郝君

随着科技的发展，人类已进入大数据时代，当前，我国人工智能的发展态势良好。党中央、国务院高度重视并大力支持发展人工智能。习近平总书记在党的十九大、2018年两院院士大会、全国网络安全和信息化工作会议、十九届中央政治局第九次集体学习等场合多次强调要加快推进新一代人工智能的发展。2017年国务院发布《新一代人工智能发展规划》，将新一代人工智能放在国家战略层面进行部署。要发展人工智能，应该从义务教育阶段，尤其是小学阶段，就要让学生了解人工智能，因为他们正身处在人工智能发展的大环境下。

研究背景与学情分析

本课选自《小学人工智能基础》上册第二单元《知识表示与推理》，是本单元的起始课。人类智能的进化与知识的学习密切相关，如幼儿在3岁左右词汇量快速增加并逐渐接近成年人的说话方式，儿童在4岁左右语言已具有一定的逻辑性、在5岁左右可以根据讨论的话题表达自己的见解。机器是怎样拥有知识并像人类一样利用知识进行思考的呢？《知识表示与推理》就是让学生去体验从机器到智能的过程。本课作为单元起始课，以二进制这一计算机最基础的数制为主要内容，引领学生从最简单的“0”和“1”开始，逐步了解人工智能领域机器表示信息的方法。

在课前调查中，我们发现学生们思维活跃，对学习人工智能相关内容有着极高的热情与渴望，愿意思考并尝试用多种方式解决问题。在第一单元《走进人工智能》的学习中，他们已经了解了什么是人工智能，体验了典型的人工智能产品。在已有的数学经验方面，他们对十进制的计数及进位方法掌握的极好，但对于二进制的相关内容没有认知。

实践活动是从学生的真实生活和发展需要出发，强调学生亲身经历各项活动，在动手做、实验、探究的过程中进行体验。著名心理学家皮亚杰指出：“真正的学习不是由教师传给儿童，而是出自儿童本身，这是一个主动的发展过程。”教师通过多种途径唤醒学生的自主意识，启发学生从被动接受学习中走出来，引导他们积极思索，自主实践，学会学习，生动活泼地健康发展。本课利用学生已有的数学经验和信息技术，将任务与情境相结合，引导学生在观察、实践中认识和学习。

本课的学习目标有以下几项：认识二进制数，知道计算机中主要用的数制是二进制;通过实践活动，体验二进制数与十进制数的转换;使用图特板，体验用二进制表示信息的方法。教学重点在于认识二进制数并能够体验用二进制表示信息的方法，而教学难点是能够进行二进制数与十进制数的转换。

课程实践探索

本课的学习方式以学生在教师指导下开展的实践活动为主。针对学习内容，教师设计了不同主题的实践活动——认一认、摆一摆、数一数、动一动、看一看、做一做，力求将略显枯燥的资料性、概念性知识融入活动中，使学生在活动体验中逐步认识二进制数并能够体验用二进制表示信息的方法，能够进行二进制数与十进制数的转换。

1.认一认，了解0和1

教师出示教具并对学生提问：你认识这个符号吗？你在哪里见过它？如图1。学生会很快地回答是“开关”符号，在电脑、电视机等一些家用电器上见过。教师提问并板贴：请你仔细观察，这个开关符号是由哪两个数字组成的呢？教师用自制的教具将“开关”符号分解成0和1。学生们都恍然大悟，其实开关符号是由0和1组成。

图1 开关教具及分解图示

接下来，教师将分好的0和1教具贴在黑板上，继续提问：生活中有很多像这样表示两种相对状态的事物，你能说一说吗？这个时候学生回答一个就在教具0和1下面对应书写板书。学生们回答完毕后，教师拿出两张卡牌问学生纸牌的正面和反面可以用0和1表示吗？请学生代表上台前摆好。

教师总结，像这样两种状态的事物，都可以用0和1来表示。從生活实际出发，让学生了解身边的0和1。

2.摆一摆，初识二进制

教师拿出一套大的卡牌在黑板上演示。如图2。

图2 卡牌演示图

请学生结合以往的学习经验，说出反过来的卡牌应该是几点。学生很容易说出是8点，因为他们找到规律，相邻两张卡牌的点数左边是右边的2倍。运用已有的数学知识解决问题。翻过卡牌学生观察从左到右卡牌上的点数是从大到小的规律。

教师邀请学生共同玩一个游戏：每位学生拿出一套小卡牌，自己先在课桌上按照教师演示的顺序从左到右依卡牌上的点数从大到小的规律摆好卡牌。教师出示一个数字（十进制数），请你快速地用所有朝上的卡牌点数之和将数字表示出来。并注意卡牌顺序不能改变，不用的卡牌请反过来，不要拿走。如教师出示22这个数，请学生操作。

教师请摆得快的学生在黑板上摆好大卡牌。学生们都摆完后，教师和学生交流，你能用0和1来表示现在卡牌的状态吗？教师用手指向刚才的板书来提示学生。很快学生可以说出正面的卡牌用1表示，反面的卡牌用0表示。教师和学生一起在卡牌下面标注上0和1，如图3。

图3  22的十进制和二进制表示

通过卡牌游戏，学生感受用两种状态组成的序列来表示一个数字，一个数既可以用十进制表示，也可以用二进制表示，从而引出二进制数，让学生学会借助卡牌直接将十进制数转换成二进制数的方法。

3.数一数，熟悉二进制

教师拿出两个计数器请学生们观察：你认识它们吗？你能说说它俩的区别吗？

图4 十进制与二进制计数器

学生对十进制的计数器很熟悉，看到旁边的计数器很容易判断出是二进制计数器，二进制计数器每个数位上只有两粒算珠，而且数位是1  2  4  8  16。

教师请一位学生上前来拨计数器，其他学生来数。最后师生共同推理并小结：十进制计数法是“每相邻的两个计数单位之间的进率都为十”的计数法则，逢十进一。二进制计数法是“每相邻的两个计数单位之间的进率都为二”的计数法则，逢二进一。通过活动，推理出二进制的进位规则。

4.动一动，体验二进制数与十进制数的转换

学生分组进行实践活动。请每个小组讨论用什么姿势表示0和1，并确定自己组要展示的十进制数，全组共同将这个十进制数用二进制表示出来。有的组用“蹲-站”的方式体验十进制数与二进制数的转换，有的组用正反面来表示。然后请学生上台前来展示。学生展示时出现了镜像问题，教师即时引导说明表演要以观众的视角来看，所以请展示的学生用镜像的方式面对台下的学生。台下的学生通过转换猜出展示的数十进制是哪个数字。分组展示时还可以增加难度，请台下的学生出示十进制数，台上的学生转换后用二进制数表示出来。因为每个组的人数有限，所以要求台下的学生考虑到这个数在转换二进制数时的位数。通过活动，学生充分体验二进制数与十进制数之间的转换。

5.看一看，了解计算机与二进制的关系

认识了二进制，掌握了二进制数与十进制数转换的方法，接下来我们会进入到看一看的环节。在这个环节，教师给学生出示一系列早期计算机的图片视频，带领学生回归到计算机发明之初，了解计算机中主要使用的数制就是二进制。通过观看视频和图片，让学生了解早期计算机的工作原理及计算机与二进制的关系。

6.做一做，通过智能工具体验二进制传递信息

至此本课的教学重点得到了落实，教学难点也得到了突破，通过前期的活动学生们认识了二进制，知道计算机中主要用的数制是二进制，那么从机器转化到智能如何来实现呢？在这节课最后，教师向学生介绍在学习人工智能时经常会使用的图特板，带领学生初次尝试使用图特板来体现0和1的表示。在操作之前教师提出要求：每人一板;A键0，B键1，尝试使用图特板，用二进制的方式表示一个你想要传递的数字信息，如自己的年龄、班级的人数等。学生开始进行实践操作，教师加强巡视、发现问题，进行个别指导。在图特板进行表示的时候教师弱化了编程环节，固定了用A键表示0，B键表示1，只是让学生体验表示这个过程。最后让一位学生展示，其他学生来猜，通过这样的展示活动加深和巩固学生对1和0的认识，同时教师也及时对展示学生和猜对的学生进行表演鼓励。借助图特软板，在活动中让学生亲身体验使用二进制数表示信息。

7.课堂小结谈感受

我们围绕0和1做了几个有趣的活动，在课堂总结环节，学生都对今天课的收获和感受发表了自己的看法。有的学生说，信息技术也好、人工智能也罢，都不是什么高深莫测的东西，我们现在所处的时代，就是一个处处有信息技术和人工智能的时代，它们已经成为我们生活中非常常見和有趣的存在。未来，让我们一起学习、了解、体验它们！

课后反思

教具使用让复杂的学习过程变简单。卡牌的拼摆和计数器的演示更有利于四年级学生变抽象为具象地理解二进制“逢二进一”的这一根本特点，有利于他们快速地完成十进制数和二进制数的转化，从根本上让复杂的学习过程变简单。

实践活动让枯燥的学习内容变有趣。0和1是计算机工作的底层原理也是人工智能的基础，对于这样一个非常重要的人工智能核心概念的教学内容，学习形式的选择尤为重要。在本节课中我设计了多种形式的活动，学生由认到摆，从数到动，最终看和做，通过这样的体验活动来完成知道二进制数的表示。由于这样的活动方式是学生最喜欢的，所以他们的参与度和活动效果都非常显著。

本课是为了之后的学习内容做准备，让学生了解机器是怎样表示图片、文字等信息并像人类一样进行思考。二进制在小学数学与信息技术课程中出现，在教学中偏重于二进制数与十进制数的转换，小学生很难体会二进制与信息技术或是人工智能有什么样的联系、二进制在从机器到智能的过程中是什么作用。所以在本课中并没有强调转换的数学技巧，而是通过纸牌游戏和计数器给学生展示一种新的理解方式，梳理知识结构，从最基础的理解二进制是如何定位和进位的，为之后的学习打下基础。对于小学生来说，建立在兴趣基础上的教学更有效，所以教师要将枯燥的知识与学生生活相联系，提升学生兴趣，提高课堂效率。

作者单位：北京市东城区黑芝麻胡同小学