面向計算思維培養的人工智能教學模式構建與實踐

曹楊璐 謝忠新

近幾年，計算思維在教育領域越來越受關注。國際教育技術協會（ISTE）、計算機科學教師協會（CSTA）都在研究計算思維如何進入中小學，在我國，計算思維已納入了信息技術學科的核心素養。把計算思維融入中小學人工智能課程，能更好地幫助學生理解和掌握信息科學的核心本質，培養學生選用電腦計算手段解決問題的意識。

我們認為計算思維是一種問題解決的方式，當我們面對一個問題時，首先把問題進行拆分（分解），再找出每一個小問題之間的相同點和不同點（概括），通過把各個小問題抽象，找出形成問題的一般規律（抽象），然后找出形成原因并對類似的問題提供逐步解決的方法（算法思維），最后通過對比分析，確保這個問題的解決方法是最優的解決方法（評估）。

當下教育缺乏培養創新型人才的意識和方法，在人工智能時代，不僅需要強調高階認知能力的培養，更加需要增加和突出計算思維的培養。

教學模式構建

面向計算思維培養的中小學人工智能項目式教學模式構建是基于建構主義學習理論的，建構主義[1]認為知識是學習者在一定的情境下，借助他人，利用必要的資料和工具，通過積極的建構來獲得。模式中的項目式學習過程，學生不是獨立的學習，是在教師的組織與引導下，積極主動地探索并完成任務，對知識進行學習，通過創設任務情境中問題解決來完成能力發展的意義建構，這和建構主義學習理論是相切合的。

面向計算思維培養的中小學人工智能項目式教學模式主要是以項目式學習方式呈現，是面向解決問題的教學，結合人工智能知識，設計具有現實意義的項目，包含項目情境、人工智能知識點，完成項目的學習支架。通過教學引導，學生自主探究，最終學生完成項目，提交項目作品。在項目學習中學生潛移默化地完成感知人工智能→理解人工智能技術→應用人工智能技術→創造人工智能這一學習過程。

人工智能項目教學的實施過程主要有項目需求分析、制定實施方案、方案中所涉及的新知探究、作品方案實施、作品展示交流、評價總結、拓展提升。在完成項目任務中提升學生的知識與技能，發展學生的自我探索能力及計算思維能力。

面向問題、制定方案并解決問題的過程，是培養學生計算思維的過程，學生將大的任務分解到可操作的小的任務，然后再逐個解決，根據項目的需求組織所學的知識來設計最優的項目解決方案并實施，這個過程中涉及計算思維的分解、抽象、概括、算法思維、評估等能力的培養。

人工智能項目教學中，教師在項目實施的各個環節進行計算思維的引導，在每個階段給予適當點評，激勵學生，培養學生的創新意識、問題解決能力。在項目式教學的各個環節中最大限度地對學生進行計算思維的培養。

實踐探索

以初中人工智能的項目實踐課“智能語音電話簿的設計與制作”為例進行面向計算思維培養的人工智能項目式教學實踐，如圖1。目的是通過項目式學習，讓學生在體驗人工智能語音識別相關技術實現過程的同時，能用語音識別技術、計算思維的思想解決現實生活中的問題，提高學生的計算思維、合作能力、交流能力等核心技能，在學習中感受科技給人類生活帶來的便捷。

1.任務驅動

項目是智能語音電話簿的制作，教師給出項目情境和學習支架：編程工具App Inventor[2]是采用模塊拼接方式快速開發移動應用的設計工具，可以培養中小學生的計算思維能力。

2.人工智能項目教學實施

（1）需求分析。學生明確需要實現這個項目的功能之后，教師讓學生把任務逐個分解，然后對每一個小的任務逐步解決。根據計算思維的解決問題的方法，分解的思想可以幫我們把復雜的問題或任務分解成更小的任務和問題，便于解決問題。

（2）方案制定。對項目任務進行分解之后，教師讓學生聯系日常生活中手機應用程序的使用經歷，通過對任務的分解，進一步確定產品的核心功能。并概括出平時解決類似問題的經驗與方法，根據經驗給出解決這個問題的方法。

在產品設計階段，教師要求學生根據前期分析的產品功能，設計產品的顯示界面，體現各功能要素。根據產品的設計目標和功能，將產品開發分解為不同的模塊，明確各個模塊之間的相互關系，并畫出系統總體方案的流程圖。產品設計體現計算思維的抽象思想，把一個項目的重要模塊提煉精簡，排除掉相對次要的信息，抽象制定出解決方案的總體流程圖。

（3）新知探究。確定方案中的主要新知是語音識別技術之后，學生主動探索，教師提供語音識別技術相關資料進行學習，在學習過程中引導，讓學生知道語音識別技術的概念、原理以及用途等。通過體驗技術、探究技術進行知識的探究與學習。

通過學生探究，教師引導，學生對語音識別技術有一定的認識。教師通過多種材料以通俗易懂的語言引導學生理解語音識別技術及原理，通過生活中的應用讓學生感受語音識別技術的作用。這個過程中用到計算思維的分解、概括、抽象、算法及評價等方式。

（4）方案實施。在前期產品需求分析與設計的基礎上，確定完成這一項目所選用的編程工具App Inventor進行產品開發實踐。

教師讓學生討論操作，根據前期設計的產品界面草圖，在App Inventor中選擇恰當的組件，并設置組件的屬性，完成界面設計。根據產品流程圖體現的算法，在App Inventor中完成產品的程序編寫。

完成算法的編寫之后，查看運行效果，認真調試、修正錯誤，并仔細觀察，記錄調試過程中遇到的問題和解決方案。

在這部分，教師訓練的是學生計算思維中的算法思維，算法思維是一種通過明確定義的步驟來解決問題的方法。學生根據上一步的流程圖，寫出產品需要執行的每一步的詳細指令，從而實現作品的功能。

（5）作品展示與交流。項目實施完成后，每個小組需要把作品向全班同學展示與交流，用演講的方式，介紹自己小組制作的作品。教師可以建議學生在介紹作品時關注5W的理念，介紹產品的過程，也是任務分解的過程，把團隊演講內容分解成小的詳細的部分，通過作品展示與交流，讓學生感受到自己設計的作品應用到生活環境之中，體現設計服務于生活的理念，以此讓學生體會用自己的手創造美好生活的意義。

（6）項目評價與反思。這個環節主要體現計算思維的“評估”。不僅對小組作品進行評估，還要對整個項目的實施過程進行評估。教師可以對照最初設定的學習目標，對個人以及集體的知識和能力發展情況進行評估，并結合后續的教學設計，給出有針對性的發展建議和指導。

（7）拓展提升。在完成項目作品的基礎上，教師可以適當拓展項目內容，學生也可以創新作品功能，拓展項目任務，學生按照解決上一個項目“智能語音電話簿”的方法來進一步進行探究，解決更深層次的問題，體現計算思維概括的思想。

“智能語音電話簿的設計與制作”這個項目很好地融合了人工智能的項目教學和計算思維思想，在項目實現的過程中，計算思維的分解、概括、抽象、算法思維和評估這五個方面都有很好的體現，學生在學習過程中也相對輕松，作品也是有序的完成。通過本節課的學習，學生在潛移默化中學會用計算思維的思想解決問題，相信在面對類似的項目時，會用概括的思想，基于本次的方法來解決問題。

人工智能教學中計算思維培養的幾點思考

（1）初中人工智能教育不是簡單的體驗教育。面向計算思維培養的人工智能項目式教學的優勢和重要性毋庸置疑。根據初中學生的學習認知情況，大部分初中學生可以通過簡單編程教學，控制設備產生一個條件控制變化，所以這個階段的學生僅僅體驗人工智能的功能是不夠的，學生需要在體驗的基礎上，理解人工智能的基本原理，學會使用人工智能相關技術。讓學生不僅要知其然，還要知其所以然。

（2）在人工智能項目式教學中培養計算思維需要不斷探索教學模式。在當前信息技術不斷發展的社會中，教學不能將簡單的知識傳授作為最終目的，而是應該將重點放到培養學生主動探究問題的動機和思路上，這需要教師在實踐中不斷探索人工智能學科中計算思維培養的新模式，讓學生知道自己在學什么，需要學習什么，面對問題怎么解決，讓抽象的計算思維實實在在地落實到解決問題的過程中去。

（3）教師應時刻為人工智能教育做好準備。技術是為人服務的，技術的作用是使用工具幫助學習者提高學習的效率。教師應積極接納和使用技術，而不是將技術視為威脅或障礙。作為教師，需要時刻保持學習的熱情，與時俱進，掌握豐富的人工智能知識，不斷提高自身的科研能力和教學水平，為學生帶來更加優質的學習體驗。人工智能時代的教師不僅需要掌握學科專業知識和教學方法，還應具備整合人工智能能力的“數字素養”，以具備與人工智能設備打交道的能力。

從人工智能的項目教學實踐可以看出人工智能項目問題求解所涉及的步驟和計算思維的要素有一致性，人工智能的教學案例可以較好地融合計算思維的思想，這種求解問題的方式能吸引學生更為積極地去探索，這個求索的過程使計算思維內化成一種思維習慣，成為學生的一種基本的學習能力與解決問題的方法。教師應該在實際教學中，注重學生計算思維的培養，并貫穿于課堂的理論教學和實踐教學中，進一步提升學生的學科素養及創新能力。

注： 本文系上海市第四期“雙名工程”課題“面向計算思維培養的中小學信息技術項目學習實踐研究”的研究成果

參考文獻

鐘志賢. 建構主義學習理論與教學設計[J]. 電化教育研究，2006（5）： 11-17.

郭守超，周睿，鄧常梅. 基于App Inventor和計算思維的信息技術課堂教學研究[J]. 中國電化教育，2014（3）：91-96.