深議項目式教學中提升學生計算思維的有效策略
——以高中人工智能課程為例

江蘇省前黃高級中學 朱靜艷 鄭 霞

以《人工智能初步》教材規劃的知識體系為例，基于計算思維的高中人工智能課程主體結構主要包含六部分：面向對象思想與管理理念、信息安全與規則、系統開發與工程需求、網絡交互思想與合作、系統設計和實際制作、互聯網世界運營規則等。設計相關項目式教學活動，應主動迎合上述課程結構的核心內容。

一、計算思維的主要概述

現如今，計算思維已經得到全世界的高度重視，但是對計算思維的研究主要從不同層面展開分析，使關于計算思維的內涵界定還沒有達成統一。著名的周以真教授將計算思維認為是利用計算機科學的主要概念，通過問題求解、系統規劃、人類行為理解等方面計算機科學之廣度的有關思維活動。為了便于理解，此教授也把計算思維定義成形式化問題與解決方案有關的思維過程。簡而言之就是利用約簡、嵌入、轉化、仿真等方式，將看似難度很高的問題，解釋成問題怎樣化解的方法。同時，計算思維的基本特點包括非刻板的主要技能、非計算機思維、注重思想并非人造物、面向所有群體與地方、數學思維與工程思維相互融合、概念化等。

除此之外，我國著名的科學院院士陳國良把計算思維稱為構造思維，認為計算思維主要將設計與系統結構作為特點，把計算機科學當作代表，利用計算概念，進一步解決實際問題、設計系統、理解人們行為的主要手段。計算思維主要包括數學思維、工程思維、科學思維，具有抽象化、自動化的顯著特點。在科學教育層面，把計算思維當作STEM學科人才需要擁有的一項基本素養。譬如，部分學者基于科學的計算方法論的層面，認為計算思維的基本屬性包括抽象思維、模擬思維以及自動化思維，而與之相對的數學實踐主要以建模和模擬、數據采集和數據分析以及系統性思維為主。

二、開發計算思維的實際困難與典型應對策略

1.造成計算思維融入教育事業發展困難的根本原因。

由于信息科技發展歷史時間不長，屬于高新型科技產業，技術體系結構具有優化更替速度快的鮮明特點；相關科學領域中包含的實用性技術教學課程與經典科學理論教學科目更迭頻率較快，致使我國信息科技等有關課程教學尚處于起步階段。如何構建突出實踐與搞好理論基礎的教學系統，業已成為信息科技教育面臨的創新難點與課題。

2.解決開發計算思維困難的經典策略。

依據計算思維培育的可操作性，通過借鑒知名專家詹姆士·格雷有關挖掘計算思維觀點的核心內容，將構筑計算思維實踐過程分為三部分：第一，針對問題的提出或表述，能否使用簡潔明了的模型突出問題的焦點，增強處理問題的可操作性。第二，羅列問題的應對措施、設計詳細周密的問題應對方案，每一關鍵解決步驟需要具有可測試性，以求準確評估方案合理性。第三，細化、分解解決措施，提升處理方案步驟的實用性，方便實際操作。計算思維重視塑造學生分析處理問題的多元化視角，結合運用時代尖端高新科技解決實際問題，進而通過不同教育階段的深入學習，深刻領會信息世界發展進步的要點與趨勢。計算思維緊密貼合素質教育宗旨，是增進學生實踐能力、發揮學生興趣特長的優良策略。

三、基于計算思維的高中人工智能課程項目式教學體系設計

1.計算思維下人工智能課程項目式教學設計需求。

憑借在學科核心素養背景下對信息科技課程開設標準的充分考量，設計基于計算思維的新型人工智能課程教學體系結構，為基層校園科學、高效開展有關教學活動提供新思路。該種體系結構下屬六種教學主題，可充分與《人工智能初步》教材相互對應，為任課教師構思項目式課程教學案例提供充分的理論標準。具體體系設計內容如下表所示：

表一 基于計算思維人工智能課程教學體系對應表

2.高中人工智能課程相應實例分析。

以《高中人工智能基礎》第二章為例：任課教師在實際教學過程中，可按相關課程設計需求制定相應課堂任務。人工智能系統發揮實際效用的核心技術是準確快速處理信息，通過算法識別以二進制為基礎的有關數據。教師可將分類識別作為本次課程的首要任務，從底層算法設計原理著手，深入了解機器識別事物全過程，基本掌握感知器學習算法，嘗試實現人工智能系統辨別變色鳶尾和山鳶尾的簡單功能。基于上述教學項目，任課老師可鼓勵學生開動腦筋，思考如何令機器具備識別花朵的能力。通過課題的方式，潛移默化發掘學生計算思維。結合教材體系規劃，帶領學生設計具有簡易識物功能的識物裝置——分類器。為使分類器正確識別兩種不同的花卉，教師可適時引入“特征”與“特征向量”的概念，并詳細介紹計算機向量運算的方法。感知器內部裝載基本算法落實后，逐步為學生介紹機器學習的核心概念，層層遞進向學生講解人工智能系統訓練的基本理念與原理。以培養學生核心素養、發掘計算思維為教學目標，深入淺出向學生引入感知器學習算法的重要內容。

四、核心素養背景下發掘學生計算思維項目式教學分析

1.基于核心素養的人工智能課程項目式教學目的。

通過分析高中《人工智能初步》教材編寫結構，界定教材中不同板塊與基于計算思維課程體系架構不同主題之間的邏輯關系，確定實施項目式教學的主要模塊，包括初識人工智能、人工智能實際應用、認識人工智能底層邏輯知識結構、機器學習初探和人工智能未來發展前景辨析等。

（1）初識人工智能模塊教學。

初識人工智能模塊旨在通過課堂教學引導學生步入人工智能世界，起協助學生入門作用。有關任課教師應重點帶領學生熟識人工智能基礎概念，教學手段可以以信息化網絡檢索為主。實際課堂教學活動中，老師需監督學生組建課堂學習小組，注重協作學習；向學生灌輸現行網絡信息安全操作規范與標準，靈活調整課程計算思維主題。

（2）認識人工智能底層邏輯知識結構模塊教學。

該教學模塊主要功能是為增進學生邏輯推理能力，需要學生具備嚴謹的邏輯思維。依靠人工對信息數據再加工，從而合理利用計算機語言與相關信息工具，解決項目式教學中布置的相關任務和問題。任課教師開展該模塊時，應注重培養學生自主設計與制作能力。

（3）機器學習初探模塊教學。

1.1.4 心肌穿孔 心肌穿孔的發生率＜1%，主要發生在右心室。心肌穿孔引起的心包填塞則是十分兇險的并發癥，也是永久起搏器植入術后最嚴重并發癥。

機器學習初探模塊具有較強的技術性與專業性，對高中階段學生綜合能力提出巨大挑戰。任課老師應全面評估學生能力與綜合素質，靈活調整機器學習初探模塊的教學難度與進度，以激發學生學習人工智能熱情為首要目的，采取相應教學措施；開展個性化教學，鼓勵學習興趣高昂并學有余力的學生，開發自身系統工程思維，獨立自主完成有關課題任務的設計制作。

（4）人工智能實際應用模塊教學。

人工智能實際運用模塊，是基于機器學習初探模塊的高層次教學活動。該模塊牽涉人工智能應用系統實際開發，要求學生具備扎實的編程能力、面向對象設計思維模式、邏輯推理能力以及系統管理能力。此類教學內容屬于高級別特色教學內容，對任課教師專業素養與學生學習能力要求較高。因此，實際開展人工智能課程時，應根據學生具體學習情況，綜合基層校園辦學理念與硬件設施條件，合理安排相應教學內容。

2.人工智能課程項目式教學案例設計。

以《人工智能初步》中機器學習板塊為例，任課教師設計此章節教學方案時，可帶領學生初步領略人工神經網絡與機器學習作為學習目的。針對相關人工智能核心技術，布置相應的項目案例供學生研究學習。以項目、任務、活動三維一體的教學架構，合理安排實際教學內容。具體任務布置如下所示：

（1）教學項目一：體驗機器學習。

教學項目一的主要內容是使學生切實體驗機器學習的重要過程，令學生充分理解人工智能領域機器學習的理論基礎與技術發展進程。教學活動可安排學生通過體驗機器學習相關游戲，真實感性地認識機器學習過程；使用淺顯易懂的數字化技術手段，加深學生對機器學習發展歷史進程的了解與感悟。

（2）教學項目二：初步認識機器學習理論原理與應用場景。

3.人工智能課程項目式任務型教學活動設計。

在《人工智能初步》的教學過程設計中，培養學生計算思維應設置具體的活動步驟，分5步走：創設情景、生成問題；設計實踐、解決問題；討論思考、研究問題；評價交流、分享成果；總結知識。

基于此，我們的任務型人工智能課程教學活動設計的活動目標則分為：知識與技能、過程與方法目標、情感態度與價值觀三個方面。（1）知識與技能的學習目標要求，學生在學習了Dobot Studior、Mixly、Xbee模塊XCTU軟件之后，能夠順暢地完成課堂布置的編程任務。如，指揮機械臂完成顏色木塊識別任務、指揮弱人工智能小車到達指定位置滯停，主要是讓學生通過VB算法與程序設計的演練學習，具備初步的編程基礎。（2）過程與方法的學習目標要求，學生要通過抽象問題、設計算法結構、評估方案結果、改善解決。如，設置機械臂的分揀與上料操作，學生要通過查看范例、實踐操作、剖析算法的結構來將機械臂功能實現。（3）情感態度與價值觀的學習目標要求，學生要形成自主學習與合作探究學習觀，讓學生感受人工智能技術的時代魅力。

任務型人工智能課程實施案例：

在真實的學習情境中，學生要利用Dobot Studio軟件編寫機械臂操作代碼，本活動在于讓學生掌握算法思想與機械臂運行原理，在6個環節中引導學生進行探究活動。

（1）設置情景，明確問題，思考算法構架。

以人工智能分揀快遞包為問題情景，明確學生需解決的問題任務，讓學生獨立思考算法構架應主要解決何種實際操作問題，并設計【學生活動探究記錄表】記錄學生活動軌跡。

（2）合作探究，分解任務，解決問題。

將快遞分揀問題細化，由小組內學生談論、合作探究分揀快遞包的流程細節，如：識別，用光電傳感器捕捉快遞包標識；抓取，機械臂如何完成上料操作；轉送，機械臂如何完成貨物傳輸。讓學生自由分配任務，編寫固定環節點位的代碼。

（3）查詢資料，觀演示例，操作機械臂。

通過微課視頻等學習資料，實際展示快遞分揀的整個問題解決過程，讓學生明白機械臂智能原理、光電傳感器的作用效能、以及傳送帶與運輸車的活動半徑與功能。

（4）繪制流程圖，構架解決方案。

流程圖是通過思維導圖的方式讓學生對整個的機械臂搬運、分揀快遞包過程進行清晰明確的圖形步驟展示，明確關鍵步驟的目標任務，在邏輯思維上掌握流程。

（5）了解原理底層邏輯。

Dobot Studio軟件編程的講解是讓學生了解編碼邏輯的基本語句結構，在對原始數據進行初始值賦能后，學生需明確分辨流程圖上的哪一步驟對應哪一個基本語句結構。

（6）合作交流，設計算法框架，完成探究活動。

小組成員需合作進行算法設計，各司其職，分四步走：賦值原始數據到機械上；光電傳感器完成識別；抓取與釋放快遞包；傳輸貨物并控制停滯點。最終完成情景問題，調試優化各程序。

信息技術作為新時代人類發展與社會進步的尖端科技，開設信息科技相關課程不僅高度響應國家素質教育號召，培養一批擁有深厚信息科技素養底蘊的創新科技型人才。項目式教學手段能夠有效提高教學工作效率，突出相關課程教育理念與特質。通過項目式教學手段與高中人工智能課程的深度融合，可大大促進學生信息科技素養持續性積累。