初中生計算思維培養策略探究
——以“人工智能聲控燈”微項目為例

葉發光

2017年7月，國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》，明確指出“人工智能成為國際競爭的新焦點”，強調實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件、游戲的開發和推廣。

信息技術是一門綜合性學科，涉及許多領域，內容非常繁雜，具有很強的創新性，知識更新周期很短。而初中生知識面較窄、實踐經驗不足、創新能力不強，學好信息技術則難上加難。因此，加強對學生計算思維、創新能力等素養的培養，是幫助學生學好信息技術這門學科的關鍵所在，也是這門學科的教學目標。為了實現這一目標，提高學生學習信息技術的興趣、實踐能力、計算思維能力，需要運用基于問題解決的培養初中生計算思維的教學策略。這一策略的應用極大地提高了學生的信息素養，為信息技術這門學科教學質量的提升奠定了基礎[1]。

一、計算思維的內涵

計算思維具有很強的時代性，而且與數學學科的邏輯思維及物理學科的實證思維不同，計算思維表現出來的是一種抽象化的交互關系及形式化的執行能力。簡單而言，計算思維就是利用計算機解決問題的一種思維方法，也是通過抽象、概括、分解、建模、算法設計等方式，把一個較為復雜的問題轉化為簡單問題的思維過程，是新時代一種新的思維模式。利用信息化的方式把計算思維潛移默化地融入學生的學習過程，可以挖掘與激發學生的計算思維能力，為學生更深入地學習與掌握信息技術的理論與實踐知識奠定了基礎。

二、信息技術教學中初中生計算思維培養存在的問題

（一）教師對計算思維的認識存在偏差

計算思維并不僅僅存在于信息技術教學中，也不是一種單純的教學工具。要想培養學生的計算思維，最重要的是創新教學方式，使其與當前社會發展需求相適應。然而部分信息技術教師對計算思維的認知存在偏差，堅持實用主義的教育理念，在課堂中主要向學生講解常用的辦公軟件的用法、網絡信息瀏覽與搜索的技巧，以及簡單的編程內容。教師在教學過程中講授的信息技術內容過于寬泛，使得學生難以深入地理解知識點，更難以認識到信息技術是學習與生活的一種重要輔助工具，從而忽視了計算思維的強化。且部分教師以向學生講解理論知識為主要教學任務，忽視了對學生計算思維的培養[2]。

（二）忽視個體差異性

在當前的教育教學中，一些教師沿用了傳統的教學模式。此模式雖然減少了教學成本，但是卻產生了很多問題，其中最嚴重的問題就是學生的個性化發展受到阻礙。在教學過程中，部分教師無法根據學生的實際情況開展針對性教學，導致一些學生難以強化自身的計算思維。教師統一開展教學，難以充分了解學生的具體學習成效，不僅不利于教學質量的提升，還使學生的計算思維培養受阻。

（三）理論與實踐相背離

理論與實踐的有機結合是有效開展信息技術教學的重要途徑。然而在當前的信息技術教學中，部分教師過于重視理論知識的傳授，給予學生自主思考及實踐的機會不足，使得理論教學與實踐教學相脫離。在這種情況下，學生難以有效地把所學的理論知識應用到實踐中，更難以通過學以致用實現計算思維的強化。

三、問題解決賦能計算思維培養

問題解決與培養初中生的計算思維密切相關。計算思維是解決問題的首要條件，而問題解決的過程包含著計算思維（見圖1）。因此，如何幫助學生通過解決實際問題強化計算思維，以及如何幫助學生通過計算思維的強化提高其解決現實生活中復雜問題的能力，一直是眾多信息技術教育工作者亟待研究的問題，其中蘊含了信息技術課程教學的核心價值。因此，教師應積極運用基于問題解決的計算思維教學策略，從而更好地培養初中生的計算思維。

圖1 問題解決與計算思維之間的關系

（一）抽象問題

問題解決是一種以問題為導向的調動學生興趣、激活學生思維的教學方式。尤其面對抽象問題時，教師應該在基于問題解決的信息技術教學過程中，結合學生實際情況，即初中生所能達到的解決問題的程度，開展多樣化的教學，進而實現對學生計算思維能力的培養。在具體操作層面，教師應根據學生的學習能力及認知水平設計教學方案，將抽象問題融入課堂教學的各個環節，使得學生的認知能力在分析、探究及最終解決問題的過程中得以突破，并且在解決抽象問題的過程中實現知識的內化[3]。

（二）分解問題

問題解決不是單純地讓學生尋找問題的解決方法，而是引導學生分解問題，從而促進學生思維的發散，引發學生思考，使其主動地參與解決問題的過程。因此，基于問題解決的教學模式有助于優化初中生計算思維培養的過程，可以引導學生為了解決問題而對問題進行分解，探尋問題的實質，使得學生在思考與解決問題的過程中，加深對所學知識的理解，提高自身計算思維水平。

（三）算法設計

教師應在教學中有意識地為初中生提供思維支架，講授解決問題所需的算法設計，促進學生的個性化及全面化發展。對于學生來說，這可以有效地激發其對信息技術的好奇心與求知欲，以及進行算法設計的主觀能動性，從而使學生積極地將理論知識應用到實踐中，實現更好的信息技術學習效果。因此，基于問題解決的培養初中生計算思維的教學方式，可讓學生在有限的課堂教學中最大化地獲取知識，并應用知識解決問題，實現思維能力的強化[4]。

（四）項目評估

項目評估的目的就是促進學生思維水平的提升及全面發展。教師在開展項目活動的過程中，應對學生的做法從正反兩個方面提出建議，為學生解決問題提供參考，幫助學生做出正確的、科學的、合理的決策，使學生更高效地完成任務。

四、基于問題解決的初中生計算思維培養策略——以“人工智能聲控燈” 微項目為例

積極開展項目探究學習，落實學生課堂主體地位是計算思維教學過程中經常用到的方式。教師應根據教學內容精心創設有關的生活情境，然后讓學生選擇或者指定一個研究主題，引導學生獨立自主地進行發現問題、探索問題等一系列項目探究活動，進而實現對所學知識的掌握與理解。

（一）啟發學生，提出問題

在教學中有目的、有計劃地啟發學生，引導學生提出問題，是開展探究性學習的基礎。而創設有關情境是探究性學習不可缺少的環節。在一定的情境中，教師應引導學生認真觀察、發現問題，并對問題進行思考，在此過程中提高學生的觀察能力及思考能力。在課堂中教師可以設計問答情境。例如，師：“在聲控燈中控制燈開關的因素是什么？”生：“聲音。”師：“僅依靠聲音還不夠，還受哪些因素影響呢？聲控燈的電子系統又是如何設計的呢？”這樣在激發學生好奇心的同時，還能引入本堂課的教學內容——“人工智能聲控燈”。通過問答情境的創設，將生活中常見的電子設備與先進的人工智能系統有機結合，能使學生認識到人工智能就在身邊，為大眾的生活服務，從而有效降低學生在學習中的畏難情緒，調動學生的學習積極性。

（二）引導學生，分析問題

所謂分析問題就是讓學生在掌握知識的基礎上，在情境中認真觀察并作出假設猜想，然后對提出的猜想進行分析與驗證。在“人工智能聲控燈”課程教學中，教師可以通過讓學生觀看微視頻的形式，引導學生認識Mind+軟件與Micro:bit 開源硬件，然后在講授語音合成、語音識別、語音交互程序的知識后，讓學生以自主思考或者小組合作的形式分析人工智能語音助手系統的創建。在此過程中，教師可以引導學生思考以下問題：編程軟件Mind+主要應用在生活中的哪些地方；在日常使用聲控開關燈時會遇到燈不停地閃爍或者抖動的現象，此現象產生的原因是什么；在生活中應該怎樣預防和避免這種問題的產生。教師可以引導學生利用所學的知識對這些問題進行分析、假設、探究，然后設計簡單的語音小程序，為后續的學習奠定基礎。

（三）實踐驗證，解決問題

解決問題的核心就是方案設計。而科學有效的方案設計需要學生充分掌握所學知識，并結合自己的實踐經驗，在探究學習中不斷地進行推測與驗證，最終獲取結果。在“人工智能聲控燈”一課的教學中，教師引導學生利用Micro:bit 開源硬件及Mind+軟件對聲控開關燈進行設計，實現了通過輸入語音內容即可控制開燈、關燈程序的設計。

學習信息技術課程的主要目標就是實踐與應用。學生應將所學知識靈活地應用到日常生活與學習中，從而解決現實中的問題。在教師的引導下，學生通過探究學習活動，理解與掌握了Mind+軟件與Micro:bit 開源硬件的使用原理，然后再通過小組合作的形式對聲控燈開關時的抖動問題進行了探究，極大地提高了對所學知識的應用能力，實現了計算思維的強化。

（四）師生互動，分享反思

在實際教學中，班級里每個學生對于信息技術的學習能力及對計算機基礎知識的掌握程度各不相同，甚至存在明顯的差異。這種差異使得學生在課堂教學中接收到的知識及信息也不盡相同。在每節課教學內容結束后，教師應以復習的形式總結問題，引導學生反思項目探究過程中存在的問題，并思考解決方案，從而不斷提升學生的計算思維。在“人工智能聲控燈”項目探究活動結束后，教師可以引導學生繪制本次項目的結構圖，利用流程圖對人工智能聲控燈開關程序進行分解：如果有“關”的語言，燈會關閉；如果有“開”的語言，燈將打開。學生通過認真觀察流程圖，可以將問題解決轉變為計算機程序設計，使自身的邏輯思維更加清晰。同時，教師可以讓學生根據流程圖進行演練與測試，在測試中尋找問題，并討論解決的方法，培養學生的思維能力。此外，在繪制結構圖的過程中，教師應及時向學生提問，例如：語音助手這個項目可以分為哪幾部分，每部分的主要內容是什么；針對聲控開關燈抖動的問題，最好的處理方式是什么；在生活中，還能設計哪些語音交互方面的程序。這些師生問答，既增強了課堂中師生互動的效果，又對本堂課的知識進行了總結，加深了學生對“人工智能聲控燈”中所學知識的理解。此外，教師應積極鼓勵各小組學生向其他組分享自己的制作思路及在制作過程中遇到的問題，并對項目的不足之處進行反思，使得學生高效地掌握“人工智能聲控燈”這一課所學的知識，為其計算思維的培養奠定基礎。

當下是信息技術迅猛發展的時代，也是人工智能廣泛應用于日常生活的時代。人與計算機之間的交流越來越緊密，而計算思維則是實現未來人機深層交流最基礎的思維能力。因此，作為初中階段信息技術教育者，教師應深刻理解計算思維的內涵，合理、科學地開展程序教學，加強學生計算思維的培養。此外，教師還需要明確問題解決與計算思維之間的關系，合理地應用基于問題解決的初中生計算思維培養策略，充分調動學生課堂學習的積極性、好奇心與求知欲，在提高學生的合作能力及自主探究能力的同時，幫助學生提升對實際問題的解決能力及計算思維能力。