基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)小學(xué)生數(shù)據(jù)表征能力

芮清

摘要：表征，是指用某一種形式（物理的或者心理的），將一種事、物、知識(shí)或者想法表現(xiàn)出來。數(shù)據(jù)表征是指用數(shù)據(jù)的形式，來呈現(xiàn)問題解決中的思維過程。數(shù)據(jù)表征能力作為計(jì)算思維能力的重要組成部分，能夠引領(lǐng)人工智能“強(qiáng)認(rèn)知”領(lǐng)域的認(rèn)知，是一種面向未來的關(guān)鍵能力。作者提出，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)不同情境和任務(wù)的驅(qū)動(dòng)，讓思維過程可視，以“小數(shù)據(jù)、大任務(wù)”的方式提升學(xué)生的數(shù)據(jù)表征能力，是小學(xué)人工智能教學(xué)研究的新亮點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;數(shù)據(jù)表征能力;項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）05-0008-03

當(dāng)前，信息技術(shù)教學(xué)越來越注重學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，為了更好地提升信息技術(shù)學(xué)科的育人價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維中數(shù)據(jù)表征能力的培養(yǎng)，筆者通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式，積極開展教學(xué)實(shí)踐探索。

● 相關(guān)概念的內(nèi)涵與價(jià)值

1.小學(xué)生計(jì)算思維

小學(xué)生計(jì)算思維包括“利用信息技術(shù)解決問題的能力”和“將利用信息技術(shù)解決問題的能力遷移至其他領(lǐng)域”。生活中的問題往往是復(fù)雜的問題和非良構(gòu)的問題，需要學(xué)生能夠提取問題關(guān)鍵點(diǎn)，能夠?qū)?fù)雜問題分解和細(xì)化，敏銳地捕捉到哪些問題能夠通過計(jì)算思維來解決。學(xué)生的計(jì)算思維解決的過程基本可以分為分解與抽象—建立模型—數(shù)據(jù)表征—算法設(shè)計(jì)—執(zhí)行與優(yōu)化—應(yīng)用遷移六個(gè)步驟。

2.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為中心、以項(xiàng)目為載體的問題驅(qū)動(dòng)和基于成果的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)問題，以解決問題為導(dǎo)向開展方案設(shè)計(jì)、知識(shí)和技能學(xué)習(xí)、素養(yǎng)提升和實(shí)踐探索，具有實(shí)踐性、過程性、創(chuàng)新性特點(diǎn)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。它一般包含素養(yǎng)目標(biāo)、驅(qū)動(dòng)性問題、持續(xù)探究和全程評(píng)估等要素，可以概括為情境、內(nèi)容、活動(dòng)和成果等四個(gè)模塊。

3.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)表征

數(shù)據(jù)表征主要有列表法、作圖法和方程式法三種方式，教師需要在項(xiàng)目的開發(fā)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)內(nèi)容選擇、活動(dòng)開展、成果制作、評(píng)價(jià)和分享等環(huán)節(jié)中有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)表征能力，在項(xiàng)目的不同階段通過核心問題驅(qū)動(dòng)、高階思維培養(yǎng)等方式，不斷提升學(xué)生的數(shù)據(jù)表征能力。

● 小學(xué)生數(shù)據(jù)表征能力進(jìn)階的實(shí)踐探索

1.立足學(xué)生生活體驗(yàn)，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)共鳴

在真實(shí)的生活情境中，對(duì)生活中問題的明確界定是困難的，這就需要在討論、辨析和獨(dú)立思考的基礎(chǔ)上，提取其中與問題有關(guān)的關(guān)鍵信息。所以，項(xiàng)目的選定是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是否能夠成功實(shí)施的前提與關(guān)鍵，不僅影響著學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還影響著計(jì)算思維的發(fā)展程度。教師要引導(dǎo)學(xué)生從復(fù)雜的真實(shí)問題中提取關(guān)鍵信息，從計(jì)算思維的角度來分析問題和描述問題，遵循有效性和實(shí)用性價(jià)值的原則選定項(xiàng)目。

例如，在“智能投喂機(jī)”項(xiàng)目的教學(xué)中，可通過分組討論的形式，讓家里飼養(yǎng)寵物或者觀察過寵物的學(xué)生分享飼養(yǎng)寵物過程中遇到的問題，并從中提煉出與投喂有關(guān)的問題，如忘記投喂、因?yàn)橐咔閷櫸锉粏为?dú)隔離在家、家庭成員重復(fù)投喂等，通過頭腦風(fēng)暴式的討論和分享，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)共鳴，并針對(duì)問題進(jìn)行分解和問題抽象。在“智能投喂機(jī)”項(xiàng)目的前期規(guī)劃設(shè)計(jì)中，學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的整體規(guī)劃和深入思考是項(xiàng)目中計(jì)算思維能力提升的關(guān)鍵。通過由淺入深、由生活中的問題聚焦到學(xué)科中的問題、由學(xué)科學(xué)習(xí)聚焦到計(jì)算思維的提升，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生的思考不斷深入，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施中可能出現(xiàn)的問題的思考會(huì)越來越全面。在開放的、師生積極互動(dòng)的教學(xué)環(huán)境下，學(xué)生得以循序漸進(jìn)地提升計(jì)算思維能力。

針對(duì)“智能投喂機(jī)”項(xiàng)目，可以使用如圖1所示的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)表征，提取關(guān)鍵信息，厘清對(duì)象間的關(guān)系。

2.提取關(guān)鍵問題，推動(dòng)學(xué)生數(shù)據(jù)表征能力進(jìn)階

表征的形式直接影響對(duì)假設(shè)空間的搜索效率，任何一種表征都不能無條件、無限制地應(yīng)對(duì)所有情境。面對(duì)不同的問題，或者問題的不同階段，教師要善于引導(dǎo)學(xué)生使用不同的表征方式來應(yīng)對(duì)。在提取到關(guān)鍵問題后，教師要引導(dǎo)學(xué)生探索計(jì)算機(jī)解決問題的詳細(xì)步驟，創(chuàng)建一個(gè)精準(zhǔn)并且邏輯正確的算法，并且能在調(diào)試中不斷優(yōu)化算法，提高每一步的準(zhǔn)確性。在“智能投喂機(jī)”物聯(lián)網(wǎng)通信模塊中，可以使用如圖2所示的順序結(jié)構(gòu)的算法。

而要實(shí)現(xiàn)通過MQTT發(fā)送信息來智能投喂，則可以使用決策樹算法，通過判斷信息來實(shí)現(xiàn)。決策樹算法的核心是一種可以支持小數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的知識(shí)表征的方式——層次樹，通過“組合—分解”，將真實(shí)世界的復(fù)雜問題轉(zhuǎn)換成一系列小而簡(jiǎn)單的問題，大大加速了問題假設(shè)的搜索速度。

本案例中的數(shù)據(jù)雖然比較簡(jiǎn)單，但是與問題的解決密切相關(guān)，有助于學(xué)生體會(huì)、理解和內(nèi)化典型程序算法。教師要注重在問題解決過程中，提升學(xué)生的數(shù)據(jù)表征能力，使其通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，由淺入深地感知人工智能時(shí)代“物聯(lián)萬(wàn)物，感知世界”的特點(diǎn)。這其中還包含了計(jì)算思維中重要的網(wǎng)絡(luò)思維的能力提升，本文中的網(wǎng)絡(luò)思維，指的是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)核心的對(duì)象互動(dòng)關(guān)系，在“智能投喂機(jī)”項(xiàng)目中，通過發(fā)送文本信息“1”來控制投喂，就是典型的網(wǎng)絡(luò)思維。計(jì)算思維中網(wǎng)絡(luò)思維能力的培養(yǎng)，不僅有助于提升學(xué)生把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)換為圖論中的經(jīng)典問題的能力，還有助于提升其將一個(gè)大問題分解成若干個(gè)小問題的能力。

3.提升數(shù)據(jù)表征能力，遷移到其他問題的解決中

“將利用信息技術(shù)解決問題的能力遷移至其他領(lǐng)域”是小學(xué)生計(jì)算思維的重要組成部分。在“智能投喂機(jī)”項(xiàng)目中，判斷是否投喂的決策樹算法，就可以應(yīng)用到很多項(xiàng)目的問題解決中去，如智能車牌識(shí)別項(xiàng)目，通過將識(shí)別到的車牌與列表中的車牌號(hào)進(jìn)行比對(duì)，如果相同，就語(yǔ)音播報(bào)“您已繳費(fèi)”。類似智能車牌識(shí)別的項(xiàng)目，學(xué)生雖然每天都會(huì)在生活中接觸，但對(duì)其算法和原理并不一定十分清楚，因此，教師可通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式，引導(dǎo)學(xué)生圍繞項(xiàng)目作品的制作，從復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界中抽象出特征，通過計(jì)算思維能力的遷移，用已學(xué)的算法不斷解決新的問題。

作為抽象思維能力的一種，數(shù)據(jù)表征能力是計(jì)算思維的重要組成部分，這種能力和素養(yǎng)，不僅體現(xiàn)在可視化編程、數(shù)字有形物等工具上，而且影響著學(xué)生在非計(jì)算機(jī)領(lǐng)域思考和分析問題。因此，在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中，教師要通過提升學(xué)生數(shù)據(jù)表征的能力，通過列表法、作圖法和方程式法等方式，讓學(xué)生的思維可視、可評(píng)，讓小學(xué)人工智能教育有法可依、有策可循。

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本文系江蘇省管雪沨網(wǎng)絡(luò)名師工作室、江蘇省“十四五”教育規(guī)劃課題“小學(xué)人工智能教育的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)體系建構(gòu)和實(shí)施策略研究”（編號(hào)：D/2021/2/148）階段性成果。

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