基于計(jì)算思維的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

葉紅霞

摘要：本研究分析了人工智能選修課中DBL教學(xué)活動設(shè)計(jì)，進(jìn)而促進(jìn)高中生計(jì)算思維的培養(yǎng)，并以《專家系統(tǒng)》一課為范例，進(jìn)行了具體的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，同時，通過一學(xué)期人工智能選修課的實(shí)施，采用單組前后測實(shí)驗(yàn)，并且輔以學(xué)生訪談，探究了高中人工智能課程中DBL教學(xué)對高中生計(jì)算思維的影響。研究表明，人工智能選修課中DBL教學(xué)對提升高中生的計(jì)算思維水平，提升算法思維、問題解決能力、合作和交流技能，以及創(chuàng)造力和批判性思維能力有一定的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí);人工智能教育

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）17-0000-04

● 引言

1.高中應(yīng)培養(yǎng)人工智能意識應(yīng)對人才短缺問題

國家教材委員會發(fā)布的《全國大中小學(xué)教材建設(shè)規(guī)劃（2019—2022年）》中提到要提升教材先進(jìn)性，應(yīng)圍繞人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域編寫高校教材。[1]因此，在基礎(chǔ)教育階段，應(yīng)該滿足即將進(jìn)入高校人工智能等專業(yè)領(lǐng)域?qū)W生的需求，為他們提供知識的初步探索，為升學(xué)和個性化發(fā)展提供保障，初步培養(yǎng)人工智能意識，為大學(xué)階段開設(shè)的與當(dāng)前人工智能應(yīng)用熱點(diǎn)契合的專業(yè)做準(zhǔn)備，為人工智能領(lǐng)域大面積輸送人才做好充足準(zhǔn)備。

2.計(jì)算思維是智能化社會解決問題的重要手段

人工智能課程內(nèi)容具有明顯的計(jì)算機(jī)科學(xué)特性，計(jì)算思維是智能化社會求解問題的重要手段，可以很好地展現(xiàn)人工智能教學(xué)的內(nèi)在價值。近年來，設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)（Designed-based Learning，DBL）在各個行業(yè)和領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，它是一種以終為始的逆向思維過程，明確的結(jié)果和不明確的過程可以讓過程設(shè)計(jì)得多種多樣，學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新創(chuàng)造能力可以得到拓展提升。設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)的核心是設(shè)計(jì)，這與人工智能的學(xué)習(xí)相吻合，人工智能本質(zhì)上就是讓機(jī)器實(shí)現(xiàn)人類認(rèn)知、判斷、分析、學(xué)習(xí)等技能，也就是說人工智能就是一種設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種模仿人類行為模式與思維方式的解決方案。

● 文獻(xiàn)綜述

1.計(jì)算思維的內(nèi)涵

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而形成的正確的價值觀、良好品格修養(yǎng)和關(guān)鍵能力，高中信息技術(shù)核心素養(yǎng)主要包含四個部分（信息意識、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任），《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2021年修訂）》中提出，計(jì)算思維是指個體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動。[2]計(jì)算思維的內(nèi)涵、計(jì)算思維量表以及人工智能課程內(nèi)容對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖中第一層為計(jì)算思維的內(nèi)涵，余燕芳和李藝根據(jù)林崇德的思維三棱結(jié)構(gòu)建構(gòu)出了計(jì)算思維的三棱結(jié)構(gòu)，主要包含基礎(chǔ)能力層、專項(xiàng)能力層和思維方法層。[3]根據(jù)計(jì)算思維的三層結(jié)構(gòu)和教科版《人工智能初步》2007年）一書（的課程內(nèi)容分析計(jì)算思維與人工智能教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)系。美國國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）將計(jì)算思維分為創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作和交流技能。[4]根據(jù)ISTE的分類方式和Ozgen Korkmaz編制的計(jì)算思維問卷確定計(jì)算思維的目標(biāo)層，環(huán)繞一圈代表計(jì)算思維的訓(xùn)練是時刻發(fā)生的。

2.設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)

最早提出設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)（Design-based Learning，DBL）的是加州理工大學(xué)波莫奈分校的尼爾森教授，概念的提出為設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)的運(yùn)作表明了清晰的方向。尼爾森提出的逆向思維模型在k-12教育中進(jìn)行了推廣并實(shí)踐，獲得了較好的成效。該模型采用的是逆向思維（Backward Thinking），從結(jié)果出發(fā)，探索結(jié)果出現(xiàn)背后的原因，真正的學(xué)習(xí)不是為了完成任務(wù)，而是在設(shè)計(jì)過程中掌握核心概念，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。[5]國內(nèi)溫州大學(xué)的王佑鎂提出的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)是一種正在興起的學(xué)習(xí)范式，對設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)的社會背景、特征和理論基礎(chǔ)展開了說明，并探討了設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)的逆向思維模型學(xué)習(xí)過程和實(shí)施程序。[6]

3.高中人工智能教學(xué)

在2018年教育部新頒發(fā)的普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中將《人工智能初步》設(shè)置為選擇性必修科目，該模塊的內(nèi)容為2學(xué)分，每學(xué)分18課時，共需36課時，而且該模塊的修習(xí)情況應(yīng)列為綜合素質(zhì)評價的內(nèi)容。[7]可以看出，在新課標(biāo)中對人工智能初步增加了綜合素質(zhì)評價指標(biāo)，為一些將來想就讀人工智能專業(yè)的高中生提供了平臺。

● 基于計(jì)算思維的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)教學(xué)活動設(shè)計(jì)

筆者基于計(jì)算思維的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)教學(xué)活動設(shè)計(jì)，參考了華中師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院張屹和王玨等人合作構(gòu)建的STEM課程DBL教學(xué)培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模型。修改后的DBL學(xué)習(xí)流程包含五個主要步驟：①理解挑戰(zhàn)，習(xí)得新知;②小組分工，明確任務(wù);③頭腦風(fēng)暴，算法設(shè)計(jì);④Python實(shí)現(xiàn)，調(diào)試修改;⑤展示評價，迭代改進(jìn)。[8]下面，筆者以《專家系統(tǒng)》一課為例，簡要闡述基于計(jì)算思維的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)教學(xué)過程。整個教學(xué)過程，從創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決能力、合作技能等方面對學(xué)生計(jì)算思維進(jìn)行培養(yǎng)。

1.理解挑戰(zhàn)，習(xí)得新知

教師活動：

①講解霍金斯的記憶預(yù)測理論，并推薦學(xué)生讀原著on Intelligence，提問大腦是如何運(yùn)作的。

②演示蘇格拉底三段論：P—凡人要死;Q—蘇格拉底是人;R—蘇格拉底要死。可以表示為（pΛQ）→R。

③講解專家系統(tǒng)概念和產(chǎn)生式規(guī)則的推理辦法。

學(xué)生活動：

①理解記憶預(yù)測理論，知道大腦是如何運(yùn)作的。

②根據(jù)蘇格拉底三段論，理解產(chǎn)生式規(guī)則的推導(dǎo)過程。

2.小組分工，明確任務(wù)

教師活動：

①演示動物識別專家系統(tǒng)和用于識別動物的產(chǎn)生式規(guī)則。

②解釋設(shè)計(jì)任務(wù)，組織學(xué)生小組分工合作完成任務(wù)。

學(xué)生活動：

①明確設(shè)計(jì)任務(wù)。

②自由分隊(duì)，選出小組長，合理分工與計(jì)劃。

3.頭腦風(fēng)暴，算法設(shè)計(jì)

教師活動：

①準(zhǔn)備測試用例和動物識別專家系統(tǒng)程序的知識庫。

②提供相關(guān)參考程序，引導(dǎo)學(xué)生頭腦風(fēng)暴，完善產(chǎn)生式規(guī)則庫。

學(xué)生活動：

①根據(jù)動物識別關(guān)鍵詞，頭腦風(fēng)暴，寫出各種動物的特征。

②完善動物識別專家系統(tǒng)產(chǎn)生式規(guī)則，并進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。

4.Python實(shí)現(xiàn)，調(diào)試修改

教師活動：

①指導(dǎo)學(xué)生用Python實(shí)現(xiàn)動物識別專家系統(tǒng)。

②通過程序填空理解核心代碼的功能。

學(xué)生活動：

①Python實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)。

②閱讀參考代碼并理解。

③程序填空，不斷調(diào)試和完善。

5.展示評價，迭代改進(jìn)

教師活動：

①安排學(xué)生進(jìn)行代碼展示和講解。

②進(jìn)行總評。

學(xué)生活動：

①小組展示代碼運(yùn)行結(jié)果。

②小組根據(jù)評分表自評和互評，并反思。

● 實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

1.問卷設(shè)計(jì)

Ozgen Korkmaz等人根據(jù)ISTE開發(fā)編制的量表進(jìn)行因子分析，最終得到了五個因子的量表，有創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決能力和合作技能。筆者采用Korkmaz編制的“計(jì)算思維量表”對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行了前后測量，評估通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算思維能力是否得到提升。量表共有29題，信度為0.822，采用了李克特5點(diǎn)量表，得分越高，表示計(jì)算思維能力越好。[9]

2.研究過程與數(shù)據(jù)分析

在學(xué)期開始和結(jié)束時，筆者組織了高二學(xué)生進(jìn)行前測和后測，具體的數(shù)據(jù)如上表所示。

由表可知，計(jì)算思維的五個因子后測均值都大于前測均值，說明人工智能課程DBL教學(xué)可以提升學(xué)生的計(jì)算思維。其中批判性思維、問題解決能力和合作技能維度p值<0.05，說明人工智能課程中DBL教學(xué)能顯著提升高中生的批判性思維能力、問題解決能力和合作技能。而創(chuàng)造力和算法思維的維度p值>0.05，但是均值都有所提升，說明人工智能課程中DBL教學(xué)對高中生的創(chuàng)造力和算法思維具有一定的提升作用，但未產(chǎn)生顯著影響。

在訪談的過程中，有學(xué)生表示在學(xué)習(xí)人工智能課程時，如果不是小組合作自主地去設(shè)計(jì)相關(guān)簡易的系統(tǒng)進(jìn)而編程實(shí)現(xiàn)，則對市面上的眾多人工智能相關(guān)應(yīng)用可能很難理解;有學(xué)生表示通過該門選修課，對人工智能有了更深的認(rèn)識，對未來是否從事相關(guān)職業(yè)有了更為清晰的目標(biāo);還有學(xué)生覺得在該門選修課中，不同于一般的傳統(tǒng)教學(xué)，通過頭腦風(fēng)暴收集小組想法，共同進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，Python實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，不斷地調(diào)試bug到最終實(shí)現(xiàn)，在這個過程中，發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的思維需要非常細(xì)致和謹(jǐn)慎，要想適應(yīng)如今的智能化社會，必須學(xué)會計(jì)算機(jī)的思考方式，這樣才能寫出更多性能好的程序，設(shè)計(jì)出更加優(yōu)質(zhì)有創(chuàng)造力的作品，推動社會發(fā)展。

● 啟示與反思

1.要有具體明確的教學(xué)支架

在人工智能概念學(xué)習(xí)和應(yīng)用體驗(yàn)過程中，涉及的領(lǐng)域非常廣，如果將大化小，從小的切入點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行學(xué)習(xí)，教師提供具體明確的教學(xué)支架，可以降低人工智能的學(xué)習(xí)難度，提升學(xué)生的興趣。所以說，DBL教學(xué)在一定程度上促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)，但提升了教師教的難度，作為信息技術(shù)教師，應(yīng)該和企業(yè)開發(fā)人員共同探討和學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)平臺。

2.發(fā)揮小組成員的最大效能

進(jìn)行小組合作，是為了發(fā)揮小組成員的最大效能，解決個人無法解決的問題。在DBL教學(xué)中，對學(xué)生的小組合作，教師應(yīng)該規(guī)劃得更為詳細(xì)，要培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行自主管理和計(jì)劃的能力，每個群體當(dāng)中需要有位領(lǐng)導(dǎo)者，對整個小組的人員分工和學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行合理安排，這樣才能發(fā)揮小組成員的最大效能，完成更多、更高質(zhì)量的作業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]描繪新時代教材建設(shè)藍(lán)圖《全國大中小學(xué)教材建設(shè)規(guī)劃（2019-2022）》發(fā)布[N].中國教師報，[2020-01-15].

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[5]Nelson.Design based learning delivers required standards in all subjects，K-12[EB/OL].https：//www.csupomona.edu/～dnelson/documents/jis_voll7_fall04.doc.

[6]王佑鎂，李璐.設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)——一種正在興起的學(xué)習(xí)范式[J].中國電化教育，2009（10）：12-16.

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[9]韓嵩.小學(xué)生項(xiàng)目式編程設(shè)計(jì)對計(jì)算思維和自我效能的成效研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2019.