未來課堂環境下的計算思維培養策略研究

摘要：計算思維與人工智能的高契合度，使其成為人工智能時代人才必備的思維能力。未來課堂作為新型學習空間的代表，培養具有計算思維能力的學習者，應是其得以持續發展的重要支撐點。本文嘗試構建了未來課堂環境下的計算思維培養策略，充分利用未來課堂富信息技術環境，為人工智能教育相關研究提供可參考的框架。

關鍵詞：未來課堂；計算思維；人工智能；培養策略

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）22-0000-04

引言

根據人工智能對傳統行業提質增效的巨大潛力的展望，2017年國務院對我國人工智能的發展制定了綱領性的文件《新一代人工智能發展規劃》，其中提出，在教育領域應該“利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系”。[1]人工智能在教育中的融合方式主要有兩類：一類是借助人工智能技術，促進學生的個性化學習，達到精準教學的目的；另一類則是將人工智能作為學習的對象，使學生通過適切的學習策略達成了解、熟悉、掌握人工智能知識技能的目的。盡管兩種融合方式在形式上有所區別，但都可以歸納為利用先進的信息技術創設智慧化的學習環境，培養學生高效思維能力，使其能夠充分地掌握人工智能時代必備的知識與技能。其中，高效思維能力應為計算思維，智慧化的學習環境則為未來課堂。

相關概念及研究

人工智能主要指具備一定智能特征的機器，其與人類思維的連接點主要指利用計算機模仿人腦所從事的推理、證明、識別、理解、設計、學習、思考、規劃以及問題求解等思維活動，來解決需要人類專家才能處理的復雜問題。[2]計算機模擬人腦的思維活動均呈現計算的特點，因此可認為人工智能所模擬的思維活動為計算思維。未來課堂是由華東師范大學現代教育技術研究所張際平教授領銜的學術團隊所研發的一系列富信息技術學習空間。張際平教授談到未來課堂是以人本主義、互動、環境心理學等相關的理論和信息、智能、人機交互等技術為支持，充分發揮課堂組成各要素的作用，以互動為核心，構建能充分發揮課堂主體的主動性、能動性的和諧、自由發展的教與學的環境與活動。[3]筆者認為，人工智能與學習空間的深度融合是未來課堂發展的重要方向。但人工智能與教育的融合離不開計算思維的參與。在人工智能支持教育環境的創設、精準教學的開展方面，計算思維的模型建構思想能夠確保人工智能賦能教育更有結構性，使時空效應更加完備。未來課堂作為泛信息技術學習空間的發展愿景，必然會深度地融入人工智能技術，以促進個性化學習、小組協作學習、創新性學習等新型學習活動的開展。盡管關于人工智能在未來課堂中的應用研究已有一定的成果，但是至今仍未對如何在未來課堂中培養學生的計算思維能力展開相應的研究。當前，在未來課堂中與思維相關的研究主要集中在思維可視化層面，筆者認為，如何將思維可視化推進一步，研究計算思維融入未來課堂，應是未來課堂后續的重要研究內容。

培養策略建構

國際教育技術協會（ISTE）和計算機科學教師協會（CSTA）對計算思維給出了操作性的定義，主要包括（但不限于）如下步驟：

制訂問題，能夠方便使用計算機和相關工具表述問題；邏輯化地組織和分析數據；通過抽象（如模型、仿真等）再現數據；通過算法的思想（一系列有序的步驟）生成自動化的解決方案；通過識別、分析和實施iNRTuu+Olsrtpu8gMl5TZwd3p9vDSYO9me4yFaGq/3A=各種可能的解決方案，同時結合上述步驟和資源，找到最有效的解決方案；概括該問題的解決過程，并遷移到其他相關問題中。

根據上述計算思維在實際運用中的操作方案，結合未來課堂的軟硬件環境，筆者提出未來課堂環境下的計算思維培養策略，如下圖所示。該策略基于未來課堂中的創客空間、多屏環境、桌面或頭戴型虛擬現實系統及智能學習平臺等資源環境，分別從制訂問題、邏輯化組織數據、模型化再現數據、有序的學習步驟、有效解決方案和遷移能力等方面促進學生計算思維能力的培養及改進，從而滿足未來人才所應具備能力素質的要求。

1.制訂問題

根據建構主義理論，學生對新的知識或技能的正確認知，并不是由教師直接交給學生，而是需要學生通過對知識或技能實際的接觸、體驗、操作等活動，在原有認知結構上，結合教師給予的必要幫助，形成內化的、有意義的新認知結構。

未來課堂的基本理念是培養面向未來、具有主觀能動性的新時代學生群體。未來的社會是一個富信息化的社會，無論是學習工作，還是家庭生活，均深度融入信息化技術，因此，只有充分地學習信息技術知識，掌握信息技術相關技能，才能更好地適應未來社會的發展。

出于上述目的，在未來課堂中構建以建構主義為理論基礎、以信息技術為技術支撐、以學生實際動手操作為活動形式的創客空間，具有非常重要的實際意義。

未來課堂中的創客空間開展的活動主要包括教學智能機器人的開發與應用、無人機的編程與操作、3D打印的設計與產品制作等。在機器人、無人機、3D打印等學習活動中，均涉及機械的搭建、程序的開發等，未來課堂的創客空間為學習者提供資源、材料、手冊等豐富且必要的活動支持，使學生在動手操作的過程中，對自動控制、機械制作、程序設計等有一個初步的了解。創客空間的學習活動應該是以問題——如何通過機器人、無人機或3D打印等解決實際情境中遇到的問題為導向，該問題既可以是良構的，也可以是劣構的。因此，學生在創客空間中的學習活動構成了計算思維的第一步驟，即發現并制訂問題，并且，可通過制作問題陳述表單，提升對問題的表述能力。

2.邏輯化組織數據

多屏環境是未來課堂中較為獨特的形式，其主要的顯示方式是將原本較長的文檔內容，按照一定的邏輯結構，解構為既獨立又關聯的若干子內容，分別呈現在多塊電子大屏上，使學生既能把握知識的總體結構，又能從知識的各部分獲得認知，從而培養學生的結構性思維。針對學生在創客空間學習活動中發現并制訂的問題，教師可以以合理的邏輯形式將其呈現在多塊大屏上。對于有較明確解決流程的良構問題，可以采用線性的展示方式將按流程分解的子問題依次呈現在順序排列的大屏上，相鄰兩個大屏上的內容應首尾相接，以此實現清楚的線性邏輯關系。而對于沒有明確解決流程的劣構問題，可以采用星狀的展示方式，在中間的大屏上呈現問題的總體描述，在其余的大屏上對該問題的可能解決方案進行發散式呈現。一塊大屏呈現一至兩種可能的解決方案，從而形成以中間大屏為核心、其余大屏為支撐的星狀問題解決模型結構。同時，星狀邏輯呈現還可以根據問題的復雜性及大屏的數量進行一定程度的擴展，如當面對較為復雜的問題，且未來課堂中的大屏數量較為豐富時，可將總核心問題分為幾個子核心問題，子核心問題分別呈現在相距一定距離的大屏上，每個子核心問題旁邊的大屏則呈現對該子核心問題的可能解決方案，從而在擁有一定數量大屏的未來課堂中形成樹狀的問題解決環境，更大程度地延展可行的解決途徑。

使用多屏環境對創客空間制訂的問題進行分解并以合理的方式顯示，體現了計算思維操作定義的邏輯化組織數據步驟，因此，未來課堂的多屏環境有利于計算思維的呈現與培養。

3.模型化再現數據

隨著信息技術的進步，未來課堂中學生使用的個人電腦也會逐步更新，升級成可支持桌面虛擬現實系統的新型移動終端。虛擬現實中的物體，多數來源于以現實事物，對其進行一定程度的抽象，去掉冗余的部分，得到體現其本質特性的數字化模型，從而使學生更容易從直觀的角度快速形成對事物本身特征的認知。未來課堂中的桌面型虛擬現實系統是集VR與AR于一體的高性能電腦，學生戴上特制的眼鏡，手持專用定位筆，進入桌面虛擬現實系統的操作界面，以虛實結合的方式對其中數字合成的模型進行直觀的操控，以促進對現實事物的替代認知。

若要實現完全的虛擬體驗，可為學生提供頭戴式完全沉浸的VR設備，學生以身臨其境的方式對數字化的實物模型進行操控，通過具身的體驗認識模型中攜帶的實物的各種特性。未來課堂中的虛擬現實的應用，可看作是對前述需要解決的問題中可能遇到的實際情境的抽象建模，學生以某種方式（VR或AR）對該模型進行觀察與操控，從而通過把握模型的特征達到認識實際情境中現象的一種具身學習方法。此方法對應計算思維操作定義中的抽象模型化再現數據步驟。

4.有序的學習步驟

學生通過上述的三個步驟，對遇到的問題已經有了初步的解讀與探索。不過，由于學生的認知水平尚不完善，大概率對問題無法找到合適的解決途徑，此時，就需要進行相關知識的學習。未來課堂中的知識學習，可以通過智能學習平臺完成。學生在智能學習平臺上的學習活動主要遵循翻轉課堂的方式進行。教師依據學生解決問題所需的認知制作知識內容，形式可以是視頻、PPT、圖片、文獻等，并將這些學習的知識內容上傳至未來課堂的智能學習平臺課程庫。學生在進入未來課堂物理學習空間前，通過賬號登錄進智能學習平臺，自主學習教師在課程庫中發布的知識內容，實現翻轉課堂中的課前自學。為了促進學生獲得有意義的學習，教師在課程庫中提供的知識內容應有一定的難度，即內容應處于學生的最近發展區。學生在課前學習過程中難免會遇到挑戰和疑惑，學生就帶著這些挑戰和疑惑來到未來課堂的物理學習空間，在教師的指導下通過信息技術支持下的同儕互助、自主探究等方式對挑戰和疑惑進行整理與解決。課后，學生根據教師提出的建議和自己在課中開展的活動，進行深度反思，將反思的過程及收獲上傳至智能學習平臺，以此促進元認知的提升。此方式對應計算思維操作定義中的有序的學習步驟，也稱為自動化活動。

5.有效的解決方案

學生在未來課堂的智能學習平臺中，采用翻轉課堂的方式對需要掌握的知識進行學習，當學生具備了相關的知識后，就可以利用知識來解決問題。由于在創客空間中遇到的問題多數為較為復雜的問題，因此，教師可利用未來課堂環境中靈活的桌椅排列，以四至六人為一小組，采用小組協作和個性化學習相結合的方式對問題的解決方案進行討論并給出有效的解決途徑。問題解決方案的討論既可在物理的未來課堂中，也可借助智能學習平臺。在物理的未來課堂環境中，教師給每個小組分配一個大屏，每小組以角色扮演的方式利用學習到的知識，對問題各抒己見，然后由小組長將問題匯總，逐一呈現在本組所對應的大屏上。經過討論，本組確定問題的解決方案，由匯報員將本組的解決方案展示給教師及其他小組，并聽取他們的意見。未來課堂中的信息技術，為以小組協作、個性化學習等方式解決問題提供了非常便利的條件，因此，它對應計算思維操作定義中的獲得有效解決方案環節。

6.促進遷移

對于后續遇到類似或復雜程度略有提升的問題，學生能否制訂合理的解決策略，反映了學生的遷移能力是否有所提高。學生的遷移能力可以通過量化的精準測評和質變的創新作品等方式得出。精準測評是指學生登錄未來課堂智能平臺，完成結構化的試題，教師再根據答題情況計算學生的成績，這樣以量化方式得出學生的遷移能力值。創新作品則是指根據學生后續所開發設計的機器人、無人機、3D打印等信息技術支持下的新型智能作品的效能、外觀、品質等，對學生的計算思維實際運用能力給出一個質性的評價。

結語

本文從實際的未來課堂學習空間出發，基于建構主義理論，以計算思維的操作性定義為依據，開發設計了未來課堂環境下的計算思維培養策略。當前，此培養策略僅是理論意義上的推演，若要驗證其實際的效能，仍需進行充分的教學實驗，以理論與實踐相結合的方式得出該培養策略的有效性。

參考文獻：

[1]中華人民共和國中央人民政府.國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2]張劍平.關于人工智能教育的思考[J].電化教育研究，2003（01）：24-28.

[3]張際平，陳衛東.教學之主陣地：未來課堂研究[J].現代教育技術，2010，20（10）：44-50.

作者簡介：劉勉，副研究員，博士，研究方向為未來課堂、人工智能、教學模式、思維可視化。

基金項目：四川省教育信息技術研究“十四五”規劃2021年度課題“高等院校實訓教學中的精細動作自動識別研究”（立項號：川教館〔2021〕226）；四川義務教育高質量發展研究中心2023年度立項課題“智能教育境域下的小學生計算思維培養策略研究——以達州市Y小學為例”（課題編號：YWZD-2023-14）；達州市教育科研2022年度立項課題“‘雙減’背景下小學生計算思維培養策略研究”（課題編號：DZL2022032）。