人工智能時代高中生計算思維能力培養研究

鄭珂 李新暉

摘? 要 概述計算思維的內涵，構建高中階段學生計算思維邏輯框架與培養路徑，總結出數學思維等五種主要思維方式，結合這五種思維方式選取“老鼠走迷宮”案例進行分析，提出每種思維方式培養的具體過程。

關鍵詞 高中信息技術；計算思維；Python；數學思維

中圖分類號：G633.67? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）13-0066-04

0? 引言

近年來，隨著云計算、物聯網、大數據等新技術的出現，現代社會從“互聯網+”時代向“人工智能+”時代邁進，人工智能的飛速發展深刻改變著人們的生產生活。將信息技術與人工智能技術進行深度融合，強調學習不應僅注重知識的學習，更應注重思維能力的培養。本文主要研究高中生計算思維能力的提升，選擇高中信息技術課程案例，借助可視化編程工具Python，將該案例的具體實施步驟與五種主要的思維模式相融合，詳細分析各個思維所涉及的準則，以便更好地理解計算思維在教學中的重要性，提升學生學好Python課程的信心。

1? 計算思維

2006年3月，周以真教授在《計算思維》一文中首次提出計算思維。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中提出：“計算思維是指在計算機科學領域的思想方法的指導下，個體在對一個問題形成解決方案的過程中所產生的一系列思維活動。”[1]2011年，美國國際教育技術協會（ISTE）和計算機科學教師協會（CSTA）給出計算思維的操作性定義，指出“計算思維是一種解決問題的過程，該過程包括明確問題、分析數據、抽象、設計算法、評估最優方案、遷移解決方法六大要素”[2]。對于21世紀的人們來說，計算思維是一項非常重要的學習能力，不僅體現在學習中，更有利于自身邏輯思維的鍛煉。

2? 高中階段的計算思維邏輯框架與培養路徑

2.1? 計算思維邏輯框架

計算思維中主要的思維方式有五種，如表1所示。

2.2? 高中階段計算思維的培養路徑

在中小學實施課程教學是培養計算思維的重要路徑。在高中新課標中，課程結構含必修、選擇性必修和選修三類課程共10個模塊，其中必修課程有信息系統與社會、數據與計算兩個模塊；選擇性必修課程有數據與數據結構、三維設計與創意、網絡基礎、數據管理與分析、開源硬件項目設計、人工智能初步六個模塊；選修課程有算法初步和移動應用設計兩個模塊[3]。由此可以得出：新課標修訂后，高中信息技術教學無論是從課程內容的深度，還是從課程內容的廣度，都得到加強，教學任務也大幅增加，但教學總的課時沒有增加。因此，學校或相關研究人員設計開發培養計算思維的信息技術校本課程這一重要路徑，可以解決有限的課時與限定時間內落實培養計算思維的目標之間的矛盾，使得高中階段計算思維的培養通過體系化、序列化的課程群系統地展開[3]。

3? 基于計算思維的Python程序案例研究

以計算思維為培養目標的課程在知識傳授過程中不再以傳統的概念記憶與知識點的講授為主[4]，而是更加側重于訓練學生上述五種思維。

1952年，“信息時代之父”香農用一只木老鼠“忒修斯”奠定了人工智能的基礎。經過一系列的隨機試驗，“忒修斯”穿過迷宮般的金屬墻，成功到達出口處，獲得金屬奶酪。香農的發現代表了人類智慧的結晶和數字化世界的可能性。因此，選取“老鼠走迷宮”作為培養學生計算思維的案例，一方面是通過編程實踐，讓學生切身體驗科學家的邏輯思維過程；另一方面，對應上述五種思維方式，將“老鼠走迷宮”案例的教學環節分為五個步驟，強化學生的計算思維框架。具體步驟如下：

1）引入問題，創設合適情境，引導學生主動發現問題；

2）數學建模，用數學模型重新定義問題；

3）問題分解，將原問題分解成小問題；

4）設計算法，根據分解步驟，列出流程圖，寫出算法；

5）編寫程序并調試運行。

五個步驟與五種思維方式之間的關系如圖1所示。

基于Python，以“老鼠走迷宮”為例，結合計算思維的五種思維方式對教學活動進行具體闡述。

3.1? 引入問題

在信息技術課堂教學中，以問題解決為導向的方法有助于培育學生的計算思維。在每次課程開始之前，教師應該向學生拋出一個他們能夠理解并能解決的問題，同時要說明該問題發生的背景和條件，以便于學生思考問題。比如：“同學們在生活中應該玩過迷宮游戲，那么老鼠走迷宮會怎么走呢？在出口處有什么等著老鼠？”

【問題描述】如圖2所示，一個n×n迷宮，老鼠如果想吃到迷宮出口處放著的奶酪，如何從入口到達出口？能否找到一條合適的路徑？如果有，找出該路徑。

3.2? 數學建模：培養數學思維

學生理解問題之后就要對問題進行約簡、構思、分析、建模。要解決問題就要從問題下手，首先要做的就是仔細研究問題，找到問題已知條件、未知條件以及兩者之間的聯系，弄懂問題的目的。其中，已知條件是n×n的迷宮、迷宮的入口、迷宮的出口，未知是正確路徑的步驟，最后的結果有兩種：如果不能找到路徑，那么老鼠就吃不到奶

酪；反之，則是找到這條路徑，吃到奶酪。

先來假設這是一個10×10的迷宮，其中灰色格子是墻，白色格子代表路，10×10表示迷宮的長和寬分別是10，如圖3所示。“灰色格子代表墻，白色格子代表路”是用語言形式描述的，需要轉換成數學的形式。用1和0分別定義灰色格子和白色格子，可以得到圖4所示的迷宮。

將上面10×10的迷宮定義為二維數組：

m[10][10]=[1，1，1，0，1，1，1，1，1，1，

1，0，0，0，0，0，0，0，1，1，

1，0，1，1，1，1，1，0，0，1，

1，0，1，0，0，0，0，1，0，1，

1，0，1，0，1，1，0，0，0，1，

1，0，0，1，1，0，1，0，1，1，

1，1，1，1，0，0，0，0，1，1，

1，0，0，0，0，1，1，1，0，0，

1，0，1，1，0，0，0，0，0，1，

1，1，1，1，1，1，1，1，1，1]

有了對迷宮的數學定義，就可以很簡單地定義迷宮的入口和出口。迷宮的入口是m[0][3]，出口是m[7][9]。老鼠走迷宮問題就簡化為找到一條順利通往出口的路徑，如果存在，就返回這條路徑；如果不存在，就返回不存在這種路徑。本例中就是要在二維數組m中找一條從m[0][3]到m[7][9]全部為0的路徑。

通過對該問題的梳理，用數學思維可以把該問題轉變為老鼠在一個10×10的迷宮中行走，每走一步有兩種結果：碰到墻返回，或找到正確的路。在這個過程中，學生將該問題用數學的方式表述出來，再進一步化抽象為具體，間接地訓練學生的數學思維。

3.3? 問題分解：培養分解思維、工程思維

有了數學模型之后，就要考慮怎么去解決問題，也就是將老鼠走迷宮分解成小問題。在10×10的迷宮中，老鼠在0代表的小格子里可以選擇向上、下、左、右四個相鄰的格子走，因此可以將10×10迷宮再分解成3×3的迷宮進行簡化分析，進而得出整個迷宮的情況，如圖5所示。

老鼠在每一個格子上的行走情況可以用數組的形式表示：假設老鼠在m[i][j]（0＜i＜9，0＜j＜9），與m[i][j]上、下、左、右相鄰的元素分別是m[i-1][j]、m[i+1][j]、m[i][j-1]、m[i][j+1]。只有這些相鄰元素為0時，老鼠才能走過去。

在該過程中，一方面，學生學會將n階迷宮分解成一個個簡單的3階迷宮，從而將復雜問題簡單化，有助于在生活和學習中舉一反三，快速有效地解決問題；另一方面，在分析迷宮的過程中，學生可以畫出迷宮的簡單圖示，想象老鼠走迷宮過程中碰到的墻和路，利用工程結構合理設計迷宮的形狀，進而培養工程思維。

3.4? 設計算法：培養算法思維

要想計算機理解人的想法，就要將問題的解決步驟、方法用計算機能夠理解的方式告訴它，從而讓它按照人的指令執行任務。通過前面對問題的數學建模、問題分解，基本上完成各個模塊的構建，接下來最重要的就是如何將各模塊整合到一起完成上述功能，即如何運用Python搭建程序、設計算法。接下來就上面的建模和問題分解進行算法設計。用文字描述該問題的算法如下。

1）輸入i*j個元素到數組m[]。

2）用1代表墻，0代表路。

3）如果當前位置是0，則表示行走成功，并標記為2，表示此路可行，后面的老鼠只要看到2，就可以大膽前行；如果當前位置為1，則行走失敗，標記為3，表示此路不通，后面的老鼠看見3，就不要往這個方向走。

4）輸出路徑。

設有一個m[10][10]的數組，將迷宮轉化為10×10的小方格矩陣，其中單元格中數值為1的表示墻，為0的表示路。凡是行走成功的單元格，標記為2；凡是行走失敗的單元格，標記為3。清晰合理的算法構建有助于后面程序的編寫，算法流程圖如圖6所示。該程序采用遞歸的方法判斷下一步的行走是否可行，通過重復執行指定的算法，將老鼠尋找路徑的問題分解為一個個簡單的子問題來解決。

3.5? 編寫程序：培養編程思維

最后，以Python代碼的形式將算法過程可視化，從而檢驗結果的正確性。如果結果錯誤，再返回第二步的數學建模修改，找到問題所在，進行修改，直至找到正確的解決步驟。用Python語言代碼實現，如圖7所示。

從上述這節迷宮問題的教學實例來看，基于培養學生計算思維的思想來設計整堂課的教學活動，學生能更好地掌握解決問題的一般方法，為以后舉一反三打下基礎。例

如：通過數學建模的方法將問題數學化、一般化；通過問題分解的方法對問題進行剖析，將復雜問題分步解決；通過設計算法的方法用算法思維構建各模塊；通過編寫程序的方法檢驗結果的正確性。本案例將計算思維的幾個重要的思維方式融入程序設計，不僅能使學生理解和掌握信息技術相關知識與技能，還能培養學生的計算思維。

4? 結論

“人工智能+教育”已成為教育技術界的熱點，計算思維作為人工智能的基礎思維，越來越被人們重視。研究和實踐證明：高中信息技術Python教學有利于學生形成正確的計算思維意識，通過編程案例的理解和書寫掌握計算思維方法，逐步提高計算思維能力。本文選取的“老鼠走迷宮”案例旨在培養學生的高階思維，迷宮圖的分析是把抽象問題轉化為數學問題，老鼠在迷宮內尋找出口是搜索算法問題，最后在程序運行過程中用秒表計時的方法得出老鼠在10×10的迷宮中從入口到出口共花費1分15秒的時間，從而驗證程序的準確性。希望該研究能為實際教學提供幫助，進一步提升學生的計算思維，推動信息技術教育教學改革。

參考文獻

[1]劉向永.普通高中信息技術課程標準（2017年版）概覽[J].中國信息技術教育，2018（5）：5-6.

[2]王珂，陳剛.算思維評價 概念取向、要素框架與測量方法：以Scratch編程課為例[J].軟件導刊，2020（7）：257-261.

[3]曹曉明，安娜.培養計算思維的高中信息技術校本課程研究[J].現代教育技術，2018（7）：106-112.

[4]余燕芳，李藝.基于計算思維的項目式教學課程構建與應用研究：以高中信息技術課程《人工智能初步》為例[J].遠程教育雜志，2020（1）：95-103.