面向計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)踐

曹楊璐 謝忠新

近幾年，計(jì)算思維在教育領(lǐng)域越來越受關(guān)注。國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）、計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）都在研究計(jì)算思維如何進(jìn)入中小學(xué)，在我國(guó)，計(jì)算思維已納入了信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)。把計(jì)算思維融入中小學(xué)人工智能課程，能更好地幫助學(xué)生理解和掌握信息科學(xué)的核心本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生選用電腦計(jì)算手段解決問題的意識(shí)。

我們認(rèn)為計(jì)算思維是一種問題解決的方式，當(dāng)我們面對(duì)一個(gè)問題時(shí)，首先把問題進(jìn)行拆分（分解），再找出每一個(gè)小問題之間的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)（概括），通過把各個(gè)小問題抽象，找出形成問題的一般規(guī)律（抽象），然后找出形成原因并對(duì)類似的問題提供逐步解決的方法（算法思維），最后通過對(duì)比分析，確保這個(gè)問題的解決方法是最優(yōu)的解決方法（評(píng)估）。

當(dāng)下教育缺乏培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的意識(shí)和方法，在人工智能時(shí)代，不僅需要強(qiáng)調(diào)高階認(rèn)知能力的培養(yǎng)，更加需要增加和突出計(jì)算思維的培養(yǎng)。

教學(xué)模式構(gòu)建

面向計(jì)算思維培養(yǎng)的中小學(xué)人工智能項(xiàng)目式教學(xué)模式構(gòu)建是基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的，建構(gòu)主義[1]認(rèn)為知識(shí)是學(xué)習(xí)者在一定的情境下，借助他人，利用必要的資料和工具，通過積極的建構(gòu)來獲得。模式中的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程，學(xué)生不是獨(dú)立的學(xué)習(xí)，是在教師的組織與引導(dǎo)下，積極主動(dòng)地探索并完成任務(wù)，對(duì)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境中問題解決來完成能力發(fā)展的意義建構(gòu)，這和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論是相切合的。

面向計(jì)算思維培養(yǎng)的中小學(xué)人工智能項(xiàng)目式教學(xué)模式主要是以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式呈現(xiàn)，是面向解決問題的教學(xué)，結(jié)合人工智能知識(shí)，設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義的項(xiàng)目，包含項(xiàng)目情境、人工智能知識(shí)點(diǎn)，完成項(xiàng)目的學(xué)習(xí)支架。通過教學(xué)引導(dǎo)，學(xué)生自主探究，最終學(xué)生完成項(xiàng)目，提交項(xiàng)目作品。在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中學(xué)生潛移默化地完成感知人工智能→理解人工智能技術(shù)→應(yīng)用人工智能技術(shù)→創(chuàng)造人工智能這一學(xué)習(xí)過程。

人工智能項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施過程主要有項(xiàng)目需求分析、制定實(shí)施方案、方案中所涉及的新知探究、作品方案實(shí)施、作品展示交流、評(píng)價(jià)總結(jié)、拓展提升。在完成項(xiàng)目任務(wù)中提升學(xué)生的知識(shí)與技能，發(fā)展學(xué)生的自我探索能力及計(jì)算思維能力。

面向問題、制定方案并解決問題的過程，是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的過程，學(xué)生將大的任務(wù)分解到可操作的小的任務(wù)，然后再逐個(gè)解決，根據(jù)項(xiàng)目的需求組織所學(xué)的知識(shí)來設(shè)計(jì)最優(yōu)的項(xiàng)目解決方案并實(shí)施，這個(gè)過程中涉及計(jì)算思維的分解、抽象、概括、算法思維、評(píng)估等能力的培養(yǎng)。

人工智能項(xiàng)目教學(xué)中，教師在項(xiàng)目實(shí)施的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算思維的引導(dǎo)，在每個(gè)階段給予適當(dāng)點(diǎn)評(píng)，激勵(lì)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、問題解決能力。在項(xiàng)目式教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中最大限度地對(duì)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)。

實(shí)踐探索

以初中人工智能的項(xiàng)目實(shí)踐課“智能語音電話簿的設(shè)計(jì)與制作”為例進(jìn)行面向計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐，如圖1。目的是通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在體驗(yàn)人工智能語音識(shí)別相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程的同時(shí)，能用語音識(shí)別技術(shù)、計(jì)算思維的思想解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，提高學(xué)生的計(jì)算思維、合作能力、交流能力等核心技能，在學(xué)習(xí)中感受科技給人類生活帶來的便捷。

1.任務(wù)驅(qū)動(dòng)

項(xiàng)目是智能語音電話簿的制作，教師給出項(xiàng)目情境和學(xué)習(xí)支架：編程工具App Inventor[2]是采用模塊拼接方式快速開發(fā)移動(dòng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)工具，可以培養(yǎng)中小學(xué)生的計(jì)算思維能力。

2.人工智能項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施

（1）需求分析。學(xué)生明確需要實(shí)現(xiàn)這個(gè)項(xiàng)目的功能之后，教師讓學(xué)生把任務(wù)逐個(gè)分解，然后對(duì)每一個(gè)小的任務(wù)逐步解決。根據(jù)計(jì)算思維的解決問題的方法，分解的思想可以幫我們把復(fù)雜的問題或任務(wù)分解成更小的任務(wù)和問題，便于解決問題。

（2）方案制定。對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行分解之后，教師讓學(xué)生聯(lián)系日常生活中手機(jī)應(yīng)用程序的使用經(jīng)歷，通過對(duì)任務(wù)的分解，進(jìn)一步確定產(chǎn)品的核心功能。并概括出平時(shí)解決類似問題的經(jīng)驗(yàn)與方法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出解決這個(gè)問題的方法。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，教師要求學(xué)生根據(jù)前期分析的產(chǎn)品功能，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的顯示界面，體現(xiàn)各功能要素。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)和功能，將產(chǎn)品開發(fā)分解為不同的模塊，明確各個(gè)模塊之間的相互關(guān)系，并畫出系統(tǒng)總體方案的流程圖。產(chǎn)品設(shè)計(jì)體現(xiàn)計(jì)算思維的抽象思想，把一個(gè)項(xiàng)目的重要模塊提煉精簡(jiǎn)，排除掉相對(duì)次要的信息，抽象制定出解決方案的總體流程圖。

（3）新知探究。確定方案中的主要新知是語音識(shí)別技術(shù)之后，學(xué)生主動(dòng)探索，教師提供語音識(shí)別技術(shù)相關(guān)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中引導(dǎo)，讓學(xué)生知道語音識(shí)別技術(shù)的概念、原理以及用途等。通過體驗(yàn)技術(shù)、探究技術(shù)進(jìn)行知識(shí)的探究與學(xué)習(xí)。

通過學(xué)生探究，教師引導(dǎo)，學(xué)生對(duì)語音識(shí)別技術(shù)有一定的認(rèn)識(shí)。教師通過多種材料以通俗易懂的語言引導(dǎo)學(xué)生理解語音識(shí)別技術(shù)及原理，通過生活中的應(yīng)用讓學(xué)生感受語音識(shí)別技術(shù)的作用。這個(gè)過程中用到計(jì)算思維的分解、概括、抽象、算法及評(píng)價(jià)等方式。

（4）方案實(shí)施。在前期產(chǎn)品需求分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定完成這一項(xiàng)目所選用的編程工具App Inventor進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)實(shí)踐。

教師讓學(xué)生討論操作，根據(jù)前期設(shè)計(jì)的產(chǎn)品界面草圖，在App Inventor中選擇恰當(dāng)?shù)慕M件，并設(shè)置組件的屬性，完成界面設(shè)計(jì)。根據(jù)產(chǎn)品流程圖體現(xiàn)的算法，在App Inventor中完成產(chǎn)品的程序編寫。

完成算法的編寫之后，查看運(yùn)行效果，認(rèn)真調(diào)試、修正錯(cuò)誤，并仔細(xì)觀察，記錄調(diào)試過程中遇到的問題和解決方案。

在這部分，教師訓(xùn)練的是學(xué)生計(jì)算思維中的算法思維，算法思維是一種通過明確定義的步驟來解決問題的方法。學(xué)生根據(jù)上一步的流程圖，寫出產(chǎn)品需要執(zhí)行的每一步的詳細(xì)指令，從而實(shí)現(xiàn)作品的功能。

（5）作品展示與交流。項(xiàng)目實(shí)施完成后，每個(gè)小組需要把作品向全班同學(xué)展示與交流，用演講的方式，介紹自己小組制作的作品。教師可以建議學(xué)生在介紹作品時(shí)關(guān)注5W的理念，介紹產(chǎn)品的過程，也是任務(wù)分解的過程，把團(tuán)隊(duì)演講內(nèi)容分解成小的詳細(xì)的部分，通過作品展示與交流，讓學(xué)生感受到自己設(shè)計(jì)的作品應(yīng)用到生活環(huán)境之中，體現(xiàn)設(shè)計(jì)服務(wù)于生活的理念，以此讓學(xué)生體會(huì)用自己的手創(chuàng)造美好生活的意義。

（6）項(xiàng)目評(píng)價(jià)與反思。這個(gè)環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)計(jì)算思維的“評(píng)估”。不僅對(duì)小組作品進(jìn)行評(píng)估，還要對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過程進(jìn)行評(píng)估。教師可以對(duì)照最初設(shè)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，對(duì)個(gè)人以及集體的知識(shí)和能力發(fā)展情況進(jìn)行評(píng)估，并結(jié)合后續(xù)的教學(xué)設(shè)計(jì)，給出有針對(duì)性的發(fā)展建議和指導(dǎo)。

（7）拓展提升。在完成項(xiàng)目作品的基礎(chǔ)上，教師可以適當(dāng)拓展項(xiàng)目?jī)?nèi)容，學(xué)生也可以創(chuàng)新作品功能，拓展項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生按照解決上一個(gè)項(xiàng)目“智能語音電話簿”的方法來進(jìn)一步進(jìn)行探究，解決更深層次的問題，體現(xiàn)計(jì)算思維概括的思想。

“智能語音電話簿的設(shè)計(jì)與制作”這個(gè)項(xiàng)目很好地融合了人工智能的項(xiàng)目教學(xué)和計(jì)算思維思想，在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的過程中，計(jì)算思維的分解、概括、抽象、算法思維和評(píng)估這五個(gè)方面都有很好的體現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也相對(duì)輕松，作品也是有序的完成。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生在潛移默化中學(xué)會(huì)用計(jì)算思維的思想解決問題，相信在面對(duì)類似的項(xiàng)目時(shí)，會(huì)用概括的思想，基于本次的方法來解決問題。

人工智能教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)的幾點(diǎn)思考

（1）初中人工智能教育不是簡(jiǎn)單的體驗(yàn)教育。面向計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能項(xiàng)目式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和重要性毋庸置疑。根據(jù)初中學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知情況，大部分初中學(xué)生可以通過簡(jiǎn)單編程教學(xué)，控制設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)條件控制變化，所以這個(gè)階段的學(xué)生僅僅體驗(yàn)人工智能的功能是不夠的，學(xué)生需要在體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，理解人工智能的基本原理，學(xué)會(huì)使用人工智能相關(guān)技術(shù)。讓學(xué)生不僅要知其然，還要知其所以然。

（2）在人工智能項(xiàng)目式教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維需要不斷探索教學(xué)模式。在當(dāng)前信息技術(shù)不斷發(fā)展的社會(huì)中，教學(xué)不能將簡(jiǎn)單的知識(shí)傳授作為最終目的，而是應(yīng)該將重點(diǎn)放到培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究問題的動(dòng)機(jī)和思路上，這需要教師在實(shí)踐中不斷探索人工智能學(xué)科中計(jì)算思維培養(yǎng)的新模式，讓學(xué)生知道自己在學(xué)什么，需要學(xué)習(xí)什么，面對(duì)問題怎么解決，讓抽象的計(jì)算思維實(shí)實(shí)在在地落實(shí)到解決問題的過程中去。

（3）教師應(yīng)時(shí)刻為人工智能教育做好準(zhǔn)備。技術(shù)是為人服務(wù)的，技術(shù)的作用是使用工具幫助學(xué)習(xí)者提高學(xué)習(xí)的效率。教師應(yīng)積極接納和使用技術(shù)，而不是將技術(shù)視為威脅或障礙。作為教師，需要時(shí)刻保持學(xué)習(xí)的熱情，與時(shí)俱進(jìn)，掌握豐富的人工智能知識(shí)，不斷提高自身的科研能力和教學(xué)水平，為學(xué)生帶來更加優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。人工智能時(shí)代的教師不僅需要掌握學(xué)科專業(yè)知識(shí)和教學(xué)方法，還應(yīng)具備整合人工智能能力的“數(shù)字素養(yǎng)”，以具備與人工智能設(shè)備打交道的能力。

從人工智能的項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐可以看出人工智能項(xiàng)目問題求解所涉及的步驟和計(jì)算思維的要素有一致性，人工智能的教學(xué)案例可以較好地融合計(jì)算思維的思想，這種求解問題的方式能吸引學(xué)生更為積極地去探索，這個(gè)求索的過程使計(jì)算思維內(nèi)化成一種思維習(xí)慣，成為學(xué)生的一種基本的學(xué)習(xí)能力與解決問題的方法。教師應(yīng)該在實(shí)際教學(xué)中，注重學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，并貫穿于課堂的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)及創(chuàng)新能力。

注： 本文系上海市第四期“雙名工程”課題“面向計(jì)算思維培養(yǎng)的中小學(xué)信息技術(shù)項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐研究”的研究成果

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