技術支持下面向計算思維培養的協作學習路徑

馬瑞　江恩祈

計算思維作為一種運用計算機科學基礎概念進行問題求解、系統設計的思維方式，是國內外教育領域關注的重要議題，也是基礎教育課程改革的重要突破口。計算思維的培養不能陷入知識灌輸的泥淖，而是需要通過小組協作完成項目，實現對學生邏輯思維、問題解決、協作學習等能力的培養。然而，實際的協作學習過程中還存在一些問題：協作學習中未能充分發揮學生的主體性；學生與小組成員的深度討論、評價反思的活動較少，缺乏核心素養的提升。如何在信息技術支持下構建協作學習路徑，實現學生計算思維的培養，是本文關注的重點。

一、研究基礎

計算思維的培養注重學生通過問題迭代建構，在小組協作、深度學習過程中促進思維的培養。這要求小組成員之間通過共同協商、分解任務等方式解決問題。數字化技術為協作學習創造了良好的環境，有助于解決協作學習中學生缺乏深度討論、未能體現主體性的問題，促進深層次協作，也有助于學生應用技術更好地思考、分析和解決問題，逐步形成計算思維。

不少學者已經對技術支持下的協作學習流程做了梳理。謝幼如教授提出了包括“共享—論證—協商—創作—反思”五個部分的基于網絡的協作知識建構模型；黃雪嬌等人認為，信息化環境下的協作學習包括知識共享、知識協商、知識建構、知識集成幾個部分，構建了“四段式”協作知識建構學習流程；江毅等人也構建了包括共享觀點、論證協商、成果展示、課內小結四個部分的翻轉課堂協作學習流程。

綜上所述，技術支持下的協作學習活動需要經歷以下階段：共享觀點階段，學生在組內彼此分享觀點；論證協商階段，學生對不同的觀點進行提問、協商、論證；意義建構階段，各小組利用組員共同力量完成從資料的搜集到方案的設計到最終方案的實施；知識集成階段，學生對整個過程進行總結回顧，匯報交流集成知識。

二、路徑建構

在前人研究的基礎上，本文構建了信息技術支持下面向計算思維培養的協作學習路徑（如圖1），將計算思維的四個基本步驟（分解、識別、抽象和算法）融入協作學習的流程，以培養學生運用計算思維解決問題的能力，并在深度協作中發展他們的核心素養。在協作學習過程中，教師需要注意從情境、評價等方面提升教學的有效性。首先，教師應為學生創設一定的協作學習情境，將課堂生活化，為學生提供適當的支持和引導；其次，教師應當建立相應的規則，對小組學習活動的順利展開進行規范約束；最后，教師應留給學生更多自主討論的空間，用積極的方式對學生學習活動進行評價，引發學生對協作學習的正向態度。

（一）組建協作小組，聚焦真實問題

教師運用信息技術創設情境，并提出非良構、開放的驅動性問題，以引導學生聚焦課堂任務關注的核心問題。在分析驅動性問題后，學生需要組建協作小組，并明確角色分工和相應規則。教師可借助智慧教學平臺來開展教學，以確保協作學習的環境和資源。

（二）觀點協作共享，分解項目問題

教師與學生一起分析項目相關的原理，幫助學生活化各學科相關的先前知識，以識別、分解出可解決的項目問題，并創造良好的討論氛圍，讓學生在頭腦風暴中產生多樣的觀點。在此過程中，教師還要組織學生通過百度和知網等平臺協作搜集、篩選、整理信息，并在思維交流的基礎上制訂初步的作品方案，培養他們的問題解決能力、協作能力和創新能力。

（三）分組論證協商，抽象描述問題

教師為學生提供信息化資源，并根據分組情況對學生進行個性化指導。教師要鼓勵學生積極參與小組的協商討論，讓學生通過比較觀點間的異同來論證自身觀點。教師還應幫助學生協商形成更完善的小組觀點和方案原型，并在理解原理的基礎上選擇合適的工具，如虛擬實驗室或3D建模軟件等，將真實問題抽象為能使用數字化工具解決的具體問題。

（四）協作工程創作，協作設計算法

算法是實現自動化的關鍵，是將抽象問題轉化為程序語言自動運行的關鍵環節。該環節學生在協作知識的基礎上，選取適當的形式，將知識和方案實現出來，分工完成之前分配的任務。教師則指導學生依據抽象問題進行算法設計，并開展實踐創作。小組成員之間互相交流想法，在小組的意見中不斷優化工程設計，并利用編程軟件開展實踐創作，共同體驗完整的工程設計和技術制作流程。

（五）小組交流評價，匯聚群體知識

在設計算法并制作作品之后，學生需要對解決方案進行檢測和調試。該環節是聚集小組成員觀點、升華思維的過程。為提升學生的數字化學習與創新能力，教師應組織學生以數字化、可視化的形式呈現作品，并借助智慧教學平臺匯報作品，帶動各組成員給出詳細的評語和修改建議。學生也可以通過觀賞他人作品獲得靈感，從而完善本組作品。

（六）總結反思升華，實現拓展遷移

計算思維的歸納遷移，是指概括問題解決方案并將其應用于解決其他問題，從而培養學生運用信息技術在不同情境中解決問題的一般思路。教師對智慧教學平臺上的過程性數據進行總結和管理，將過程性評價與總結性評價相結合，引導學生反思整個協作過程和結果，發現存在的問題并及時糾正。

三、課程實施

根據圖1所示的協作學習路徑，筆者設計并實施了“智能采摘”課程。該課程實施對象為六年級學生，共有5課時，旨在研究無人農場技術，以解決農作物采摘效率低、人力成本高等問題。教師引導學生以編程技術為基礎，以智能設備為載體，設計出不同品種蘿卜的采摘和分揀方案。在自主設計和搭建智能采摘系統的過程中，學生的工程思維、計算思維和設計思維得到了提升。

智慧教學平臺具有搶答、隨機挑人、分組教學、互動提問等功能。這些功能能夠在教學全流程中幫助師生實現有趣的課堂互動、及時的學情反饋、高效的交流研討。該平臺為課程的實施創設了協作學習、探究學習的教學環境。以下是“智能采摘”課程的教學過程。

（一）真實情境引入，組建協作小組

該環節的活動內容是“智識農業——農業知識”。教師在平臺上對學生進行分組（如圖2），并提出項目核心問題：如何提高農作物采摘和分揀效率，以有效降低成本。為解決這一問題，教師創設了農業采摘的情境，引導學生了解農業采摘行業，培養他們通過科技提高農業采摘效率的意識。在教師的指導下，學生組成協作小組，并通過采訪調研、實地考察等方式開展活動，思考如何利用人工智能技術和多學科知識解決農作物采摘效率低等問題。

（二）探究新知識，觀點協作共享

該環節的活動內容是“智學新知——圖像分類知識”，體現了計算思維中問題的分解與識別。

教師為學生提供微課教學視頻、網絡檢索工具及相關網絡資源鏈接等，幫助他們將復雜問題簡化分解為容易解決的子問題。學生通過學習教師提供的視頻和網絡資源，了解圖像分類在農業采摘中的應用，借助網絡檢索等總結智能化采摘的優勢，學習圖像分類的相關原理知識，并開展圖像分類小實驗（如圖3）。之后，他們用自己的語言描述任務原理和運行規則，為問題抽象奠定基礎。

教師通過平臺的搶答、隨機挑人、投票、投屏演示等功能，引導學生分析問題，并在小組內分享觀點，從而明確小組合作要完成的任務。學生交流討論所產生的認知沖突會促使他們重構自己的觀點，并積極搜索更多的經驗和信息以完善論證。平板電腦則會實時顯示小組的討論主題，便于組內成員快速研討分析資料信息，提高效率。

（三）作品方案設計，分組論證協商

該環節的活動內容是“智慧采摘——方案設計”，旨在讓學生將真實問題抽象為能夠使用數字化工具解決的問題，對方案進行周全規劃和準確描述。

在該環節中，學生通過討論和嘗試，整合論證不同觀點，設計了智能設備采摘、智能分揀方案。在教師的指導下，學生在理解項目原理的基礎上合理選擇3D建模軟件，并根據設計方案進行硬件造型和場景地圖設計（如圖4）。學生在人工智能實驗室學習和體驗人工智能技術，并進行數據分析，明確數據與設備之間的關系。

以采摘和分揀蘿卜（胡蘿卜和白蘿卜）為例，學生需要統計農田中蘿卜的間距，借助智能設備規劃位置擺放示意圖，完成采摘蘿卜的任務；借助圖像分類和智能設備，完成分揀蘿卜的任務；在學習共同體中進行頭腦風暴，利用Xmind、ProcessOn等工具探討采摘蘿卜和分揀蘿卜的方案，并形成思維導圖。教師指導學生在集體協同知識建構的基礎上形成更為深刻的協作式知識，促進知識意義更好地重組。

（四）作品方案實施，協作工程創作

該環節的活動內容是“智造采摘——方案實施”。學生通過梳理采摘和分揀蘿卜的流程將任務分解，根據流程分析圖搭建智能采摘系統，在小組交流中優化設計方案，并通過圖形化編程控制智能設備實現相應功能（如圖5）。教師幫助小組學生依據分解的任務問題和抽象的數據表達，列出問題解決的步驟，進行邏輯組織和數據分析，在算法的基礎上進行編程實施，將抽象的問題轉化為自動運行的程序語言。

各小組組長按照小組的分工實施方案，觀察現象、記錄所需信息，形成相應的檢測報告（包括適用性、功能性、結構性等）。在方案實施過程中，教師利用網絡活動空間構建應用便捷、信息豐富、使用安全的數字化學習環境，并營造良好的團結協作氛圍，以利于各小組通過編程實現智慧采摘系統的功能。

（五）作品成果展示與拓展，小組交流評價

該環節的活動內容是“智趣分享——成果展示與拓展”。學生間交流分享成果，在評價中發現問題，在問題抽象和算法設計之后對作品進行迭代，反復調試和檢測解決方案。通過評價論證，學生提煉觀點評價作品，從而使知識建構達到新的高度。

在教學實施的過程中，學生隨時可將過程性資料上傳到智慧教學平臺中，形成小組資料庫；教師也可在平臺中發布教學資源及指南，實時監控并調整學生的學習過程。師生在平臺中隨時調用資料庫中的資源，實現學生自評、組內互評、組間互評、教師點評，對各小組方案和成果進行講解、分享、對比與互動協作，從中了解其他小組作品的優缺點、創新點、方案完成度等，促進小組間的信息交流與成果分享，提升學生的團隊協作交流能力、數學抽象能力和問題解決能力。

（六）制作過程回顧，總結反思升華

該環節的活動內容是“智學總結——總結反思與升華”。學生在教師的引導下，綜合歸納探究過程中搜集數據的過程與方法，反思自己學到的內容、對知識內容的新想法、存在的不足及改進策略，概括形成問題解決方案并將其遷移到類似的問題求解中，從而培養學生能夠在不同情境中形成求解問題的一般思路。在教學全過程當中，會形成多樣化的過程性數據（如圖6），有助于教師利用智慧教學平臺查看班級整體情況、班級學生的答題詳情分布，據此調整教學策略。該環節主要提升學生的表達能力、審美情趣和美術表現能力。

四、結語

為培養學生的計算思維，筆者構建了信息技術支持下的協作學習路徑，并以“智能采摘”課程的教學為例加以說明。建構的路徑和課程能夠充分利用信息技術支持協作學習的整體流程，在智慧教學平臺和各類數字化資源的支持下，實現了科學、數學、信息科技、藝術學科的大融合。將計算思維方法融入協作學習的每個教學環節中，能夠提高各環節的教學效果，更好地完成人工智能課程的項目活動，確保學生獲得良好的學習效果。信息技術的支持打破了生生之間、師生之間的交流障礙，促進了資源的共建共享和數據的全過程收集，達到了計算思維的培養目標。

計算思維是人工智能時代學生所應具備的核心素養，也是學生適應未來智能社會的關鍵能力。計算思維的培養離不開協作學習，而信息技術的注入和支持為協作學習營造了良好的環境與氛圍。在信息技術支持下，面向計算思維培養的協作學習路徑讓學生得以在特定組織內以協作形式共同完成學習任務，最終形成某種觀點、思想、方法等智慧產品，彰顯了信息化時代學習的“創新能力民主化”。在信息技術支持下，面向計算思維的協作教學實踐過程集中體現了以學生為中心的教學理念，能夠有效培養和提升學生的核心素養。

注：本文系深圳市教育科研專家工作專項課題“素養導向的項目式學習案例開發與評價研究”（課題編號：kyzj4p020）、深圳市教育規劃課題“面向計算思維培養的人工智能+跨學科教學模式與應用研究”（課題編號：ybzz21073）的研究成果。

參考文獻

[1] 張屹，王玨，謝玲，等.小學數學PBL+CT教學促進學生計算思維培養的研究——以“怎樣圍面積最大”為例[J].華東師范大學學報（教育科學版），2021（8）：70-82.

[2] 何旭，羅凌，彭小云，等.基于CiteSpace的協作學習研究熱點及趨勢分析[J].教育信息技術，2022（10）：35-38.

[3] 李洋洋，劉三女牙，陳增照，等.學習空間融合視域下協作學習模型構建研究[J].中國遠程教育，2022（3）：42-50.

[4] 何文濤，王良輝，朱玲林，等.智慧教室環境下協作學習的異常行為特征分析[J].中國電化教育，2020（6）：88-94.

[5] 范誼.實時測評技術支持下的信息技術技能培養效果分析[J].中國電化教育，2016（9）：102-107.

[6] 謝幼如，宋乃慶，劉鳴.基于網絡的協作知識建構及其共同體的分析研究[J].電化教育研究，2008（4）：38-42.

[7] 黃雪嬌，周東岱，董曉曉.協作知識建構學習活動對學生創造性思維的影響[J].現代教育技術，2022（3）：71-80.

[8] 江毅，何曉萍，萬昆.翻轉課堂中協作學習的效果與策略研究[J].現代教育技術，2016（3）：80-86.

[9] 宿慶，張文蘭，王海，等.面向高中生計算思維培養的信息技術課程項目式學習研究[J].電化教育研究，2022（8）：109-115.

（作者馬瑞系華南師范大學教育信息技術學院在讀博士研究生，廣東省深圳市鹽田區教育科學研究院智慧融合部部長、信息技術教研員；江恩祈系華南師范大學教育信息技術學院在讀碩士研究生）

責任編輯：牟艷娜