利用圖形化人工智能編程培養初中生計算思維的研究
——以慧編程圖形化編程教學為例

郭曉苓

天津市武清區教師發展中心 天津 301700

引言

隨著信息技術的飛速發展，移動互聯網、大數據、人工智能等新理論新技術推動了社會信息化、智能化的建設與發展，構建出現實空間與虛擬空間并存的智慧型信息社會。在智慧社會大背景下，計算思維能力將成為學生在智慧型信息社會中必備的關鍵能力之一。《普通高中信息技術課程標準（2017版）》將計算思維納入信息技術學科核心素養的四要素之中[1]。因此，在信息技術課中如何更好地培養學生的計算思維已經成為信息技術教師關注的焦點之一，也是信息技術教師急需解決的教學關鍵問題之一。本文分析了初中學生計算思維能力現狀，分析了利用圖形化人工智能編程培養初中生計算思維的優勢，并提出了利用圖形化人工智能編程培養初中生計算思維的指導策略。

1 初中生計算思維現狀分析

1.1 初中生對計算思維概念的理解程度分析

經過筆者對本地初中生調查得知，初中生對計算思維的認識大多比較陌生，知道這個概念的學生微乎其微，從這一點來看，大部分學生潛意識里沒有計算思維這個詞，所以他們也沒有意識到計算思維在自身成長過程中的重要作用。

1.2 初中生計算思維發展程度現狀分析

英國BBC概括總結了計算思維的四大組成部分：分解、模式識別、抽象與算法。下面就從這四個方面來分析初中生計算思維發展的程度。

在對學生進行題目測試的過程中，筆者發現，初中生具有一定的計算思維發展，但是卻是基于表面的比較淺顯的思維。這種淺層次的計算思維的形成主要是學生從長期數學學科的學習中習得的。首先，初中生具有一定的分解思維能力，他們能夠利用分解思維的思想將一些題目分解并求解，但這種分解思維僅限于數學學科問題，在其他問題的解決中必須通過應用、遷移才能達到培養目標；其次，初中生具有一定的抽象思維能力，在解決數學問題時，他們能夠根據已知的數據，通過公式等工具分析出最終的結果[2]；再次，初中學生具有一定的算法和評估思維能力，比如在處理“猜價格”的問題時，學生能夠利用“二分法”將問題劃分為兩個區間，然后根據“高或低”的信息提示，繼續利用“二分法”把問題范圍不斷縮小，最終快速猜出商品價格。在這個過程中，學生可以反思和判斷自己的算法是否合理或者最佳。可見，在初中階段，學生已經具有了一定的算法和評估思維。最后，初中生具有一定的模式識別能力，學生們可以利用“二分法”的規律技巧來解決上述“猜價格”問題，即便他們不知道什么是“二分法”，也已經足以證明他們具有一定規律總結、概括、遷移能力，即他們具有一定的模式識別能力。

從上述分析中，我們可以看出，初中生由于長期學習數學學科而具有一定的計算思維，但是缺少在計算機領域的科學實踐，還不能很好地在信息活動中采用計算機可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結構模型以及合理組織數據；判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案的能力比較弱；總結利用計算機解決問題的過程與方法的能力以及信息的遷移能力還比較弱。

2 利用圖形化人工智能編程培養初中生計算思維的優勢分析

2.1 易于激發初中生編程興趣，為計算思維的培養和發展奠定深厚的情感基礎

興趣是一切創新思維形成、發展及靈感迸發的源泉。圖形化人工智能編程規避了枯燥、煩瑣、抽象的程序語法，將學生帶入一個可以看得見、摸得著的虛實結合的情境世界。比如，慧編程中簡潔、直觀的圖形操作界面，集設備、角色、場景于一身，豐富的角色、場景可以隨意選擇，而且還可以盡展學生的繪畫設計才能，自主設計角色、場景，使學生盡情創作有趣的故事、游戲、動畫等，在創作中不斷習得和發展計算思維能力。慧編程中的“設備”元素，能夠對接Makeblock體系、micro:bit等很多物聯網、人工智能硬件設備，給學生提供足夠的空間去探究、實踐，讓學生在真實的情境中，盡情體驗人工智能編程的樂趣。

2.2 便于構建自主探究的學習環境，為計算思維的培養和發展提供廣闊的空間

圖形化人工智能編程大大降低了應用技術上的難度，形象直觀的圖形界面，使教師能夠輕松構建自主探究的學習環境，每個學生會“拖拽”這種簡單的技術操作，就可以進行編程設計了。可見，教師和學生都會把大部分的精力由原來的“學技術”轉移到“思維”的創新培養，而這種思維體現更多的便是計算思維。在這一過程中，學生將逐漸形成用計算機可以處理的方式進行問題分解、算法設計以及建立結構模型的能力。

2.3 便于開展主題式學習，為計算思維的培養和發展提供更為有效的途徑

圖形化人工智能編程教學中，知識、技能被融入動畫、游戲、情境故事等主題作品中，使學生在特定的主題問題或任務中逐漸習得各模塊功能的作用，理解計算機解決問題的過程，形成算法思維[3]。可見，在整個主題教學的實施過程中，強化了對學生計算思維的培養。

3 利用圖形化人工智能編程培養初中生計算思維的策略

下面分別從分解、算法、模式識別、抽象這四個方面，以慧編程圖形化人工智能編程工具為例，總結如何利用圖形化人工智能編程培養初中生的計算思維。

3.1 巧設主題問題，強化圖形對象建模，培養學生問題分解能力

主題問題的設計要根據教學內容和教學目標，結合學生的實際生活，提出教學主題大問題。然后引導學生對教學主題大問題進行系統的、整體的分析，從角色、模塊、功能等多角度對主題大問題進行分解，分解出便于解決的分問題，分問題解決了，主題大問題就解決了。

例如：利用慧編程圖形化人工智能編程軟件（虛擬）和光環板設備（現實），實現虛實結合人工智能設計案例。教師設計的主題是《我幫爸爸開汽車》，其大問題描述為：今天，爸爸生病了，他要開車去醫院看病。可是他的頭很暈，不能開車了，你能以司機的身份幫爸爸完成開車任務嗎？

教師引導學生對這個主題問題進行分析和分解：

角色是載人汽車；場景有兩個，分別是家和醫院；需要的外部控制設備是光環板。

主題大問題分解為三個功能問題：①車動：載人汽車沿直線左右移動；②變換場景：用左、右方向鍵實現場景切換；③光環板控制車動：當按下光環板按鈕，光環板向左動，小車向左走，光環板向右動，小車向右走。

通過對這個主題問題進行分析，學生們對問題的分析過程和思路就會有一個初步的了解，逐漸養成分解問題的能力。

3.2 強化圖形腳本設計，培養學生的算法思維

在問題分解后，教師可以利用圖形腳本幫助學生描述和理解解決問題的方法，即算法。在慧編程人工智能編程軟件中，教師可以采用兩種方式來設計圖形腳本：一種是算法流程圖，另一種是圖形積木有序組合圖。算法流程圖，可以幫助學生描述問題解決過程和方法，這也是在編程教學中常用的方法。圖形積木有序組合圖，是慧編程這類圖形化人工智能編程軟件中特有的功能，教師可以針對不同的角色、背景、外部設備直接拖拽選好的圖形積木指令，在不斷嘗試各類指令的有序組合、修改指令參數的過程中，完成慧編程腳本設計。例如上述案例《我幫爸爸開汽車》，其流程圖和積木塊有序組合圖分別見流程圖1、流程圖2、流程圖3和積木圖1、積木圖2、積木圖3。

圖1 流程圖1

圖2 流程圖2

圖3 流程圖3

圖4 積木圖1

圖5 積木圖2

圖6 積木圖3

腳本設計有助于對象模型建構，能夠讓學生從問題的整體和本質上找到解決思路，明確主題問題解決所需要的設備、角色以及背景，弄清設備與角色之間、設備與背景之間、角色與背景之間等的相互關系，為設計設備、角色、背景的指令、參數、執行順序提供思路，有效培養學生的計算思維。

3.3 強化規律總結、問題遷移，培養學生模式識別能力

模式識別能力是計算思維的重要組成部分之一，是在分解的基礎上，對相似的事物或者經歷進行分析，找到其規律的過程，并對規律與趨勢進行預測。例如上述案例《我幫爸爸開汽車》中，在認識光環板這一環節，教師可以通過介紹光環板的構成，引導學生進行模式識別，分析出因為光環板中集成了速度傳感器，所以可以用光環板來控制虛擬小車的運動；在主題大問題分解這一環節，教師引導學生進行模式識別，根據主題大問題的敘述，分析識別出小車運動和已經學過的角色運動程序有關聯，引導學生分析總結已經學過的知識和本節課要解決的問題的異同。學生的問題遷移、規律總結過程促進了學生積極思考，打開了學生的思維空間，增強了模式識別能力，培養了學生的計算思維。

3.4 強化清障優化意識，培養學生的抽象能力

抽象能力是計算思維的又一重要組成部分，抽象過程是一個舍棄的過程，在程序設計中，我們抽取有利于問題解決的已知因素，通過清障、優化完成新問題對的解決。例如上述案例《我幫爸爸開汽車》中，角色移動的程序設計學生已經學過，學生只需對之前所學的程序進行優化，思考如何將光環板控制和背景控制和角色運動連接起來。所以在教學環節設計的過程中，教師設計了清障環節，將角色運動的源程序直接拷貝過來，運行后沒有出現主題大問題的預設效果，引導學生思考、分析為什么沒有出現預期效果。此時，學生的探究積極性被調動，分析出原因，并對源程序進行清障、優化，最終解決問題。通過“清障”、“優化”，學生對程序設計的各個環節理解更加深入，整個程序設計更加合理，學生的抽象思維能力不斷提升。

4 結束語

計算思維是信息社會學生解決問題的關鍵素養之一，培養和發展學生的計算思維也是落地信息技術學科核心素養關鍵因素之一，借助圖形化人工智能編程，能夠有效融合計算思維思想，培養和發展學生的計算思維。