前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的人工智能普及教育算法編程探究，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要:在中小學階段設置人工智能相關課程體現了國家對智能時代人才培養的高度重視。為使人工智能教育落地、有效，讓學生了解人工智能、實現原理、應用領域；初步掌握計算機算法與編程，能夠使用編程語言進行人工智能科普活動實踐。探索人工智能普及教育各學段相關課程應該以怎樣的形態存在，如何以最小的代價取得人工智能普及教育的最大效益。
1引言
人工智能作為連接未來的教育，面向中小學進行普及，很大程度上帶來的是邏輯思維能力的提升和思維方式的改變。當今中小學人工智能教育已經成為一個炙手可熱的話題，各類資源紛紛涌現：國家課程、校本課程和校內教育活動、相關學科競賽活動、校外培訓機構開展的相關教育活動等。以人工智能為主題的各類教學內容五花八門。信息技術教師要認真解讀國務院頒發的《新一代人工智能發展規劃》，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件、游戲的開發和推廣[1]。以深入淺出、通俗易懂的教育方式，使學生理解人工智能教育與信息技術教育、編程教育與智能機器人教育的區別。探索通過選擇合理的AI編程語言和設計AI活動情境，有效地實施人工智能教學，培育人工智能素養。展開計算與推理，模擬與拓展人類的認知和思維的人工智能科普活動，包括信息學、創意編程、智能設計、智能機器人項目。探索人工智能教育各學段相關課程存在的形態。構建基礎教育人工智能課程內容框架和知識體系。
2人工智能核心概念
2.1人工智能教育。中小學人工智能教育的目的不是讓學生做研究，而是要讓他們對人工智能產生興趣，進而確立職業目標，成長為AI技術領域人才。中小學的人工智能教育中，要關注的不應只是提供很多的硬件，而是應該關注給青少年培育人工智能的核心素養。從感知、認知、創新三個層次構建在教學中的學習任務和效果達成。從經歷認識帶來對人工智能特征識別等方面的了解,幫助學生識別和分辨人工智能應用、體驗、理解、設計這一過程；從體驗帶來對人工智能真實場景的了解,幫助學生內化成為意識；從理解帶來概念、原理的分析,幫助學生深層理解,從而學會主動選擇人工智能；從設計帶來學生動手實踐的真實應用,幫助學生理解人工智能解決問題的方法設計。這樣可以達成從不同層面對人工智能的能力素養培養。
2.2計算思維培養模式。人工智能教育的核心是計算思維。目前人工智能研究五個方面：自然語言處理、計算機視覺、語音識別、專家系統以及智能機器人。計算與推理、機器學習、傳感與控制都與算法編程密不可分。算法編程是計算思維賦能的重要平臺。理解人工智能核心素養概念，清晰計算思維在中小學人工智能教育中的地位和作用，培養學生的計算思維和問題求解能力，達到人工智能教育課程的核心目標。以此帶動信息學競賽、創意編程、創新AI作品、智能機器人的“四翼”蓬勃發展，培養出越來越多有創意、能創新、勇創業的新時代科技苗子。
3AI活動課程建設
3.1AI課程的靈魂。人工智能課程的靈魂是計算思維。人工智能作為信息技術的前沿科學，始終以計算機產生人的智能、學習超過人的智能為目標。中小學人工智能課程應以逐步提升計算思維能力為目標，導入項目活動任務，從“情境導入、建構項目任務、分治小問題、優化問題解決的算法”等方面逐步展開課程實施。計算思維的創新發展必將促進人工智能教育的蓬勃發展。
3.2算法編程的普及。在中小學階段，人工智能相關課程要滲透編程教育,鼓勵用算法編程提優提質智能機器人、創意電腦作品、益智游戲活動水平，從而在活動過程中理解人工智能核心素養概念，清晰計算思維在中小學人工智能教育中的地位和作用，培養學生的計算思維和問題求解能力，達到人工智能教育課程的核心目標。開展人工智能教育要注重普及性,圍繞計算機算法、圖形化編程和Python等核心內容，研究圖形化編程\Python\C++在不同學段（年齡）的適用性，使學生通過需求分析、構思算法、設計流程、編寫程序和調試驗證等過程來加深理解編程思維的方法與步驟。學生在知、情、意、行的動態學習中，逐步提升認知、決策與創新能力。算法語言的講授要考慮普及性和接受性，要淺顯易懂，操作簡單明了，循序漸進。通過降低教師的授課難度推進算法語言課程的發展速度。
3.3分學段推進。算法語言教學目標是分學段實現的。推動算法語言普及，力求做到“一馬平川”。小學低年級階段可以認識圖形化編程、圖形化的指令積木搭建程序，從興趣出發，認識人工智能，輔以體驗機器學習、人臉識別、圖像識別人機交互和無人機等技術。三年級開始可以逐步掌握圖形化編程，輔以掌握基本的語音識別、圖像識別、智能翻譯和手勢識別等圖形化編程工具。五、六年級可以初步掌握Python這種跨平臺的計算機程序設計語言，融入計算機算法促進Python的學習。適當增加語文閱讀與表達、數學游戲化學習、英語分級閱讀等方面的智能應用。七、八年級可通過問題導向進行項目式學習，初步學會應用Python代碼驅動智能機器人行為，提升AI創意編程、智能設計、智能機器人的競技水平。各階段學有余力的學生可以進行C++程序設計語言的學習，深化計算思維能力的培養，參與信息學競賽。通過中小學人工智能教育的學習，提高學生參與人工智能科普活動創新源動力和學習人工智能學習的興趣。
4教學實施策略
4.1從娃娃做起。鄧小平提出的“計算機普及要從娃娃做起”，為中國的計算機產業發展鋪墊了道路。在智能時代的今天，要培養智能時代的合格公民。人工智能教育普及要從娃娃抓起，為學生終身學習和發展奠定基礎。廣泛搜集國內外人工智能教育及國家對人工智能人才的培養方式，在中小學構建人工智能教育模式，從娃娃開始培養人工智能技術方面的人才。4.2編程學習生態鏈蓋茨說過：“應該讓孩子們從小就學習編程，這與學習語言一樣重要，它能培養孩子們的創新性新方法，學習解決問題的技能。”從人工智能認知、人工智能科普、人工智能賦能編程教育三方面來探討人工智能生態下如何構建編程學習生態鏈，培養學生的計算思維、設計思維、工程思維，培育適應終身發展和社會發展需要的核心素養[2]。在線學習教育開展計算思維教育，平衡教育資源，把創造性學習螺旋和游戲化教學理念融合到開展人工智能啟蒙教育中，讓學生運用算法抽象模型，進行一些自主探究實踐。
4.3一核四翼展開教學。以“一核四翼”展開實效性研究，在計算思維的培養過程中開展計算思維培養與人工智能教育的研究探索。4.3.1算法編程優先機器學習是人工智能領域的熱點。機器學習算法正是其它算法的延伸。通過算法編程，才能模擬或拓展人類的認知和思維的機器學習。中小學開展的信息學競賽、AI創意編程、智能設計、智能機器人項目等人工智能活動都是以算法編程為基礎。4.3.2四翼為載體“四翼”為載體，展開計算或推理，模擬或拓展人類的認知和思維的AI活動。理解傳感、運動、控制知識，并能夠用于人工智能科普實踐；理解人工智能算法基礎，能用數學建模、算法編程工具等體驗人工智能工程問題；培養學生的創造力、設計能力、動手實踐能力、溝通協作能力；培養學生的計算思維和工程思維[3]。
4.4教學技藝。算法是程序設計的靈魂。算法教學是程序設計語言教學的基礎。程序設計語言教學是算法教學的必要的延續。4.4.1淺入深出算法是解決問題的方法和步驟，是一種數學建模。教師在程序教學中要遵循淺入深出原則，通過問題分析理解簡單特例的解決，減輕對算法的畏難感，漸漸深入、步步推算、數學歸納形成算法。讓學生對算法和程序設計有一個感性認識到理性認識的經歷，以降低學習的難度。例如，解決“一猴子登臺階，一步上一階，也可以一步上二階。登完N級臺階共有多少種不同走法？”該問題的算法，從簡單規模入手：n=1時，有1種走法；n=2時，有2種走法；n=3呢？樸素的枚舉有3種走法；n=k呢？讓學生發現規律（f(k)=f(k−1)+f(k−2)），進而激發學生建立算法的興趣。經歷了實驗、嘗試、歸納證明等階段逐漸形成建立在簡單的數據結構上的算法（重復執行：a=a+b,b=a+b），并用程序去實現（見圖1），讓學生體驗成功的喜悅。4.4.2融合數學知識計算機算法和數學算法是有區別的，但又密不可分。因此教師在教學過程中，可以從學生熟悉的或感興趣的數學問題出發，進行算法與程序設計教學。從解決“反向輸出三位數”這個問題的算法可以看出，因為學生有數學基礎，所以容易寫出如下算法Python代碼：m=int(input("輸入一個三位數:"))a=m//100;#求百位數ab=(m%100)//10;#求十位數bc=(m%100)%10;#求個位數cprint("%d%d%d"%(c,b,a))但從計算機算法角度考慮，優選以下的算法：m=int(input("輸入一個三位數:"))a=m%10#分離個位數am=m//10#右移一位求新的mb=m%10#分離個位數bm=m//10#右移一位求新的mc=m%10#分離個位數cm=m//10#右移一位求新的m=0print("%d%d%d"%(a,b,c))分析該算法第2第3行的語句，基本上是重復寫了三遍。最大優點是：逐位分離數字，容易移植到循環體中。通過“n=n*10+a”逐步收集分離數a,最終反向輸出多位數。這充分體現了算法的嚴謹性、多樣性、優劣性。4.4.3引導自主創新“學起于思，思源于疑”，學生探索知識的思維過程總是從問題開始，又在解決問題中得到發展和創新。算法與編程教學過程中，學生在教師創設的情境下，動手動腦，探索對知識的理解[4]，尋找客觀規律，建構算法，自始至終參與這一探索過程，并對已解決的問題尋求新的算法，不斷發展創新能力。例如，對于圖2幾何圖案，引導學生囿于二重循環for（圖3），不斷創新算法以解決一類問題。4.4.4合作學習教師在算法設計教學中多設計一些學生互相配合完成的目標任務，增進學生的合作意識，培養他們的團隊精神[5]。例如，圖2（3）的菱形圖案的算法建立，可以組織合作學習小組，共同挖掘現有數學知識，探討基于圖3算法框架的數學模型。坐標法：在菱形中心建立直角坐標系，如圖4所示。這樣很容易引發出算法參考代碼：foriinrange(-k,k+1):forjinrange(20+abs(i)):print('',end='')forjinrange(n-2*abs(i)):print('*',end='')print()對學生來說，也可以引導他們應用解析法來共同完成該任務的新算法。算法的探究無止境，積極引導學生發散思維，激發他們的學習興趣，在不斷應用知識遷移、不斷進行創新的同時提高教師自身的信息素養水平[6]。教師不僅是計算機學科的基本概念、基本知識和基本操作的傳授者,更重要的是成為學生學習計算機知識、掌握計算機能力的引導者和領路人。
5結束語
本文主要探討的價值在于：讓學生了解人工智能的概念、應用方向以及實現原理；理解計算機編程知識，能夠使用編程語言提升人工智能科普活動的品質。探索人工智能教育形態支撐計算思維培養的目標；探索人工智能教育與信息技術教育、編程教育、智能機器人教育、STEM教育、創客教育的關系；探索人工智能普及教育各學段相關課程應該以怎樣的形態存在；如何以最小的代價，取得人工智能普及教育的最大效益。
參考文獻
[1]王順曄,王寧,劉大勇,馮越.中小學人工智能教育現狀調查及對策研究.電腦知識與技術,2019(11):15-18
[2]居曉波.智能生態下開展編程創新教育.中小學信息技術教育,2018(2):21-25
[3]中國的“AI+教育”進擊之路，走到哪了？.
[4]費燕.數學課堂中學生自主能力的培養.教育教學論壇,2010(10):55-61
[5]龔娟麗.淺談數學教學中的能力培養方式.新課程學習(下),2011(02):155
[6]褚金嶺,謝忠新.面向素養培育的中小學人工智能教育實踐探索.中小學數字化教學,2021(04):10-13
作者:林進東 單位:福建省福州第十八中學
