計算思維視角下基于項目的問題界定過程

摘要：“問題界定”是基于計算思維進行問題解決的重要過程之一。本文提出在小學人工智能項目式學習中，指向計算思維的問題界定可以通過建構情境場、問題域、知識橋三個步驟去實踐。在問題界定的過程中，學生可以進行思維的發散、抽象、分解、遷移等，從而有效訓練和提升計算思維。

關鍵詞：計算思維；問題界定；小學人工智能；項目式學習

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）15-0056-03

什么是問題界定？在麥肯錫的系列方法論中，分析問題的第一步就是界定問題。“界”，是指問題的邊界、范圍。“定”，則是指確定問題的終極目標和條件，問題的最終界定必須是明確可執行的。那么，什么是計算思維視角下的問題界定？對于這方面的研究，相關的文獻資料相對比較少。北京師范大學傅騫教授提出，問題界定是明確問題的求解內容和待實現功能，包括問題的輸入、輸出和終止條件等，計算機智能處理有明確結果或終止條件的問題，通過問題界定可判斷該問題能否利用計算機解決。[1]云南師范大學楊文正教授認為界定問題能力是指學生在教師創設的問題情境中發現問題并進行需求分析，從而區分問題邊界，明確學習任務的能力。[2]結合相關專家學者的研究，基于對《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中的計算思維定義的解讀，筆者認為計算思維視角下的問題界定是學生能夠在問題情境中發現問題，對問題進行分解、抽象和提煉，確定問題邊界，能按計算機和相關工具可處理的形式描述問題，確定任務目標，從而提升學生的計算思維能力。

問題界定的開展現狀

問題界定是計算思維過程的首個環節，也對應著項目式學習中的入項環節—項目提出。精準做好“問題界定”直接影響后續項目的開展和思維過程的發展。然而，目前“問題界定”存在以下問題。

1.任務布置式問題界定

在傳統項目式學習中，教師往往簡單地將做出項目作品等同于問題解決，沒有對問題做適當的引導，并輔助學生引入并凝練問題，而是直接將問題以任務的方式布置給學生，替代學生給出項目的任務問題，學生以完成任務為目標，做出項目作品，卻沒有真正經歷問題解決的過程，關注了項目的“做”忽視了項目的“學”。

2.情境淺表式問題界定

在當前的項目式學習中，教師雖然為學生創設了一定的問題情境，但多數情況下并沒有深入理解“情境+問題”的內涵，只表面化地在問題前添加了情境，激發了學生的興趣，卻沒有進一步引導學生圍繞情境分析問題，沒有將學生的興趣轉化為持續的探究動力。

3.指向不明式問題界定

從真實情境中的問題到計算機能解決的問題，基于信息科技學科的“問題界定”過程包含了確定問題解決要達成的目標，需要的工具、技術或手段等要素。但很多教師引導界定的問題要素不全，籠統、寬泛，沒有對問題進行深入，學生在問題界定的環節只知道項目的任務是做什么作品，卻沒有對在現有條件下用什么工具或手段做到什么程度或實現具體的哪些功能進行探討并達成一致，導致后續的項目開展方向模糊。

問題界定的策略應用

通過課堂實踐，筆者認為在小學人工智能項目式學習中，問題界定可以通過創設問題情境、組織問題鏈條、建立知識聯系三個步驟去實踐（如下圖）。下面，以小學人工智能項目“智能風扇”為例，具體說一說如何從培養計算思維的視角去界定問題。

1.情境場——引導問題界定，契合計算思維

教師在入項環節要創設豐富的生活場景，引導學生用心觀察身邊事物，激發學生解決生活問題的欲望。例如，在“智能風扇”項目中，教師引導學生根據不同的生活場景，指向問題解決，分小組討論，確定解決方案（如下頁表）。在這些方案里，有一些是不需要計算機等工具實現的，如值日生責任制、給按鈕貼醒目標簽、在按鈕旁放免洗洗手液等。而有一些是需要計算機等工具實現且更優化的方案，體現了信息技術的優勢，并且都指向了同一個目標：對風扇進行智能化改造。因此，學生確立了本項目的核心問題：對傳統風扇進行智能化改造。

2.問題域——推進問題界定，激活計算思維

當項目的核心問題被提出以后，教師要引導學生能夠分析解構問題，和學生共同提煉關鍵詞，梳理關鍵詞之間的邏輯關系，幫助學生組織問題鏈條，根據分解的子問題進一步明確項目任務。

例如，在“智能風扇”項目中，根據抽象出的項目核心問題—如何設計并制作智能化控制的風扇解決生活問題（容易忘記關風扇；接觸式按鈕不衛生；風扇按鈕控制不方便），教師和學生共同提煉出關鍵詞，梳理它們之間的邏輯關系：不同的應用場景決定了風扇的功能，風扇的功能決定了如何設計和制作。學生通過關鍵詞的邏輯梳理，對任務問題進行步驟分解：步驟1—找出不同情境所需的多種智能化控制方式；步驟2—分析每種智能方式的實現可行性；步驟3—比較可行方式的優缺點；步驟4—確定選用的智能化控制方式。然后，對分解的每一步驟列出需要解決的子問題。子問題既能體現知識發展的階段，又符合學生的認知規律，讓學生充分經歷知識的發生與發展過程。

在問題域的設立過程中，學生通過對問題的拆分解構、邏輯梳理，問題鏈條的組織，明晰問題解決的過程，充分激活了計算思維，使思維在真實問題情境的問題分解、梳理中得到了有效訓練。

3.知識橋——形成問題界定，發展計算思維

在有了對問題初步解決的想法以后，學生需要根據問題鏈條，對關鍵問題進行進一步剖析。通過對問題的需求分析，確定用計算機進行問題解決的具體工具。而具體工具的確定是在學生已有的知識經驗的基礎上完成的，因此，教師要幫助學生搭建知識橋，鏈接所學的知識，進行知識遷移，培養學生的抽象轉移能力。

例如，在“智能風扇”項目中，針對問題鏈中的“分析每種智能方式的實現可行性”，列出子問題：用什么材料制作和如何實現？教師引導學生回顧做過的類似項目，如自動感應門、智能垃圾桶、語音聲控小車等，梳理已知知識。然后，學生通過對已有知識的遷移，明確用WeDo2.0樂高套件和Kittenblock軟件進行智能風扇的設計和制作，并對方案進行可行性和優缺點的分析，進一步篩選智能風扇的控制方式，明確任務目標。最終，不同小組針對要解決的不同生活問題，如容易忘關風扇、按鈕不衛生、按鈕操作不方便等，對問題進行界定。

整個實踐環節體現了計算思維的抽象、分解、評估、遷移等諸多思維能力，使學生的計算思維得到了充分的鍛煉。

問題界定的發展提升

問題界定不只是存在于一個項目的起始環節，事實上，它應貫穿整個項目，既可在情境創設中培養，也可以在抽象建模、算法設計、應用拓展等各環節中得到進一步發展。在抽象建模中，學生明確問題的輸入、條件和輸出，建立模型，完善項目設計方案，將問題界定繼續具體化；在算法設計中，學生設計程序并反復測試、優化，不斷在試錯中發現問題并重新修改程序方案，強化訓練問題界定；在應用拓展中，學生面對新的生活場景，拓展問題邊界，再次去界定問題，完成作品的功能迭代，并遷移到同類型的項目中，能對同類型的項目進行新一輪的問題界定。

參考文獻：

[1]傅騫，王鈺茹.面向計算思維培養的編程教學研究[J].創新人才教育，2019（03）：47-54.

[2]楊文正.學習情境鏈創設視域下的計算思維培養模式[J].現代遠程教育研究，2021，33（05）：72-81.

[3]熊璋.義務教育信息科技課程建設的思考[J].中國信息技術教育，2022（11）：5-6.