面向計算思維培養的項目式教學設計與應用

【摘 要】計算思維是數字時代重要的思維模式，而項目式教學能有效培養學生的計算思維能力。本文通過闡述信息技術課程與計算思維培養的邏輯關系，設計面向計算思維培養的項目式教學流程，并以高中信息技術課程“人工智能初步”模塊為例進行教學應用實踐，探索應對未來社會技術飛速發展的有效方法。

【關鍵詞】計算思維；項目式學習；高中信息技術；人工智能

【中圖分類號】G434" "【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）011-060-03

大數據、云計算等信息技術飛速發展，促進了萬物互聯及人與機器互融互通。面向智能時代，運用計算思維解決問題的能力成為當代中小學生應具備的核心素養之一。依據高中信息技術課程標準中計算思維培養目標的要求，結合高中階段“人工智能初創造”的教學內容特點，基于建構主義學習理論，實施面向計算思維培養的項目化教學成為教育領域關注的熱點。教師們要積極探索與創設真實并富有挑戰性的學習情境，促進學生積極思考、合作探索，培養學生計算思維，提升學生知識遷移能力和計算思維水平。

計算思維與信息技術課程

1.計算思維

計算思維是數字時代重要的思維模式，最初由周以真教授提出并于2011年進行再次修訂，他將計算思維解釋為抽象化問題及運用計算機設計、實施解決方案的過程中所運用的思維與方法。我國的義務教育信息科技課程標準（2022年）也指出計算思維是指個體運用計算機科學領域的思維方法，在問題解決過程中所涉及的抽象分析、建模、算法設計等思維活動。可見，計算思維就是利用計算科學的邏輯來幫助我們解決問題的思維過程和方法。

2.信息技術課程中的計算思維

在信息技術課程中培養學生的計算思維是新型人才培養的需要。學生在厘清科學技術的變革和發展脈絡的同時，能洞悉科技發展背后的思維邏輯，可以有效提升科技創新能力與意識，為成為智慧型、創新型人才打下堅實基礎。同時，培養學生計算思維也是學生適應社會智能化發展的需要。計算思維能培養學生以一種科學系統的思維方式，分析、抽象、理解、建模現實社會問題，并通過算法設計、模擬、仿真等手段，形成數字解決方案。學生面對復雜情境，運用信息科技手段探索問題解決路徑，培養了計算思維的關鍵能力，能更好地適應數字化生活的發展。再者，培養學生計算思維是信息科技課程教學改革的需要。信息技術課程新課標不僅關注學生操作技能的培養，更強調學生知識遷移能力和學科思維水平的提升，體現“科”與“技”并重。新課標要求教師面向數字化時代倡導真實性學習，引導學生重現問題情境，自主探索問題解決方案，培養學生應用信息技術手段解決問題的思維和能力。

面向計算思維培養的項目式學習

1.項目式學習

項目式學習是基于建構主義學習理論，學生在教師的引導下，從真實世界的問題出發，以解決問題為目標，合作開展實踐探索與設計解決方案，并進行成果展示的創新性學習模式。項目式學習堅持以學習者為中心，強調學生直接經驗的獲取，表現出解決問題的真實性、科學性等特點。要完成的項目來源于數字化生活環境中的真實案例，學生運用信息科技的思維和工具解決問題，使探索性活動過程與核心素養培養過程相一致，能有效地促進知識與能力的運用遷移和整合。

2.面向計算思維的項目式學習

面向計算思維的項目式學習是學生發現問題、分析問題和解決問題的過程，這一過程也是計算思維養成的過程。面向計算思維培養的項目式教學結構一般分為分析項目需求、制定項目方案、探究新知識、實施項目方案、作品展示評價等五個階段，通過分析、抽象、模塊化等的練習，培養學生的計算思維。在分析項目需求階段，在教師的引導下，學生能在真實環境中發現問題，利用對學科知識的認知和理解，抽象出問題的基本特征，在這一環節中主要培養學生計算思維的分解和抽象能力。在項目方案制定環節，學生利用數字化學習環境開展合作學習，分析問題的基本特征，初步設計問題解決模型。該環節旨在培養學生計算思維中的抽象和概括能力，提升學生分解建模與制定方案的核心素養。探究技術新知階段主要為新知識、新技能的學習環節，該環節中教師要有目的地引導學生應用教學目標中的信息科技手段、方法、工具來探索問題解決方案，使學生自主完成新知識新技能的內化，培養學生的抽象和算法能力。項目方案實施階段主要是驗證解決方案，使學生熟悉知識應用，反思問題解決的過程與方法，再次考察學生的分解與算法能力。在作品展示評價階段，注重學生的表現與評價，重點培養學生的概括與評估能力。

在項目式學習中，教師指導學生根據活動要求，層層推進，完成任務，學生的計算思維能力在潛移默化中逐漸提升。

面向計算思維培養的項目式教學實踐

高中信息技術課程標準明確指出，課程教學要基于項目式學習。本文以高中信息技術課程“人工智能初步”模塊為例，探究面向計算思維培養的項目式教學設計。

1.“人工智能初步”中計算思維的目標要求

“人工智能初步”是高中信息技術課程選擇性必修課。根據北京師范大學林崇德教授提出的“思維三棱結構”，結合“人工智能初步”的教學內容，我們梳理出本模塊中計算思維的培養目標要求。人工智能的基本概念發展史及典型應用等內容主要面向計算思維的基礎能力，重點培養學生的道德規則與安全等基本信息素養；人工智能應用案例分析、人工智能技術與算法等主要面向計算思維的專項能力，重點培養學生的抽象與分析、設計與制作的能力；人工智能發展思維相關應用及案例展示等內容主要面向計算思維的思維方法，重點強化學生的批判性思維和算法思維，提升學生的創新力、創造力。

2.面向計算思維培養的項目式教學實踐

基于建構主義學習理論，參照高中信息技術課程項目化教學模式 ，針對“人工智能初步”的教學內容，面向真實問題的抽象、分析、建模、算法設計等能力的培養，筆者實施了以下五個教學環節。

（1）創設情境、分解任務

本階段是項目式教學的啟動階段，教師通過選擇或創設真實情境的問題，激發學生興趣，引導學生運用所學的人工智能相關知識，分析并確定問題的目標和范圍，抽象具體問題并分解任務，把復雜的問題簡單化、模塊化，重點培養學生抽象、分析及模塊化等計算思維能力。例如，在用人工智能技術解決新冠肺炎疫情防疫中機器人自動送餐的項目，首先創設情境，通過播放集中隔離點隔離人員急需送餐的微視頻，強化項目的真實性與必要性，激發學生完成任務的使命感，引導學生把機器人送餐的項目具體分解成“任務響應”“道路選定”“通知送達”等任務模塊，并根據相應的任務，引導學生學習人工智能基礎知識與技能，鍛煉學生的分類、分組、統籌等有關技能，培養學生的數學與工程思維能力。在這一環節中我們使用微視頻創設情境，并利用微教學視頻解決學生學習過程中遇到的困惑，培養學生在不同層次問題上的自主探究能力。

（2）分析需要、設計方案

本階段仍屬于項目式教學的啟動階段，主要通過學生小組合作，討論分析項目需要并制定方案。這個環節是項目式學習的關鍵，也是學生程序性思維、信息素養培養的重要過程。在這個過程中，教師引導學生積極研討，用系統論的思想與方法尋找問題解決方案，從而培養學生的知識建構、思維養成以及信息技術核心素養。例如，在解決學生用手機掃碼簽到的問題時，首先讓學生以組為單位進行討論：如學生不帶手機時如何進行掃碼簽到？然后教師引導學生去分析人工智能的識別模式，比較指紋識別與人臉識別的優缺點。之后，各小組長將討論結果整理制訂實施方案，最后各組評估方案的可行性。項目分析階段是項目式學習中學生較難通過的一個環節，教師要關注學生項目進展的情況，記錄學生的表現，適當給予項目小組以建設性的反饋意見。在這一環節教師需要準備學案，指導學生的學習進程。

（3）算法建模、方案實施

這一階段為設計方案的實施階段，是項目教學最重要的環節之一。學生在真實環境或者虛擬仿真環境中開展實踐，遇到問題教師要及時引導，通過學生自主學習，合作探究，利用算法建模解決難題，推進教學目標的達成。這一環節是學生計算思維從初級階段向中高級階段邁進的重要時期，通過在情境案例中抽象概括、嘗試任務分解、復雜問題的建模、利用算法解決問題等過程，使學生的計算思維能力進一步發展。例如，在人工智能初步的教學實踐中，可以結合當地校園生活實際，設計校園智能導游、垃圾分類電子指導員、校園車輛識別系統等主題，使學生在完成項目任務的同時，也學習了人工智能的圖像識別、文本識別及目標檢測等課程知識。該環節是項目學習中較難的學習環節，對學生的學習能力有較高要求，因此教師要倡導學生小組互學，互幫互助，培養學生的合作探究能力。

（4）檢驗成效、模擬仿真

第四階段為項目作品或設計方案的檢驗與測試環節。學生模擬運行或仿真實踐，分析流程，反思算法，實驗方案，檢驗作品的成效。通過調試作品與修改方案的過程，學生反思最初設計方案的各種問題，并有針對性地進行改善，促進學生計算思維的發展。人工智能技術基礎的應用實例可有效地培養學生的算法抽象分解與概括的思維能力，如機器人智能巡線、車牌識別應用、搭建路徑搜索應用等項目實施。考慮到學生的現有知識體系結構，本環節可采用小組協作模式合作完成，教師也應對難度較高的任務進行預處理，提供程序框架、半成品或初始版程序代碼等，以降低學生的學習難度。

（5）展示評估、優化遷移

這一階段是學生學習成果的匯報與展示。各個小組派代表現場展示并講解他們的作品，其他小組對該作品進行評價。展示評估是學生以學習作品回應問題解決答案的過程，是基于友好的交互以及公平評估，也是對解決方案的改進和學習成效的反饋。展示與評估的形式可以是角色扮演、商業路演、項目招標等，以培養學生的綜合實踐與高階思維能力。在這個環節，教師還要引導學生拓展項目功能，完善項目中的不足，進行項目的總結與優化，促進學生能力的綜合應用，培養學生的知識遷移能力。

總" 結

信息技術課程標準的育人導向明確指向學生核心素養的發展，強調學生基于真實情境進行問題解決。計算思維強調學生利用跨學科知識解決復雜問題的過程與方法。項目式學習注重實踐性與參與性，關注問題解決的系統性與方法論，從真實情境出發，以學習者為中心，能有效地訓練學生的抽象分析、建模與利用算法等計算思維能力，提升學生的信息素養。在教學中，設計面向計算思維培養的項目式教學，將數字化社會所需要的高階思維能力與人工智能知識與技能的培養有機融合到課程教學活動中，要搭建面向智能時代生活的應用場景，才能更好地培養適應數字社會發展的新型人才。

參考文獻

信息化處. 為未來社會培養具有數字素養與技能的人才——義務教育信息科技課程標準（2022年版）解讀[J]. 基礎教育課程，2022（10）： 67-73.

任友群，黃榮懷. 高中信息技術課程標準修訂說明 [J]. 中國電化教育，2016（12）： 1-3.

余燕芳，李藝. 基于計算思維的項目式教學課程構建與應用研究——以高中信息技術課程《人工智能初步》為例[J]. 遠程教育雜志，2020，38（1）： 95-103.

范文翔，張一春，李藝. 國內外計算思維研究與發展綜述[J]. 遠程教育雜志，2018，36（2）： 3-17.

謝忠新，曹楊璐. 中小學信息技術學科學生計算思維培養的策略與方法[J]. 中國電化教育，2015（11）： 116-120.

作者單位：浙江杭州市富陽區職業高級中學