習者分析

本課上課的對象是寧夏回族自治區銀川市某小學五一六年級學生，學生在之前的信息技術課上都基本學習過計算機硬件、scratch等圖形化編程、算法及程序設計等內容，對大數據、算法、計算機能力等概念有了一定的了解，并且對于新鮮的事物有強烈的好奇心。

對于圖像識別技術的學習，學生的應用體驗興趣點高，但他們的認識比較有限，對圖像識別的認知是模糊的、不完整的，往往停留在某種服務或者物品應用上，不能完整地描述圖像識別運用過程，對背后的原理興趣不大，技術安全、倫理意識相對淡薄。

(3)學習目標

知識與技能：

①了解什么是人臉識別及人臉識別過程，了解生活中人臉識別的應用。

②知道人臉識別產品是通過模擬人的思維和行為，獲得感知、判斷和行為的能力，來幫助人解決問題。

③學會Mind+中擴展部分AI圖像識別模塊的積木使用，并能熟練地掌握運算符模塊、偵測模塊以及條件判斷語句的綜合運用。

過程與方法：

①通過引入警察追捕小偷的故事，引出人臉識別技術在生活中的作用，進而探究人臉識別的過程和應用。

②通過Mind+中的AI圖像識別模塊的某些積木釆集人臉數據，并觀察采集到的數據。

③在動手操作環節，能根據范例視頻用流程圖表示出該項目的解決步驟。

④通過編程實現電腦的語音及圖像識別能力，編程實現簡單的圖像識別應用作品。

情感態度價值觀：

①感受人臉識別的應用，體會人臉識別的應用給學習和生活帶來的變化，教發學生學習和探索人臉識別的興趣。

②通過《人臉識別》技術在生活中的應用，分析數據安全，培養形成正確的數字化社會倫理和道德觀。

(4)學習重難點

重點：了解什么是人臉識別及人臉識別過程，了解生活中人臉識別的應用。

難點：學會Mind+中擴展部分AI圖像識別模塊的積木使用，并能熟練地掌握運算符模塊、偵測模塊以及條件判斷語句的綜合運用。

4. 1.3. 2教學過程

教學環節教師活動學生活動設計意圖

任務發布 1.在之前的課中，同學們了解了人工智能的生活應用和種類，并且上節課中，同學們自己動手制作了 AI語音助手的程序作品，請問你們還記得語音識別的過程嗎？在生活中除了語音識別技術是否還看見過圖像識別技術的應用？

2.現在，老師出示幾張圖片的一部分，看看誰能猜出來這些圖片是誰？并引導學生將自己識別圖片人臉的過程排序.

最后，教師指明今天的課程重點就是每個人都能利用Mind+制作一個能識別人臉的作品。 1.利用己學知識回答問題。

2.觀看圖片，獨立思考老師的問題利用問題導入，激發學生學習興趣，從而引出今天的課題°

1.學生通過討論后，基本自己對圖像識別都有自己的看法，此 3.思考并回

時教師總結同學們排序的人臉識別過程，并利用具體形象化的答老師的問

動畫方式分別講解檢測人臉、特征提取和分析對比的過程，最題，通過小

后講解人臉識別的定義，讓學生理解人臉識別的主要功能是認組討論，明

出我們的臉，知道我們是誰。確人臉識別

的執行過

程。

Mix

實踐創作

3.學生對人臉識別的概念有一個初步了解后，教師展示程序范例，同樣隨機邀請兩位同學上臺來體驗人臉開門的程序，其他同學則注意觀察人臉識別程序有哪些功能/步驟，小組合作完成程序的流程圖.（同樣進行小組PK,哪一組又快又好的完善流程圖可加小組積分。）

4.同學們通過親自體驗和流程圖梳理，最終確定今天的任務程序有三個重點；建立人臉庫采集人臉信息，按下空格鍵開始識別人臉并說出人臉名字，人臉識別正確背景切換至室內場景。

1.流程圖都修改好了，相信大家對人臉門禁的功能也更加清晰了，現在，我們先來體驗一下人臉識別模塊的功能。請大家添加擴展中AI圖像識別模塊，并上傳老師提供給你們的人臉素材, 來看看Mind+眼中這些人多少歲并標記圖片上的人臉關鍵點吧。

2.剛剛我們都體驗了人臉識別，那現在我們根據流程圖一起來梳理一下，人臉門禁要達到這樣的效果會需要用到哪個模塊的

4.積極參與課堂活動，感受人臉識別的效果，討論完善流程圖。

5.打開 Mind+編程界面，構思程序。

學生通過操作加強對知識點的掌握。

積木？

（1）建立人臉庫，釆集人臉信息需要用到哪些積木塊？這些積木塊之間是什么樣的結構？（順序結構）沒錯，同學們都確定需要先利用開啟攝像頭積木，進行人臉識別，再利用創建人臉數據庫積木。（數據庫命名只能用拼音和數字）

（2）按下空格鍵開始識別人臉并說出人臉名字這個操作是屬于人臉識別的哪幾個過程？會用到哪些積木？人臉識別成功需要用什么語句來進行編寫？（條件判斷，如果...那么...）

（3）機器人識別成功后背景切換會運用到什么積木，將兩件事情連接起來？（廣播積木）

3.基本程序介紹我們都一起體驗過了，現在請每個小組的同學自己合作，一起將剛剛講過的積木塊組合起來吧，遇到問題可以隨時尋求老師的幫助。（教師巡視指導學生搭建程序腳本） 6.協作完成程序制作.

迭代調試 1.請每個小組的同學注意，你們要評選出最內最優秀的作品出來，待會評價環節老師抽到哪一組就請這一組來展示他們組最優秀的作品.（小組內部討論，一起迭代修改程序，限時10分鐘）

2.如果挑選好了的小組就舉手示意，老師會過來拷貝你們的程序，同樣最早提交作品的小組可加5分小組積分，第二早的小組加3分，第三早的小組加1分. 7.小組合作討論組內作品，并合力迭代程序作品e 通過小組自評的方式，培養學生的算法思維與創造力。

作品展不 1.修改時間到，現在老師利用班級優化大師隨機抽選3個小組來展示他們最優秀的作品，這次老師會排除重復挑選的小組，盡量讓每一組都有展示的機會.

2.請被抽中的小組派出作品介紹人，向全班同學展示并講解你們的作品，講解的內容必須包含：運用了什么語句，和范例相比有哪些創新點、演示程序作品.

3.其他組的同學就和老師一樣根據評分表對展示的作品進行打分，每組同學給展示作品打完分后，需要算出自己組給其他作品打分的平均值，同時老師也會根據比例算出展示組同學的最后作品得分。 &觀看其他組的作品，評價他人的作品，并思考自己作品的優點與不足. 通過組間評價的方式，幫助學生加深對作品的理解，培養學生的合作、創造力和批判思維。

交流分享 1.我們來邀請得分最高的小組來說一說他們作品的得分點在哪里，你們組是如何設計這個創新點的？

2.其他同學認為這個作品好不好？好在哪里，你覺得還有哪里不足嗎？ 9.交流分享自己的想法. 提高學生的概括遷移能力.

4.1.3.3實踐效果

在教學的過程中，教師通過看圖識人、排序測試等小游戲幫助學生了解人臉識別的大致過程，之后再通過手機人臉解鎖的問題情境來講解人臉識別的具體過程。范例程序的體驗也讓學生的思路更加清晰，因此流程圖的完善都做得比較好，見圖4-5所示。

魯奸涵人臉門禁雜琦

圖4-5學生完善的功能流程圖

通過前期知識的學習，同學們對人臉識別技術有一個初步的了解，且對自己需要完成的任務有一個清晰地了解。同學們在制作的過程中，教師巡視教室并進行單個學生指導。在上一節課中，由于每組只選拔出一個優秀作品，某些同學便起了懶惰心理，情愿無所事事地發呆也不愿意動手操作，因此在本節課中，教師在巡視時需要注意發呆的同學，并及時給予幫助,教師需要了解此類學生不愿意動手的原因，并針對這個原因進行教學內容或方法的修改。

少數同學在創作的時候，不單單實現人臉開門進臥室的場景，而且將之前創作的海底世界場景遷移到此處，實現人臉識別正確就打開大門進入海底世界的場景。此創意吸引了同組其他同學的圍觀，大家紛紛感慨這個功能和之前學習的場景結合起來很有趣，其他組員們紛紛對該同學的創意點贊。

在教師巡視的過程中，發現少數同學能開始創新，有的同學開始添加其他的角色，有的同學將之前創作的程序重新添加人臉識別的功能，學生們在這個任務中都開始自主創新場景, 不再按部就班地完全參考范例制作。同樣有些學生在編寫完成后，發現程序無法運行，通過教師的巡視指導，最后發現出現的問題如下：未建立獨立賬戶，沒有人臉識別搜索結果可信度的額度、建立的人臉庫名稱前后不一致、詢問回答的積木拼接錯誤等，通過總結后發現，學生基本的程序邏輯還是能理解，但是在程序編寫的過程中，還是會或多或少出現一些小問題。同學們組內評比后，還是像上節課一樣的流程，挑選出最具創意、完成度最高的程序代表本組優秀作品。

圖4-6組員圍觀創意中圖4-7學生修改前的程序

在此次展示的過程中，有的小組從本組的創意點出發，引到作品的腳本之間的關系；有的小組雖然作品角色不多，但程序少而精，功能實現得很流暢。其他未抽中的小組也能在展示的時候客觀的根據評價表進行打分，教師經過總分核算后，確定每組最后的總得分，學生們都對最后的總分比較關注，得分最高的小組最終落到人臉開海底世界組，該組非常高興，在全班面前歡呼，教師鼓勵其他小組，下一次作品也要繼續加油，榜首的位置不能總是其中 1-2 組。

4.1.3.4教學反思

在本節課中，學生課堂參與度較高，由于展示的范例帶有人臉識別功能，這個功能比上一節課語音助手的功能更加復雜，但是場景的適用范圍更寬，同學們從上一節課中吸取經驗后，這一節課開始場景進行創新，同樣針對上一節課同學們的畏難心理，教師在這一節課中提供難度更低的流程圖，只需要同學們進行單個流程的補充，本次課程內容雖然難度比上節課高，但是同學們都非常愿意參與到作品創新制作中。

4.2教學實施效果評價

本研究基于Mind+平臺的小學生人工智能教育教學的測量以總結性評價與形成性評價兩種方式進行。在總結性評價中包含學生課堂表現評價表、計算思維測試題，前者，從能力觀角度將計算思維分為五大能力：創造力、算法思維、批判性思維、問題解決、協作力，通過圖形化編程的教學過程與編程作品創作過程的變化，測試計算思維的能力發展；后者，將計算思維的思維過程分解五個維度：分解、抽象、概括、算法與評估，此測試題創設各種有關計算思維培養維度的問題情境，測試計算思維五個維度的發展水平。經過近一個學期的 AI編程教學實踐，筆者借助Excel和SPSS兩種數據分析工具對教學實踐過程中獲取的數據進行統計分析。

4. 2.1人工智能基本知識問卷成績分析

在進行學生基本信息調査時，每位學生需要完成10道人工智能基本知識問卷的前測試題，教學計劃完成后，學生仍需完成一份人工智能基本知識問卷后測試題（后測試題與前測試題完全相同）。前后測數據回收后進行實驗分析時發現，筆者共發放了 52份問卷，但回收的有效數據是45份。由于有效數據N=45>30,可以默認數據符合正態分布，因此本研究選擇配對樣本T檢驗進行顯著性分析。

如表4-1所示，對問卷數據進行了描述性分析后發現：1•前測總分的最低分為2分，后測總分的最低分為7分，由此可以看出學生的基礎知識掌握得比較全，因此基礎分提分較多；2.從總體成績上看，后測總分的平均分比前測總分平均分提高了 2. 65分，整體成績的提高證明人工智能教育的普及取得了一定的成效；3.將前后測總分進行配對樣本T檢驗后發現，雙尾P<0. 05,說明實驗前后的測試成績有顯著性差異，通過基于Mind+平臺的人工智能教育能促進學生更好的掌握人工智能知識。

表4-1學生人工智能基本知識問卷成績分析

測試類型個案數最小值最大值平均值標準差顯著性（雙尾）

前測總分 45 2 10 5. 53 2. 106 0. 000

后測總分 45 7 10 8. 18 1. 173

4. 2. 2學生計算思維前后測成績分析

在教學開始前，每位同學都需要完成總分為18分的《計算思維測試題》前后測，為避免出現學生記住答案的可能性，測試題分為兩套，兩套中沒有重復題目，但是兩套題目的難易程度與計算思維知識與能力維度都相同。在分析實驗前后的測試成績過程中，由于有效數據N=45>30,可以默認數據符合正態分布，因此本研究選擇配對樣本T檢驗進行顯著性分析。

如表4-2所示，釆用配對樣本T檢驗分析數據的情況有以下幾點：1•開展教學前總成績的平均值為& 42,教學后總成績的平均值為14. 38分，學生的平均成績提高了 5. 956分; 2.學生測驗的6道題的后測平均數都比前測要高，尤其是在第4、5道題的后測平均分比前測提高1分左右；3.配對樣本T檢驗中的sig值（雙尾）都小于0.05,說明實驗前后的測試成績有顯著性差異。綜合以上分析結果，可以從一定程度上反映出基于Mind+平臺的小學人工智能教學對學生的計算思維能力有提高的作用。

表4-2學生計算思維前后測試題成績分析

配對序號試題樣本平均值標準差 t值 Sig （雙尾）

配對1 前測Q1 - 后測Q1 45 533 L307 -2. 737 0. 009

配對2 前測Q2 - 后測Q2 45 933 1. 009 -6. 205 0. 000

配對3 前測Q3 - 后測Q3 45 867 1. 646 -3. 532 0. 001

配對4 前測Q4 - 后測Q4 45 -1.667 1.638 -6. 827 0. 000

配對5 前測Q5 - 后測Q5 45 -1. 067 1.982 -3. 611 0. 001

配對6 前測Q6 - 后測Q6 45 889 2. 395 -2. 489 0.017

配對7 前測易- 后測易 45 -1. 467 1.440 -6. 834 0. 000

配對8 前測中- 后測中 45 -2. 533 2. 302 -7. 382 0. 000

配對9 前測難- 后測難 45 -1. 956 2. 645 -4. 959 0. 000

配對10 前測總分- 后測總分 45 -5. 956 2.513 -15. 897 0. 000

為進一步分析學生教學前后成績的變化分布，試題按照難度可以分成易、中、難三個難度層次。為了排除題目答對的偶然性因素，將三個層次答對題數的頻次運用柱狀圖表示，統計后的數據分布如圖4-9所示。

I 計算思維測試題各難度學生答對人數 |

■前測■后測

圖4-9學生答對題目頻次圖

教學前后的成績對比有以下特點：1•教學前每個層次上答對一題的人數較多，但是在教學后，明顯可以看到三種難度中兩題都答對的人數巨幅增加，由此可以在一定程度上確保學生不會因偶然性答對題目；2.教學前后測試題的數據可以看出，學生得分不再依靠易題，中等題目答對2題的人數巨幅增加，接近全員答對的情況；3.從難題答對的前后測數據對比，可以看出前測難題答對1題和答對2題的人數差距過大，由此可以判斷學生在面對前測難題時，可能是因為畏難，或者讀不懂題目隨機選擇的答案，而通過教學后，學生在各個維度有一定的發展，因此面對復雜維度綜合的難題，學生也能認真去分析；說明學生經過訓練后，運用分解、抽象、概括、算法與評估思想解決問題的能力有明顯的提升。

4. 2. 3學生課堂表現評價表的效果分析

（1）量表信度分析

量表編制完成后，需要先在小范圍內對量表進行試測收集數據，使用SPSS24. 0統計軟件對收據進行信度和效度檢驗，學生課堂表現評價表可靠性的數據統計最終結果詳見表3-6、

3-7,量表各維度的Cronbach's Alpha值均大于0. 7,總量表的信度為0.838,因此，學生課堂表現評價表具有一定的可靠性。

表3-6量表信度分析結果

維度 Cronbach* s Alpha 項數

創造力 0. 896 2

算法思維 0. 792 2

協作能力 0. 841 2

批判思維 0. 896 2

問題解決 0. 913 2

總體 0. 838 10

（2）量表效度分析

本研究利用了 SPSS24. 0進行探索性因子分析，采用主成分分析法對測量量表的內容做了相應的分析，并檢驗了量表的效度。在效度分析中，KM0統計量是通過比較各變量間簡單相關系數和偏相關系數的大小判斷變量間的相關性，KM0>0. 7適合因子分析，若KM0V0.5 不適宜作因子分析。

Bartlett' s球型檢驗用于檢驗相關陣是否是單位陣，即各變量是否獨立，它是以變量的相關系數矩陣為岀發點。如表3-7所示，量表的KM0值為0. 785, Bartlett，s球形檢驗統計量的觀測值為507. 088,顯著性概率為0. 000,小于0.05,表明本問卷適合進行因子分析。如表3-8旋轉后的成分矩陣所示，第一個公因子包含Q1-1和Q1-2,第二個公因子包含Q2-1和Q2-2,第三個公因子包含Q3-1和Q3-2,第四個公因子包含Q4-1和Q4-2,第五個公因子包含Q5-1和Q5-2,因素負荷量都高于0.5,表明各指標和因子是相關的，也就表明該問卷效度良好。

表3-7量表KMO和Barlett球形檢驗

KM0取樣適切性量數 0. 785

Barlett球形檢驗近似卡方 507. 088

自由度 45

顯著性 0. 000

表3-8量表旋轉后的成分矩陣

成分

1 2 3 4 5

Q1-1 0. 923

Q1-2 0. 895

Q2-1 0. 793

Q2-2 0. 713

Q3-1 0.664

Q3-2 0. 592

Q4-1 0. 780

Q4-2 0. 780

Q5-1 0. 778

Q5-2 0. 835

本課程第一課時結束后每位學生需完成學生課堂表現評價表的前測，授課教師通過數據了解教學對象在計算思維五個能力維度的初始水平。學生前測得分描述統計結果見表4-3, 學生前測總分均值為39. 51 （總分50分），最大值和最小值分別為50和17。從計算思維的五大能力上看，相比較其他三個維度，學生在前測時對自己的創造力、批判思維是不夠自信的，這兩個維度的均值分別是7. 4、7.11。

綜合以上情況可知學生在前測時創造力和批判思維維度總體水平不是很高，均值統計量較小，需要加強，因此教師在進行教學時，需要更多的考慮通過哪些教學方法來提升學生的創造力與批判思維；其次在經過前期游戲化活動的教學后，學生在算法思維、協作能力、問題解決能力方面有一定的提升，因此在進行人工智能教學時，教師可以更多的考慮小組合作的形式進行，同樣可以讓學生自主嘗試畫出編程內容的流程圖，并且提供多樣的教學支架，讓學生自己嘗試去解決問題。

表4-3學生課堂表現評價表前測描述統計

試題個案數最小值平均值

最大值統計標準誤差方差

前測一創造力 45 4 10 7. 40 0. 269 1.802

前測一算法思維 45 4 10 8. 20 0. 255 1. 714

前測一協作能力 45 3 10 8. 38 0. 265 1.775

前測一批判思維 45 4 10 7. 11 0. 270 1.812

前測一問題解決 45 2 10 8. 42 0. 285 1.913

前測總分 45 17 50 39. 51 1. 094 7. 338

人工智能課程結束后每位學生需完成學生課堂評價表的后測，將兩次測試的數據進行配對T檢驗，首先，從配對結果可以看出后測所有維度的平均分都有提升，后測平均分比前測提高了 4. 911分。五個維度的均值都有不同程度的提高，其中創造力和批判思維兩個維度的均值提升較多，從創造力維度看，后測均值比前測提高了 1.089分，而批判思維維度，后測均值比前測提高1.8分，從整體看，經過教學后，學生們在批判維度提升的分數是最多的。其次，6個配對數據的Sig值（雙尾）都小于0. 05,說明計算思維以及五個維度的前后數據有顯著性差異，即經過基于計算思維的人工智能教育教學后，學生在創造力、算法思維、協作能力、St判思維、問題解決這五個計算思維能力上都有一定的發展。

表4-4學生課堂表現評價表前后測配對T檢驗結果

試題樣本平均值標準差 t值 Sig （雙尾）

前測創造力一后測創造力 45 -1. 089 2. 130 -3. 429 0. 001

前測一算法思維-后測一算法思維 45 667 1.758 -2. 544 0. 015

前測一協作能力-后測一協作能力 45 -.711 1.878 -2. 540 0. 015

前測一批判思維-后測一批判思維 45 -1. 800 1.973 -6. 121 0. 000

前測一問題解決-后測一問題解決 45 644 2.013 -2. 147 0. 037

前測總分-后測總分 45 -4.911 7. 594 -4. 338 0. 000

4. 2. 4學生作品評價

在每個教學主題結束后，授課教師W、助教L和其他各小組都會使用作品評價表對每組

作品的作品設計、操作技能、拓展創新進行評價。兩位教師和組外學生對任務要求以及學生表現情況較了解，因此三方都能比較公正客觀的對作品進行打分，并且每一方的最后打分還需要進行占比換算，因此每一組的作品評價得分有一定的獨立性和可靠性。

圖4T0人臉認證開啟海底參觀

現將課例二中的學生作品進行完整作品分析，在課堂上的作品展示環節，被教師隨機抽

中的三個上臺展示作品的小組不可以評分，只能接受未被抽中的三個小組的評價。各組作品評價匯總表如表4-5所示，下面將展開分析。人臉認證開啟海底參觀作品的綜合得分是最高, 作品的完成具有一定的創新性。小組成員將新學習的知識與舊知識結合，從而形成一個新的作品，且上臺介紹的同學也能清楚地說明自己的創意是從何遷移，從側面反映學生在經過一系列的編程學習后，遷移概況能力有一定的提升。該作品能實現人臉識別成功方可參觀海底世界，程序之間的關聯性比較強，且作品運行比較流暢，雖然場景二是前面課程的作品，但是學生運用廣播模塊將兩個場景結合起來，中間的銜接不突兀,整體來看是一個作品的創新。授課教師與助教老師共同商議后，認定該作品是包含人工智能技術的交互性藝術展示類。

表4-5人臉認證開啟海底參觀評分匯總表

W：該作品讓人眼前一亮，利用人臉識別實現類似任意門的設計，為一大創新點, 更難得的是，兩個場景之間的銜接非常流暢，雖然該作品中人臉識別功能依舊

綜合評價

交最快的小組經常是第二組與第四組，但是其他小組也一直在進步，從最開始沒有小組能在限定時間內提交作品，到最后大部分小組都能在限定時間內提交，甚至提交的先后順序也一

4. 2. 5學生訪談

在教學實踐開始前與結束后，研究者選取了社團中五年級1位女生和5位男生、六年級 2位女生和3位男生進行訪談，選取的11位訪談對象年齡都分布在10~12歲之間。訪談共 10個問題，涉及學生課程開始前的經歷、課程進行中的感受、課程結束后的想法，對訪談內容進行整理后如下所述。

(1)課程開始前的經歷

為了了解學生的編程水平，首先對學生之前的編程學習進行采訪，結果表明十一位學生中多數此前沒有接觸過任何形式的編程學習，有2位男同學參加過編程貓的試聽課，還有1 位男同學在半年時間里因為疫情斷斷續續學習過圖形化編程。在學習內容方面，表明自己有過編程學習經歷的同學接觸的都是圖形化編程。同樣結果表明11位學生都沒有接觸過AI 主題相關的課程，學生為什么選擇這門興趣課的理由都不同，因此對詞頻進行分析，可以發現學生的理由大多是“在微機室就是玩電腦”、“感覺有趣，想嘗試”、“AI興趣班聽著高端”、 “老師調的興趣班”和“隨便選的”。學生回答“因為來微機室就可以玩電腦游戲”、“我在課外學過一點編程，就想繼續學習”等。有兩位學生提到是報了其他興趣班，但是人滿了就被隨機調過來的。但學生的回答中也有諸如“我覺得人工智能聽起來比較高端，應該就是和機器人有關”的觀點，可知學生對人工智能的認識并不全面。

(2)課程進行中的感受

采訪者詢問學生們在課堂上能否跟上老師的思路，并寫岀任務的主要步驟時，有八位同學表示能跟得上，并且教師展示范例程序時，也能寫出程序的主要步驟，剩下三位同學表示跟上有點吃力，稍微不注意，就不知道老師講到哪里了，自己的編程基礎不好，操作比較慢。訪談的十一位同學都表示編寫腳本比較困難，因為老師講解范例動作后，雖然自己知道最后要實現的效果，但是編寫的時候總會有意想不到的問題導致程序不能正常運行，每次遇到這種情況就只能求助老師，雖然設計是第一步，但是腳本編寫不岀來，有想法也沒有辦法。某幾位六年級的學生表示，在這一學期的學習下，自己編寫腳本的能力提高了很多，對于編程自己也更加感興趣了。采訪者詢問流程圖的問題時，訪談結果表明十一位同學都能根據提示補充完整流程圖，一些稍微簡單的程序流程圖自己完全不需要提示也能畫岀來，其中十位同學表示流程圖對自己程序編寫有用，因為在拖拽積木的時候，自己非常容易忘記下一步需要做什么，流程圖的存在給了一個很好的提示，有了流程圖自己編寫腳本的速度要快很多，剩下一位同學表示流程圖一般是小組內其他同學會畫，自己腳本不會了就問其他人就好了。

(3)課程結束后的想法

在詢問學生印象最深的作品時，對同學們回答的作品進行詞頻統計，發現最受學生喜愛的作品是“云養熊貓”，因為手勢識別比較特別，而且這個功能和動畫連接很有趣；其次是 “AI語音助手”以及“趣萌人臉”，其中多數同學提到《AI語音助手》編寫難度比較大，因為要實現的功能多，像唱歌、念詩、講笑話這些功能，邏輯性強，而且需要運用多種積木組合成一個才能實現一點點功能，感覺這個作品做下來工程量非常大，而且做著做著就理不清這些積木塊之間的關系了，雖然這個程序是最難的，但是多數同學反映這個功能也是最多的，做成功了的話成就感比較高。

在訪談的十一位同學中，有六位同學喜歡老師用問題的形式幫助自己分析程序思路，剩下五位同學喜歡老師直接給出程序圖，然后自己照著老師的程序圖編寫。因為這樣編寫比較快，而且自己直接跟著做比較容易岀結果，自己做的時候總是會有各種小問題。采訪者進一步追問他們照著做的話自己是否能理解程序，這五位同學都用了 “應該” “可能”這樣不確定的詞語來回答。通過學生的訪談可以知道，學生們認為一步步分析程序進度太慢了，而且還需要不斷思考回答問題，因此在進行教學設計時，程序步驟分析時可以適當運用其他的方式來進行講解，如游戲，動手操作等形式。

十一位學生都不約而同地提到通過這么多次的學習，自己對條件判斷語句，分支選擇語句以及循環重復等語句的認識更深入，自己的整體程序編寫能力也有了很大的提高，還有三位同學認為在編程課上能有這么多上臺展示自己看法的機會是自己從來沒有經歷過的，“以前在微機室都不敢站起來大聲說話，更不用說站到講臺上說話了 ”。

訪談結果表明許多學生通過課程的學習對人工智能有了新的認識，也意識到人工智能在我們生活中運用比較多了，像以前家里的“小米電視機"“學校進門口的體溫測試屏”，自己從來沒有關注過他們背后的東西，現在知道后感覺自己也比較厲害了。有學生還提到“我們以前就是老師講幾分鐘，然后剩下時間就自己隨便做，也沒有人看，現在做的東西都比較有趣，不僅做出了是自己看，其他人也可以一起來玩，非常有意思”。

4. 3教學實施建議

整體而言，基于Mind+平臺的小學生AI編程教學融合了范例分析、小組合作動手實踐和游戲等多種教學形式，獲得學生們的一致好評。本研究結合實際的教學經驗提出如下實施建議：

1.教學主題包含學生感興趣的主題

本次課程中融合的教學主題比較多，有動畫故事類、游戲類、藝術繪畫類、科學技術探索類，從四種分類上來看，游戲類的內容比較受歡迎，但是難度也是最大的，其次是交互性強的藝術展示類，如修改某個腳本參數就能里面出現不同的變化。學生是否對學習主題感興趣這一點直接影響課程的開展情況，所以教師在課程主題選擇的時候，需要更多地思考學生是否感興趣。

2.設計合適的教學資源

本次教學對象主要是小學高年級段的學生，他們還處于刻板遵守規則的具體運算階段，因此他們抽象思維能力水平有限。教師在授課過程中應選擇運用具體形象的事物表達內容，如教師在講解語音技術和圖像技術時，則通過視頻、PPT動畫特效等形式展開抽象理論的講解，同時，教師需要利用流程圖來總結理論講解的過程，否則學生跟著動畫樂呵樂呵看完，能記住的東西較少。

3.創建小組，利用積分制鼓勵學生參與

改變學生學習方式，就是要給學生留下足夠的自學、討論的時間，并且將項目設置成難易不同的部分，盡可能讓所有學生都能從簡單任務開始就參與課堂，讓學生有更多個人的思考，并允許學生將自己的想象在作品中體現。教師提供多種形式的支持幫助學生將外部附屬內驅力轉變為自我認知內驅力，讓學生從“要我學”轉變為“我要學”，促進學生學會學習。在課堂中，每一次小組任務發布后，教師都給足學生時間，讓學生小組內選擇伙伴，共同完成小組編程作品。

4.運用信息化教學工具，優化授課方式

教師要由過去單純的操作演示轉變為探究、啟發。因此在課堂中，教師會運用希沃班級優化大師平臺中的隨機抽人功能，來邀請學生展示自己的思考，這種抽人功能的隨機性，在一定程度上能吸引學生的注意力，同時也給學生一種學習暗示。其次，將任務發送完畢后，學生自主合作，利用課堂上學習的積木知識，自主創建小組作品，同時教師會巡視給予支持。每個小組作品完成后，會邀請同學上臺講解自己小組的作品，同時其他小組的同學根據作品評價表對該小組作品進行評價打分。

5.善用游戲化思維

首先在班級優化大師中，每個學生會有一個卡通頭像，每一次加分減分都是動畫特效, 每次課堂表現都會生成小組、個人的榮譽榜；其次在課堂中，每一次任務都是一場小組之間的PK賽，哪個小組最快最好完成小組任務的，都會有積分獎勵，通過這種競技的游戲機制，能在非常大的程度上激發學生的學習動機；最后，每一次課程的內容，都會融入一系列連貫的編程游戲任務，使課程內容游戲化，可以有效降低學生面對復雜代碼編寫的畏懼感，從而使得學生更加關注游戲的趣味性，由興趣驅使學生實現問題解決，最終使得學生更容易完成更為復雜的創意作品。

4. 4小結

通過課堂觀察和多種評價方式的分析結果可以知道學生對結合圖形化編程與人工智能技術的課程評價比較高，這是因為結合語音技術，圖像技術的教學內容交互性更強，本次授課對象正處于具體運算階段向形式運算階段過渡，學生更樂意接受通過可視化、動手創作等方式接受知識。并且學生在課堂上通過小組合作的形式加深了自己對人工智能的認識，同時也提高了自己的電腦編程水平，不僅如此，測試題與評價量表的結果分析表明，基于Mind+ 平臺的AI編程教學不僅能促進小學生對人工智能知識的掌握，而且還能促進學生的計算思維發展，對學生在分解、抽象、算法、評估和概括的計算思維思維過程有一定的促進作用，同樣，也對學生在創造力、算法思維、問題解決、協作能力、批判思維這五大計算思維能力上都有顯著提升。

第五章總結與展望

5.1研究總結

本研究選擇圖形化編程軟件Mind+作為編程環境，參考計算思維、人工智能課程相關文獻，設計了基于Mind+平臺的小學生人工智能課程。在教學的過程中，通過小組PK,積分賽等形式，進行不同教學主題的學習，學生們學習基礎不一，但是都能在創作的過程中積極解決問題。

本研究得出以下結論：

1.基于Mind+平臺的小學AI編程教學設計

在整個教育設計過程中，筆者構思了 14課時多主題的小學生人工智能課程。研究從知識與能力、過程與方法、情感態度價值觀三個維度設計課程目標，并依據計算思維的培養過程五維度設計相應的教學活動。研究從AI科普、AI編程基礎、AI技術應用三個方面展開教學內容設計，考慮到學生的編程基礎比較薄弱，沒有形成系統的編程知識，因此在課程設計時，加入了圖形化編程基礎的教學內容，并選擇了人工智能的典型技術一語音技術和圖像技術進行AI技術應用的教學。

2.基于Mind+平臺的小學AI編程教學實施及效果分析

在教學評價設計方面，研究使用學生課堂表現評價量表、作品評價表和計算思維測試題等方法收集量化數據，通過數據分析對學生學習情況以及課程實施情況進行全面評估。課程于2021年九月至十二月在銀川市某小學面向52位小學高年級的學生進行教學實踐。經過一學期的學習后，研究發現學生的人工智能知識普及程度、計算思維前后測呈現顯著性差異，綜上所述，該校編程社團的學生通過此課程的學習后能夠有效提升人工智能知識的普及和計算思維的提升，這也與教學設計的初衷吻合。

3.小學AI編程教學的反思

針對小學AI編程教學過程與結果，進行反思，明晰基于軟件環境的體驗能否實現新課標與人工智能課程框架中提出的要求，分析基于軟件環境的體驗課程是否便于推廣，為之后的學者提供參考。

5. 2研究不足與改進

本研究從計算思維的培養、人工智能教育教學出發設計了小學人工智能教育內容，相對來說比較有創新性，為小學AI編程教學實踐提供可供參考的案例。但是在為期14課時的教學活動中，仍然存在以下遺憾：

第一，受設備影響，導致學生編程體驗不佳。實驗校機房電腦比較老I日，研究選擇的編程環境是Mind+,此編程環境中擴展功能比較多，但是唯一的不足便是只能手機號登錄后才可以保存作品到云端，雖然該軟件有本地緩存功能，但是大多數同學反映在編寫的過程中，電腦死機后程序也找不回來了，每次課上電腦死機一次，只能重啟，因此辛苦編寫的作品又要重新來，容易挫傷學生的動手積極性。因此，在小學階段進行教學時，應該盡可能選擇云端保存作品的編程環境。

第二，在小學階段開展基于Mind+平臺的人工智能教育，只是一種嘗試性的研究，具有參考性的研究比較少，因此在經過一輪教學后，發現建構的教學內容還是不夠成熟，現有課程內容的設計雖然是遵循編程知識從易到難的學習，但是每個教學主題之間關聯性不大。

第三，由于研究選取的學生有52名，每組大概有6-7人，實驗學生的機房排列是6縱列，因此在進行小組合作時，雖然教師明確兩個人一臺電腦，但是總會有同學因為電腦原因離講臺較遠，而游離于小組之外。針對這種情況，應該盡量選擇小班形式，分成兩個班進行教學。

5.3研究展望

隨著社會科技的快速發展，人工智能與人們的學習生活關系愈來愈密切，當前中小學迫切希望人工智能課程能以普惠課的形式開設起來，國家層面也出臺了多份文件，如規范中小學人工智能課程開設標準文件、界定人工智能課程實施素養框架的文件。為了幫助學生更好地適應科技快速發展的社會，縮小東西部學生的知識鴻溝，人工智能課程的開設不再是可有可無的面子工程。但是目前國內西部地區的中小學人工智能課程的研究較少，希望本研究能為西部地區以及部分農村地區的教育工作者提供一定的參考價值。本研究中的教學實踐主要面對某個社團的高年級學生，因此內容設計的成熟性還待完善，希望后續研究中能有機會參與其他年齡段學生的研究，有效地擴大研究范圍，從而對本研究進行迭代驗證。

參考文獻

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