指向計算思維培養的項目式學習研究

金晶

【摘 要】當前人工智能作為熱點持續被人們關注?！缎乱淮斯ぶ悄馨l展規劃》指出，應逐步開展全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程、逐步推廣編程教育、建設人工智能學科，培養復合型人才，形成我國人工智能人才高地。在這一背景下，教育如何應變？本文嘗試以“生活中的人工智能——智能分類垃圾桶”一課為抓手，巧借項目式學習，關注學生計算思維的培養，探索人工智能模塊的課堂教學實踐。

【關鍵詞】計算思維 項目式學習 主題活動課

《國家教育事業發展“十三五”規劃》指出：“從中小學做起，注重激發學生學習興趣、科學興趣和創新意識，加強科學方法的訓練，逐步培養學生邏輯思維與辯證思維的能力。研究制定中小學生科學素質標準，充分利用各類社會科技教育資源，大力開展校內外結合的科技教育活動，加強對學生科學素質、信息素養和創新能力的培養?！边@就要求中小學教育要關注學生計算思維的培養。計算思維貫穿了問題解決的過程，應包含以下特點：（1）提出問題；（2）組織和分析數據；（3）抽象、再現數據；（4）通過算法思想，支持自動化的解決方案；（5）識別、分析后，找到最有效的方案；（6）將求解過程推廣并移植到更廣泛的問題中。中科院院士陳國良則提出計算思維是以計算為核心，同時還包括抽象、設計、自動化、通信、協作、評估、記憶等一些層次概念。計算思維能力集中體現了知識時代對人才素質提出的新要求，是適應知識時代發展的關鍵能力。

計算思維作為信息技術學科的核心素養之一，要如何培養？它不是教師“教”出來的，而是學生自己“學”出來的。只有把教師“灌輸”“填鴨”式的“教”轉變為學生自己的“學”，通過自我構建，深度學習才會發生，計算思維才能得到發展。如何將這些要求落實到日常教學之中，這需要找到一個合適的抓手，項目式學習應運而生。項目式學習以高階目標為導向，通過在真實的情境中開展一系列活動，讓學生親歷問題解決的整個流程，從而實現對學生計算思維的培養。因此，筆者基于蘇科版信息技術六年級教材中人工智能模塊，梳理重構教材內容，以“生活中的人工智能——智能分類垃圾桶”這一主題活動課為例，通過雙師課堂的形式，開展項目式學習實踐研究。本項目的設計包含教師活動、項目實踐、學生活動以及思維活動四個模塊，具體流程如圖1所示。

一、創設生活情境：營造計算思維生發的場域

信息技術課程內容應該具有綜合性，能夠超越封閉的單一學科知識體系和固定的課堂教學時空局限，與其他學科課程融合起來，面向學生的生活，幫助學生建構對世界的完整認識。能夠激發學生學習內驅力的情境應當源于真實世界中存在的問題，這種情境可能會涉及多學科領域的內容，觸發學生使用信息技術手段解決生活中存在的問題，在解決問題的過程中鍛煉思維、提升能力。

項目式學習是基于真實情境和問題的，“垃圾分類”就是現實世界中的問題，且與學生生活密切相關。學生在這節課的收獲是直接鏈接生活的，屬于有意義的學習，也是本節課項目設計的出發點。在前面的學習中，學生已經初步掌握了一種人工智能平臺軟件的使用，并可以進行簡易的程序搭建。以智能分類垃圾桶的物化為載體，對這個實例進行分析實踐，可以幫助學生將對人工智能的感受上升為真正的認識。

基于此，教師設計“垃圾分類收集前期調查表”，學生通過分組活動選擇身邊常見的場景，如學校、社區、公園，觀察其中存在的問題，并初步提出可行的解決方案。在調查中學生發現了不少問題：“許多人不知道自己扔的垃圾是哪一類。”“小區的垃圾桶只有可回收和不可回收兩種，不符合標準……”“有的人會隨意把垃圾扔進垃圾桶！”隨著垃圾分類進入“強制”時代，每一個人都不可能置身事外，每一個人都要承擔起相應的社會責任。在“生活即教育”的教育理念指導下，教師引導學生結合實際情況，借助信息技術，通過“智能分類垃圾桶”產品項目的實踐過程，讓學生體驗計算思維的工作方式，掌握基礎性人工智能產品規劃設計、創作物化的過程途徑，感受人工智能技術給生活帶來的改變和便利。

“最近發展區”理論認為，學習與發展是一種社會和合作活動，它們是永遠不能被教給某個人的。學生要在自己的頭腦中構筑屬于自己的理解。而在這一過程中，教師則扮演著促進者和幫助者的角色，指導、激勵、幫助學生全面發展。在項目式學習中教師需要轉換自己的角色與身份，如本項目，為了更好地推動項目的開展，課堂中出現了兩位教師：一位教師扮演項目指導，帶領學生歸納梳理前調結果，引入項目情境，根據發現的問題提出解決方案，進行項目規劃；另一位教師的身份則是技術指導，負責在學生具體實施的過程中幫助學生梳理流程圖、完成算法設計和實物搭建。最后，再由項目指導負責評價、總結，并引導學生對本項目進行迭代和反思。

二、搭建學習支架：助推學生思維的持續發展

在項目式學習中，借由一個完整的項目將細化的碎片活動串聯成一個層次分明、循序漸進的過程，通過創建學習共同體的形式，兼顧個性與共性，照顧到不同層次學生的需求，從而實現從低階思維到計算思維的進階。由于真實情境中的問題一般由多種要素組成，相對復雜，對于六年級學生而言具有一定的難度，為了使學生的計算思維能力在項目活動的開展中得到持續發展，教師在開發與設計項目時，還需要考慮項目的可實施性，因此學習支架必不可少。

例如，在本項目中，教師為學生提供了一份長達8頁的詳細“項目書”，其中包含6個模塊的內容：封面、前期調查表、項目說明、項目規劃、項目實施指南（包含小組成員分工說明、教師提供資料說明、算法流程圖三個子目錄）、項目評價與總結。項目模擬了一家科技環保公司，其承擔了“南京市垃圾分類收集項目”的開發和建設任務，現邀請同學們參與項目模型的設計。項目書的“規劃”與“實施”部分是學生成功完成項目的關鍵所在，“規劃”部分中學生要對自己即將制作的產品進行功能設計、材料選擇和人員分工，這是后續所有操作的前提。人員到底如何分工，每個成員負責什么，則在“實施指南”中給出明確的界定，每個學生根據自己的特點進行選擇，發揮眾人之長，有效的分工合作為后續的具體操作提供了保障。具體內容如表1、表2所示。

好的學習支架，還需要對學習活動進行細化，將每一個目標與項目活動一一對應，每個活動要有明確的活動名稱、任務目標、活動要求、評價方式等。在本項目中，學生活動一共包含多個子活動，起于課前，行于課內，止于課后。課前要實地走訪調查、學習垃圾分類知識；課內通過思考、討論、分析確定方案，開展功能設計，根據分工說明完成項目規劃，動手實踐制作智能分類垃圾桶，反思活動中存在的問題并提出改進意見；課后完成詳細的項目評價與總結報告，探索、拓展學習資源。

以“實物制作”這一活動為例，活動名稱是“搭建智能分類垃圾桶”，對應的學習目標有：（1）從生活需求出發，在對實際問題的求解中體驗人工智能的用途、原理、算法等；（2）學會使用思維導圖、流程圖等認知工具進行規劃設計、解析程序過程，并進行活動項目實踐；（3）結合人工智能平臺的常規模塊，嘗試進行創新數字化作品的創作。

任務要求有：（1）拿出材料，完成垃圾桶模型搭建和連接；（2）打開人工智能平臺軟件，完成項目書第六頁中的流程圖，編寫程序；（3）測試與調試程序。驗收標準是：（1）基于場景，垃圾桶分配合理；（2）垃圾桶蓋開和關穩固流暢；（3）垃圾桶智能功能成功實現。本次活動教師提供給學生的輔助資料有半成品流程圖及5個指導微視頻。對應的評價標準有：（1）合理選擇垃圾桶數量，合理利用提供的材料且沒有浪費損壞；（2）舵機擺臂連接穩固，角度設置合理；（3）腳本運行流暢。

通過上述細致劃分，有效地引導學生參與到項目活動之中，促進學生建構新知的內在結構，助推學生思維的持續發展。

三、分組合作實踐：聚焦算法，親歷問題解決過程

信息技術學科核心素養中的“計算思維”是指能夠將一個復雜的問題，利用計算思維的獨特過程，分解為多個簡單的小問題，通過分析，借助一定的工具如思維導圖、流程圖等，將思維的過程可視化，找出其中的規律，并據此培養學生解決問題的能力。計算思維的終點是問題解決，側重通過問題分解來實現目標。聚焦算法可以引導學生在分解問題、設計算法的過程中親歷問題解決的過程，在優化算法、迭代反思的過程中培養學生的計算思維能力。

在本項目的學習中，學生需要關注兩個層面的算法，第一個層面是完成人工智能程序腳本，控制對應垃圾桶蓋開關。算法設計是培養學生計算思維的核心內容，學生將之前提出的解決思路用程序語言表達出來，在不斷調試代碼的過程中，使計算機能夠順利實現自動執行。在這一環節中，學生將實現從自然語言到程序語言的轉化，教師要做的就是引導他們利用所學知識和已經掌握的方法，借助項目書和學具，進行自主探究和小組合作，在流程圖的基礎上完成算法設計和優化，在進行數據調整與程序調整的同時，還可以提出對程序功能進行迭代的設計思路。本項目中程序流程圖如圖2所示。

對于學生而言，技術實現部分是整個項目實施中的難點。因此，在項目制作階段，教師應作為技術指導給予幫助。在這個環節，學生先初步嘗試，因為他們在“觀察、搭建、操作、實踐”的時候，也是在經歷思維活動的過程。在此基礎上，教師提醒、引導學生先思考再實踐，促進學生加深對知識技能的理解，提升思維水平。

第二個層面則是通過項目書的輔助和項目實施的過程，歸納得出設計開發簡易人工智能產品的一般流程：需求（前期調研、發現問題）—設想（初步設想）—規劃（功能設計、材料選擇、人員分工）—物化（實物制作、功能測試）—迭代（完善改進）。 “智能分類垃圾桶”產品項目的實踐過程可以讓學生體驗計算思維的工作方式，掌握基礎性人工智能產品規劃設計、創作物化的過程途徑，感受人工智能技術給生活帶來的改變和便利。

整個項目的設計，包括教學流程、板書設計、項目書、學件等都以指導問題解決為目標，緊密圍繞著算法思維展開，以完成“智能分類垃圾桶”這一產品為任務線，以問題解決、計算思維的培養為素養線，以敢于質疑權威、勇于迎難而上為情感線，三條線索交織穿插，共同推動項目的開展，拓展思維的深度。項目階段劃分如圖3所示，板書設計如圖4所示。

另外，總結與反思也是項目式學習的重要環節，持續的過程性評價和全面的總結性評價相輔相成。及時開展反饋和評價可以讓學生及時掌握自己的學習狀況，并對小組活動做出有針對性的調整。學生在對學習過程進行自我監控的同時，可以鍛煉和提升計算思維。從本案例最終的課堂反饋來看，這種以項目式學習為載體，在解決問題的過程中引導學生自主學習的方式能取得較好的教學效果。

培養學生的計算思維不是讓學生像計算機一樣思考，而是讓學生學會像科學家一樣進行科學、深入、有效的思考，最終提升解決問題的能力。計算思維作為信息技術學科核心素養之一，是學生通過學科學習而逐步形成的關鍵能力，對學生的個體發展有著重大意義，作為一線教師，我們還需不斷努力，提高自身水平以滿足時代的需求。

【參考文獻】

[1]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）.

[2]田陸萍.基于高階思維培育的信息技術學科教學策略[J].教育理論與實踐，2020（35）.