人工智能時代中小學生計算思維的培養策略研究

陳英瓊 韓 笑 劉鳳娟

①陜西理工大學教育科學學院 ②陜西省漢中師范附屬小學

本文在介紹其基本概念基礎上，綜述了目前的研究現狀，分析了中小學生計算思維培養面臨的困境，并從加快專業師資隊伍建設，保障中小學計算思維教育水平；采用項目式學習法，培養中小學生形成良好的計算思維；創設實踐參與機會，提高中小學生運用計算思維解決問題的能力等方面探索促進中小學生計算思維的策略，以期為中小學信息技術教育研究提供理論參考。

隨著人工智能時代到來，數字化、信息化社會正加速向智能化社會轉變，計算思維逐漸成為新時代公民必備的基本素養。自周以真教授正式提出計算思維便掀起了一場新的教育改革浪潮。為抓住此次教育改革的機遇，我國先于2017年發布的《新一代人工智能發展規劃》文件中要求在中小學階段設置人工智能相關課程并逐步推廣編程教育[1]，即通過編程教育實現培養學生計算思維的目的。隨后在2018年《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中將計算思維作為信息技術學科核心素養[2]。由此可見，為培養能靈活應用人工智能技術的創新型人才，解除中小學生計算思維培養存在的困境已刻不容緩。

1 計算思維的概念

理解和提煉計算思維的概念是研究計算思維培養策略的基本前提。計算思維從孕育、萌芽再到成型，其概念（內涵）一直爭議不斷，各領域學者對計算思維的概念理解難以統一[3]。國外，周以真教授對“Computational Thinking” 的定義獲得的認同較多，她認為計算思維是與形式化問題及其解決方案相關的思維過程，其解決問題的表示形式應該能有效地被信息處理代理執行[4]。國內，《普通高中信息技術課程標準（2017版2020年修訂）》中對計算思維的定義比較權威，即計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動[5]。以上兩種觀點都基于問題解決視角，也是被大多數學者們接受的觀點。綜上所述，計算思維是基于算法和問題求解的一系列思維過程。運用計算思維可以把復雜問題轉化為可計算問題并實現解決方案和問題的自動化處理，是一種新的科學思維方法，為人們理解信息化世界提供了新的視角。

2 計算思維的研究現狀

為了解計算思維領域的研究熱點，文章依托中國知網平臺，以“計算思維”為關鍵詞在核心期刊數據庫中共檢索到398篇文獻，結合CiteSpace,V5.0.R1SE軟件對國內外計算思維研究內容進行可視化分析，得到計算思維關鍵詞共現圖譜（見圖1）。

圖1 計算思維關鍵詞共現圖譜

文章對排名前十的高頻關鍵詞進行統計，其詞頻與中心度分布情況如表1高頻關鍵詞中心度和詞頻所示。除過“計算思維”主題檢索詞外取排名靠前的關鍵詞分別是：教學改革、人工智能、大學計算機基礎、信息技術、信息技術課程等。其中，關鍵詞中心度最靠前的是“計算思維”，心度值為1.28，其次是“教學改革”和“人工智能”，中心度值分別為0.13和0.11。

現基于以上數據對計算思維的研究現狀簡要分析：從計算思維概念看，李廉從現代科學思維體系角度認為計算思維是人類科學思維中以形式化、程序化和機械化為特征的思維形式[6]；從教學改革看，牟琴等提出了基于計算思維的探究教學模式[7]、網絡自主學習模式[8]和任務驅動式教學模式等[9]；從人工智能看，羅海鳳等認為計算思維有助于人們理解和適應信息化社會，是人工智能時代的必備心智素養[10]；從信息技術看，任友群等通過分析國內外基礎教育改革趨勢闡述了通過信息技術課程來發展學生計算思維的重要性[11]；從編程教育看，傅騫等通過實驗研究得出圖形化編程工具和文本編程工具都可以提高學生計算思維水平的結論[12]。綜上可知，中小學信息技術正在開展以計算思維為核心的教學改革，其中編程教育是實現計算思維培養目的的有效手段，人工智能與計算思維的聯系也愈發緊密。下面，本文從計算思維培養視角切入，分析目前中小學階段計算思維培養所面臨的困境，然后提出與困境對應的中小學生計算思維培養策略。

3 中小學生計算思維培養面臨的困境

（1）國內信息技術學科專業師資緊缺，計算思維教學難以真正落實。信息技術課程是培養學生計算思維的主要途徑，但計算思維內容并未在我國信息技術教學中體現，最主要的原因是缺少既懂得計算機科學理論又有教育專業背景的教師隊伍[13]。一方面是學校在招聘信息技術教師時更傾向計算機專業學生，雖然他們精通計算機科學理論和操作，但缺少教育學基礎和教學經驗；另一方面在崗教師不了解計算思維的教學內容和教學方法，即使具備一定的教學經驗，但沒有專業指導和系統的訓練，其教學效果往往達不到預期教學目標。沒有充足的專業師資且計算思維教學無法落實，這是我國中小學生計算思維培養目前面臨的首要困境。

（2）以課堂為中心的教學方法，對學生計算思維能力的培養力不從心。我國信息技術教學大多以課堂為中心，強調學生操作技能而忽視學生的思維發展。為了達到預期的教學結果，教師在教學時通常會事先將問題的設計思路和步驟剖析出來,要求學生依據教師給定的步驟依次完成任務[14]。部分教師為按時完成教學任務會直接把問題答案或源程序提供給學生，學生把教師給出的答案稍加修改或是直接復制粘貼別人的內容就算完成了作業。這種教學方法只注重結果不注重學生思維能力發展，造成學生學習被動且效率低下。沒有合適的教學方法，教師對學生計算思維能力培養力不從心，這是我國中小學生計算思維培養目前面臨的主要困境。

（3）中小學生參與實踐的機會少，運用計算思維解決問題的能力相對欠缺。目前我國信息技術課程課時設置較少，一般一周開展一次。又因為學業水平考試的限制，教師會在有限的課時內把教學重點放在訓練學生記憶和練習考試內容上面。學生由于長期缺少在信息技術課堂上動手實踐的機會，其思維和能力開始停滯不前。其次，計算思維作為一種科學的思維方式，但不會僅限于解決信息技術學科內的問題[15]。但國內中小學校鮮有把計算思維與其它學科融合開展教學的案例，我國學者主要提倡借鑒國外STEM教育經驗，在STEM課程中培養計算思維。缺乏實踐經驗，學生基于計算機解決問題的能力不足，這是我國中小學生計算思維培養目前面臨的最大困境。

4 中小學生計算思維的培養策略

（1）加快專業師資隊伍建設，保障中小學計算思維教育水平。解決師資緊缺問題主要從兩個方面入手，一是學校通過設置相關優惠政策大力引進高質量的信息技術學科專業教師。二是對信息技術在職教師進行專業培訓。因此，本文建議采用SPOC（小規模限制性在線課程）模式開展在職教師培訓，該模式的私密性和限制性準入等特點有助于提升教師學習參與度并促進教師對編程的深度學習[16]。重點是訓練教師掌握使用計算工具解決問題的思維方式和把這種思維方式傳遞給學生的教學方法。即教師通過體驗分析問題、設計解決方案、利用計算工具實施方案、評價反思等具體環節了解計算思維的形成過程，總結計算思維的教學經驗。這種培訓方式可以在較短間內補足中小學信息技術教師的空缺，保障計算思維教學真正落實。

（2）采用項目式學習法，培養中小學生形成良好的計算思維。項目式學習是目前被普遍認可的計算思維培養法[17]，它所創設的項目活動來源于真實情境，有利于學生在參與項目過程中積極開展思維活動。文章建議基于項目式學習要素（內容、活動、情境、結果）結合計算思維概念設計教學環節[18]：①創設項目情境，激發學生的探究欲望；②設計解決方案，分析任務并利用流程圖或思維導圖設計問題解決方案；③實現算法，依據方案并利用所學知識和計算工具完成算法（程序）；④優化程序算法，學生在不斷調試程序的過程中發散思維；⑤知識遷移，學生通過評價反思總結解決問題的最優化方案，并能遷移解決類似的實際問題。項目式學習幫助學生在重復經歷使用計算思維解決真實問題的過程中逐漸形成良好的思維習慣。

（3）創設實踐參與機會，提高中小學生運用計算思維解決問題的能力。《K-12計算機科學框架》認為將計算思維融入有意義的實踐活動中，應在計算機科學實踐中關注計算思維的培養[19]。目前的信息技術課程已無法滿足學生計算思維發展的需求，因此一方面，學校可以組織以計算思維為主題的小組競賽，參照國際計算思維挑戰賽（Bebras），選擇符合本校學生計算思維能力水平的內容融入比賽中。并且把參與比賽與學生總成績掛鉤，教師自然而然也會在平時的教學中給予學生更多的實踐機會。另一方面，鼓勵其它學科教師與信息技術教師相互合作，促進計算思維與社會、語言藝術、數學與科學等課程的整合[20]。在其他學科課程中培養學生的計算思維，為學生進行知識遷移創造了有利條件。在參與大量的實踐活動中有效鍛煉了中小學生運用計算思維解決問題的能力。

隨著智能時代的發展，人們必然要學會并適應如何有效運用智能技術展開協同工作，因此從中小學生做起，聯合社會力量，加大其計算思維能力的培養，掌握有效地信息技術，提高自身競爭力，以更好地適應未來社會發展。