基于計算思維的高中信息技術項目式教學實踐研究

陳海英

摘 要：在高中信息技術課程中，培養學生的計算思維已成為教育的重要任務。本研究以“人工智能初步”模塊為例，探索面向計算思維培養的項目式教學實踐。通過創設情境、分解任務；分析需要、設計方案；算法建模、方案實施；檢驗成效、模擬仿真等步驟，旨在達到培養學生抽象分析、設計制作、批判性思維和算法思維能力的目標。

關鍵詞：高中信息技術；計算思維；項目式教學；人工智能初步

隨著信息技術的不斷發展，計算思維作為一種重要的綜合素養逐漸受到教育界的關注。高中信息技術課程在“人工智能初步”模塊中，通過項目式教學的方式，旨在培養學生的抽象分析、設計制作、批判性思維和算法思維能力，以適應未來社會的需求。

一、“人工智能初步”中計算思維的目標要求

（一）培養學生的抽象與分析能力

在高中信息技術課程的“人工智能初步”模塊中，培養學生的計算思維是一個重要目標。其中，培養學生的抽象與分析能力是該目標的關鍵方面，通過引導學生理解和運用抽象概念，以及分析問題和現象的能力，可以幫助他們更好地理解人工智能的基本原理和應用。假設在課程中引入一個人工智能圖像識別的案例。學生需要理解圖像識別的基本原理，即將圖像信息轉化為數字化數據，并通過算法進行分析和比對，從而實現對圖像內容的識別和分類。在這個過程中，培養學生的抽象能力即將真實世界中的圖像信息抽象為數字化的數據形式，理解圖像數據與現實圖像之間的對應關系。進一步地，學生需要分析圖像識別的具體步驟和方法。他們需要掌握圖像預處理、特征提取、模型訓練等關鍵環節，以及相應的算法和技術。通過分析每個步驟的作用和原理，學生能夠逐步理解整個圖像識別過程，從而培養了抽象與分析的能力[1]。例如：學生可以分析在圖像預處理階段，為什么需要對圖像進行去噪或增強處理，以及如何選擇合適的算法進行處理。此外，學生還需要應用抽象和分析能力解決與圖像識別相關的問題。例如：給定一組圖像和相應的標簽，學生可以運用所學的抽象概念和分析方法，設計一個圖像識別模型，經過訓練后能夠自動判斷未標注圖像的內容。在這個過程中，學生需要將抽象的概念和分析的方法具體應用到實際問題中，進一步鞏固和發展他們的計算思維能力。

（二）培養學生的設計與制作能力

高中信息技術課程的“人工智能初步”模塊旨在培養學生的設計與制作能力，使他們能夠運用計算思維解決實際問題，并將其轉化為實際可操作的系統或應用。通過項目式教學實踐，學生可以獲得鍛煉設計與制作能力的機會。例如：在這個模塊中，學生可以選擇一個具體的問題，如社區垃圾分類管理，然后運用計算思維進行解析和分解。學生需要首先分析社區內垃圾分類存在的問題，然后設計一個基于人工智能的系統，能夠自動識別垃圾種類并進行分類。在這個過程中，學生需要考慮如何獲取和處理圖像數據，選擇合適的算法進行分類，設計用戶界面以及進行系統測試與優化。在設計與制作的過程中，學生將運用編程、數據處理等技能，將抽象的問題轉化為具體的應用。例如：學生可以使用編程語言創建圖像識別算法，編寫代碼實現用戶界面，搭建數據庫進行數據管理等。通過這些實際操作，學生將不僅加深對計算思維的理解，還能夠培養出系統設計、編程和實際操作的能力[2]。

（三）強化學生的批判性思維能力

高中信息技術課程的“人工智能初步”模塊旨在強化學生的批判性思維能力，使他們能夠對人工智能領域的現象、觀點和信息進行深入分析和評價，從而培養他們的邏輯思辨能力和判斷能力。在項目式教學實踐中，學生可以通過設計一個人工智能應用來展現批判性思維的培養。例如：學生可以選擇一個當前熱門的人工智能應用，如人臉識別技術，在這個項目中，學生需要不僅了解該技術的工作原理和應用場景，還需要對其中可能涉及的倫理、隱私和安全問題進行深入思考和分析。在設計過程中，學生需要考慮人臉識別技術可能存在的偏見、誤識別等問題，以及其在社會中的潛在影響。他們可以從不同的角度出發，如法律、倫理、社會影響等，對這些問題展開討論，并提出自己的看法和解決方案。通過這個過程，學生不僅能夠理解技術本身，還能夠意識到其背后可能存在的復雜性和挑戰性。

（四）提升學生的算法思維能力

高中信息技術課程中的“人工智能初步”模塊旨在提升學生的算法思維能力，使他們能夠深入理解和應用各種算法解決實際問題。通過項目式教學實踐，學生能夠在具體問題中運用算法思維進行分析和解決。例如：在這個模塊中，學生可以選擇一個實際場景，如智能交通系統，然后運用算法思維設計一個智能路線規劃系統。學生需要首先分析交通流量、道路擁堵情況等因素，然后選擇適合的算法，如Dijkstra算法或A*算法，來實現最優路線的規劃。在這個過程中，學生需要考慮算法的效率和準確性，以及如何將算法與實際地圖數據進行結合[3]。在提升算法思維的過程中，學生將學會分析問題的結構和特點，選擇合適的算法來解決問題。例如：他們需要分析交通網絡的拓撲結構，確定節點和邊的關系，然后應用圖論中的算法來進行路線規劃。

二、面向計算思維培養的項目式教學實踐

（一）創設情境、分解任務

面向計算思維培養的項目式教學實踐在“人工智能初步”模塊中具有重要意義，通過創設情境和分解任務，可以有效激發學生的興趣，引導他們運用所學知識解決實際問題，培養計算思維能力。教師在項目啟動階段要精心選擇或創設一個真實情境的問題，使學生能夠感受到問題的現實意義。以“用人工智能技術解決衛生防疫中機器人自動送餐”的項目為例，通過播放集中隔離點隔離人員急需送餐的微視頻，可以讓學生深刻理解自動送餐對于疫情防控的重要性，激發他們的使命感和責任感。學生需要根據項目情境，確定問題的目標和范圍。在這一階段，學生需要運用所學的人工智能相關知識，分析問題，并將復雜的問題進行抽象和分解，將其簡化為幾個具體的任務模塊。例如：學生可以確定“任務響應”“道路選定”“通知送達”等任務模塊，每個模塊都是解決問題的關鍵環節。接著，學生將每個任務模塊進一步分解為具體的步驟和操作，從而形成一個完整的任務流程。例如：在“道路選定”任務模塊中，學生可以分解為“地圖數據獲取”“路徑規劃算法選擇”“路徑規劃實施”等步驟，每個步驟都需要運用不同的技術和方法。在實施這些任務模塊的過程中，學生將鍛煉抽象化和分析能力，將復雜問題逐步細化，將任務模塊化，有助于學生更好地理解和解決問題。同時，學生也需要學習并應用人工智能的基礎知識和技能，如路徑規劃算法、數據獲取和處理等，從而培養設計與制作能力。為了幫助學生克服在任務實施過程中可能遇到的困難，教師可以利用微教學視頻等方式，為學生提供指導和解答。這種個性化的輔導可以幫助學生在不同層次的問題上進行自主探究，促進他們的自主學習和問題解決能力的提升[4]。

（二）分析需要、設計方案

在面向計算思維培養的項目式教學實踐中，階段二——分析需要和設計方案，是項目啟動階段的關鍵環節，在這個階段，學生小組合作，通過討論和分析來確定項目的需求，并制訂解決問題的方案。這一過程不僅培養了學生的程序性思維和信息素養，還強化了他們的知識建構和思維養成能力。教師在這一階段起到引導和監督的作用，鼓勵學生小組積極參與討論，共同分析問題，找出解決方案。以解決學生用手機掃碼簽到的問題為例，學生小組首先可以討論如果沒有手機如何進行簽到，引導學生從不同角度思考問題。接著，教師引導學生深入分析人工智能的識別模式，比較指紋識別與人臉識別等多種方案的優缺點，幫助學生理解各種技術的應用場景和限制。然后，學生小組根據討論結果，整理出各自的實施方案。各小組的方案可以涵蓋技術實現、操作流程、數據管理等方面，從而確保問題得到全面解決。例如：針對手機掃碼簽到問題，學生小組可以設計出使用人臉識別技術的方案，包括采集學生照片、建立人臉識別模型、設計簽到系統等。最后，各小組對制訂的方案進行可行性評估，學生需要思考方案的實際可行性，包括技術實現的難易程度、所需資源、可能遇到的問題等，這有助于培養學生的批判性思維，使他們能夠全面考慮問題，預測可能的挑戰并制訂解決方案。項目分析階段是項目式學習中較為復雜和關鍵的一環。在這個過程中，學生不僅需要運用所學的知識和技能，還需要培養系統性思維，將問題從多個角度進行分析和解決，教師需要密切關注學生的項目進展，及時提供指導和反饋，幫助他們克服難題，同時也為學生提供學案和學習資源，引導他們在項目分析階段的學習進程。

（三）算法建模、方案實施

在面向計算思維培養的項目式教學實踐中，階段三——算法建模和方案實施，是項目教學中至關重要的環節，在這個階段，學生將設計的方案付諸實踐，通過在真實環境或虛擬仿真環境中開展實際操作，解決問題，達成教學目標。這一階段不僅是學生計算思維能力的中高級階段，也是培養學生合作探究能力的重要時期。學生在這個階段通過實際操作和探究，將設計的方案轉化為實際應用。例如：在人工智能初步的教學實踐中，可以設計校園智能導游系統，讓學生將課堂學習中的圖像識別、文本識別等知識應用到實際場景中，實現校園導游的功能。在這個過程中，學生需要編寫代碼、調試程序，運用算法建模的知識來解決實際問題，從而深入理解和應用所學的內容。教師在這個階段扮演著引導和指導的角色。學生在實際操作中可能會遇到問題和困難，教師要及時引導，提供幫助和解答，幫助學生克服難題。教師可以組織討論和分享會，讓學生小組之間相互學習，共同解決問題，培養合作探究的能力，通過合作解決問題，學生可以互相啟發，共同進步，實現計算思維能力的提升。在項目實施的過程中，學生需要運用算法建模來解決復雜的問題。他們需要將問題分解為多個小任務，為每個小任務設計相應的算法和程序，然后將這些小任務組合起來，完成整個項目的實施。例如：在垃圾分類電子指導員的項目中，學生可以將識別不同垃圾種類的任務分解為圖像識別、特征提取等小任務，然后設計相應的算法來完成每個小任務，最終實現垃圾分類指導員的功能。

（四）檢驗成效、模擬仿真

面向計算思維培養的項目式教學實踐，涵蓋了項目作品或設計方案的檢驗與測試，以及模擬仿真的環節，通過模擬運行、仿真實踐，學生對項目的成效進行檢驗與驗證，同時也有助于促進學生的計算思維能力的進一步發展。學生在這一階段通過模擬運行或仿真實踐來測試他們的項目作品或設計方案。例如：在機器人智能巡線的項目中，學生可以使用虛擬仿真軟件模擬機器人行走的過程，觀察機器人是否能夠按照預期路徑行走，是否能夠正確識別巡線的標志等。通過實際操作，學生可以發現項目中存在的問題或不足之處，從而為進一步改進和優化提供了基礎。學生在模擬仿真的過程中需要分析項目的流程和算法，進行反思和調試。他們需要仔細檢查每個環節的設計和實現，確認是否存在邏輯錯誤或漏洞。例如：在車牌識別應用的項目中，學生需要檢查識別算法是否能夠準確識別不同車牌的字符，是否能夠應對各種光照和角度變化等情況。通過這種分析和反思，學生可以進一步完善項目的功能和性能。同時，這個階段也促使學生從最初的設計方案出發，進行檢驗和驗證。學生可以根據實際模擬結果，對最初的設計進行評估，看是否達到了預期的效果。如果存在不足或問題，學生需要針對性地進行改進和優化，以提高項目的質量和實用性。在項目實踐中，人工智能技術的應用實例能夠有效培養學生的算法抽象分解與概括的思維能力。例如：在搭建路徑搜索應用的項目中，學生需要將復雜的路徑搜索問題分解成多個子問題，設計相應的算法來解決每個子問題，然后將這些算法整合起來，實現完整的路徑搜索功能。通過這個過程，學生不僅鍛煉了算法思維，還培養了對問題的分析和解決能力。

（五）展示評估、優化遷移

面向計算思維培養的項目式教學實踐，即展示評估和優化遷移階段，是整個項目學習過程的收尾和總結階段，在這個階段，學生通過展示自己的學習成果，進行作品的評估和優化，進一步培養了綜合實踐和高階思維能力。學生通過展示自己的項目作品，將他們的解決方案和成果展示給其他小組成員。例如：對于一個校園智能導游的項目，學生可以扮演游客和導游的角色，演示導游機器人如何根據游客的需求提供信息和導航，展示項目的功能和實用性，其他小組成員可以提出問題，進行互動，從不同角度評價作品的優劣和創新之處。這種展示和評估的過程促進了學生之間的交流和合作，同時也讓學生將他們的想法和成果呈現給更廣泛的受眾。學生在接受其他小組的評價和建議后，可以針對性地進行調整和完善，以提升項目的質量和效果。例如：如果其他小組提出了關于機器人導游語音交互的建議，學生可以在項目中加入更多的語音交互功能，使導游機器人能夠更好地與游客進行溝通。這種反饋和改進的過程培養了學生的創新能力和問題解決能力。

結束語

學生通過創設情境、分析需要、設計方案、算法建模等環節，不僅掌握了相關知識和技能，還培養了解決問題的能力和創新思維。因此，項目式教學在高中信息技術課程中具有重要意義，有望在推動計算思維教育方面發揮更大的作用。

參考文獻

[1]李華，張偉.高中信息技術課程中計算思維培養的實踐與探索[J].信息技術教育，2021（3）：12-15.

[2]王芳，劉鑫.項目式教學在高中人工智能教育中的應用研究[J].現代教育技術，2022（2）：20-25.

[3]陳靜，楊陽.計算思維培養對高中學生綜合素質的影響研究[J].高中教育，2023（5）：30-34.

[4]黃建，徐明.項目式教學在信息技術課程中的應用與效果分析[J].科技教育導刊，2020（8）：45-49.