AI 人工智能赋予计算思维的教学模型研究

引言

在信息化浪潮的推动下，AI 人工智能技术迅猛发展，其应用领域不断拓展，教育行业亦迎来前所未有的变革机遇。小学教育作为基础教育的重要组成部分，培养学生的计算思维已成为适应未来社会需求的关键能力之一。苏科版教材以其科学性和系统性在小学教育中占据重要地位，如何有效结合 AI 人工智能技术，提升学生的计算思维能力，成为当前教育界亟待解决的重要课题。本研究旨在系统探究 AI 人工智能在苏科版小学教学中的应用策略，构建一套切实可行的教学模型，以期在提升教学质量的同时，显著增强学生的计算思维能力，为小学教育的创新发展提供有力支持。

一、AI 人工智能与计算思维概述

AI 人工智能，即人工智能，是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门综合性前沿技术科学。其核心在于通过算法和大数据分析，实现机器的智能行为。近年来，AI 人工智能技术在教育领域的应用日益广泛，涵盖智能辅导系统、个性化学习平台、虚拟现实教学等多个方面，极大地丰富了教学手段，提升了教学效果。计算思维是一种运用计算机科学的基础概念和方法进行问题求解、系统设计和人类行为理解的思维方式。它强调抽象、分解、模式识别、算法设计等核心要素，旨在培养学生的逻辑思维和创新能力。对于小学生而言，计算思维的培养不仅有助于提升其解决实际问题的能力，还能为其未来的学习和职业发展奠定坚实的基础。通过计算思维的训练，学生能够更好地适应数字化时代的需求。

二、AI 人工智能赋予计算思维的小学教学模型构建

（一）模型构建原则

充分考虑小学生的认知特点、兴趣爱好和学习需求，设计富有吸引力和挑战性的教学活动，激发学生主动参与学习的热情。通过互动式、探究式的教学方式，促进学生深度学习。将 AI 人工智能技术与苏科版教材内容进行深度融合，确保技术手段与教学目标的有机统一。通过 AI 技术的辅助，使教学内容更加生动、直观，提升学生的学习体验。根据学生的年龄特征和知识水平，逐步提升计算思维培养的难度和深度。从简单的计算思维训练开始，逐步过渡到复杂问题的解决，确保学生能够稳步提升计算思维能力。

（二）模型框架

情境导入：利用 AI 人工智能技术创设与苏科版教材内容紧密相关的趣味性情境，激发学生的学习兴趣和探究欲望。例如，在信息科技教学中，通过 AI 生成的动画场景或虚拟现实技术，引出算法问题，使学生在生动具体的情境中思考和学习。

问题分析：引导学生运用计算思维的方法对情境中的问题进行深入分析，将复杂问题分解为若干简单子问题，逐步理清解题思路。教师借助 AI 工具，如智能分析系统，提供问题分析的思路和方法指导，帮助学生掌握问题分解的技巧。

算法设计：鼓励学生尝试设计解决问题的算法，通过 AI 编程平台或可视化工具，将算法思路转化为具体的代码或流程图，让学生直观体验算法设计的过程。在此过程中，教师提供必要的指导和反馈，帮助学生优化算法设计。

实践验证：学生依据设计的算法进行实践操作，利用 AI 工具进行模拟实验或实际验证，检验算法的正确性和有效性。通过实践验证，学生能够更加深刻地理解算法原理，提升问题解决能力。

总结反思：在教师的引导下，师生共同总结计算思维在解决问题中的应用经验和教训，反思过程中的优点与不足，进一步优化思维方法和解题策略。通过总结反思，学生能够不断提升计算思维的水平和应用能力。

三、教学模型实施案例分析

（一）案例背景

选取某小学一个班级作为实验对象，在《初识算法》课程中实施上述教学模型。该班级学生具备一定的信息科技基础知识，但对AI 技术了解较少。

（二）教学实施过程

1. 项目启动

教师介绍“校园智能图书管理系统算法设计”项目背景与要求，引导学生分析项目需求，如如何实现图书快速查找、借阅记录管理等功能。学生分组讨论，初步确定项目方案。

2. 知识学习

教师结合项目需求，讲解算法相关知识，引入 AI 技术在图书管理中的应用案例，如智能推荐借阅算法。同时，介绍 Scratch AI工具使用方法，学生学习利用工具实现简单功能。

3. 项目实施

各小组根据项目方案，运用计算思维进行问题分解、算法设计。利用 Scratch AI 工具编写程序实现图书管理系统部分功能，如利用算法实现图书分类查找。教师巡视指导，及时解决学生遇到的问题。

4. 项目展示与评价

各小组展示项目成果，介绍算法设计思路与实现过程。其他小组进行评价，教师从算法合理性、创新性、计算思维体现等方面综合评价，同时学生进行自我评价，总结学习收获与不足。

（三）实施效果分析

通过引入 AI 元素和项目式学习，学生对《初识算法》课程兴趣明显提高。课堂参与度提升，主动提问和讨论次数增多，从被动学习转变为主动探索。通过对学生项目作品和课堂表现分析，学生在问题分解、抽象、算法设计与优化等计算思维能力方面有显著提升。例如，在设计图书分类算法时，学生能够更合理地抽象图书特征，设计出更高效的算法。学生团队协作能力、创新能力和问题解决能力得到锻炼。在项目实施过程中，学生学会分工合作，共同解决遇到的技术难题，部分小组还提出创新性的图书管理算法优化方案。

综上所述，本研究通过系统分析和实证研究，构建了 AI 人工智能赋予计算思维的小学教学模型，并通过具体案例分析验证了其有效性。研究表明，该模型能够显著提升学生的计算思维能力，增强学习兴趣和参与度，为苏科版小学教学提供了新的思路和方法。未来，本研究可进一步拓展应用范围，探索该教学模型在不同学科、不同年龄段学生中的应用效果。同时，结合教学实践不断优化模型，推动 AI 人工智能技术在小学教学中的更广泛、更深入应用，切实提升小学生的计算思维能力，为其未来的学习和生活奠定坚实基础。

参考文献

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