計(jì)算思維視角下基于項(xiàng)目的問(wèn)題界定過(guò)程

摘要：“問(wèn)題界定”是基于計(jì)算思維進(jìn)行問(wèn)題解決的重要過(guò)程之一。本文提出在小學(xué)人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，指向計(jì)算思維的問(wèn)題界定可以通過(guò)建構(gòu)情境場(chǎng)、問(wèn)題域、知識(shí)橋三個(gè)步驟去實(shí)踐。在問(wèn)題界定的過(guò)程中，學(xué)生可以進(jìn)行思維的發(fā)散、抽象、分解、遷移等，從而有效訓(xùn)練和提升計(jì)算思維。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；問(wèn)題界定；小學(xué)人工智能；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）15-0056-03

什么是問(wèn)題界定？在麥肯錫的系列方法論中，分析問(wèn)題的第一步就是界定問(wèn)題?！敖纭?，是指問(wèn)題的邊界、范圍?！岸ā?，則是指確定問(wèn)題的終極目標(biāo)和條件，問(wèn)題的最終界定必須是明確可執(zhí)行的。那么，什么是計(jì)算思維視角下的問(wèn)題界定？對(duì)于這方面的研究，相關(guān)的文獻(xiàn)資料相對(duì)比較少。北京師范大學(xué)傅騫教授提出，問(wèn)題界定是明確問(wèn)題的求解內(nèi)容和待實(shí)現(xiàn)功能，包括問(wèn)題的輸入、輸出和終止條件等，計(jì)算機(jī)智能處理有明確結(jié)果或終止條件的問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題界定可判斷該問(wèn)題能否利用計(jì)算機(jī)解決。[1]云南師范大學(xué)楊文正教授認(rèn)為界定問(wèn)題能力是指學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行需求分析，從而區(qū)分問(wèn)題邊界，明確學(xué)習(xí)任務(wù)的能力。[2]結(jié)合相關(guān)專家學(xué)者的研究，基于對(duì)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）中的計(jì)算思維定義的解讀，筆者認(rèn)為計(jì)算思維視角下的問(wèn)題界定是學(xué)生能夠在問(wèn)題情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分解、抽象和提煉，確定問(wèn)題邊界，能按計(jì)算機(jī)和相關(guān)工具可處理的形式描述問(wèn)題，確定任務(wù)目標(biāo)，從而提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。

問(wèn)題界定的開展現(xiàn)狀

問(wèn)題界定是計(jì)算思維過(guò)程的首個(gè)環(huán)節(jié)，也對(duì)應(yīng)著項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中的入項(xiàng)環(huán)節(jié)—項(xiàng)目提出。精準(zhǔn)做好“問(wèn)題界定”直接影響后續(xù)項(xiàng)目的開展和思維過(guò)程的發(fā)展。然而，目前“問(wèn)題界定”存在以下問(wèn)題。

1.任務(wù)布置式問(wèn)題界定

在傳統(tǒng)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，教師往往簡(jiǎn)單地將做出項(xiàng)目作品等同于問(wèn)題解決，沒(méi)有對(duì)問(wèn)題做適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，并輔助學(xué)生引入并凝練問(wèn)題，而是直接將問(wèn)題以任務(wù)的方式布置給學(xué)生，替代學(xué)生給出項(xiàng)目的任務(wù)問(wèn)題，學(xué)生以完成任務(wù)為目標(biāo)，做出項(xiàng)目作品，卻沒(méi)有真正經(jīng)歷問(wèn)題解決的過(guò)程，關(guān)注了項(xiàng)目的“做”忽視了項(xiàng)目的“學(xué)”。

2.情境淺表式問(wèn)題界定

在當(dāng)前的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，教師雖然為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一定的問(wèn)題情境，但多數(shù)情況下并沒(méi)有深入理解“情境+問(wèn)題”的內(nèi)涵，只表面化地在問(wèn)題前添加了情境，激發(fā)了學(xué)生的興趣，卻沒(méi)有進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生圍繞情境分析問(wèn)題，沒(méi)有將學(xué)生的興趣轉(zhuǎn)化為持續(xù)的探究動(dòng)力。

3.指向不明式問(wèn)題界定

從真實(shí)情境中的問(wèn)題到計(jì)算機(jī)能解決的問(wèn)題，基于信息科技學(xué)科的“問(wèn)題界定”過(guò)程包含了確定問(wèn)題解決要達(dá)成的目標(biāo)，需要的工具、技術(shù)或手段等要素。但很多教師引導(dǎo)界定的問(wèn)題要素不全，籠統(tǒng)、寬泛，沒(méi)有對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入，學(xué)生在問(wèn)題界定的環(huán)節(jié)只知道項(xiàng)目的任務(wù)是做什么作品，卻沒(méi)有對(duì)在現(xiàn)有條件下用什么工具或手段做到什么程度或?qū)崿F(xiàn)具體的哪些功能進(jìn)行探討并達(dá)成一致，導(dǎo)致后續(xù)的項(xiàng)目開展方向模糊。

問(wèn)題界定的策略應(yīng)用

通過(guò)課堂實(shí)踐，筆者認(rèn)為在小學(xué)人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，問(wèn)題界定可以通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、組織問(wèn)題鏈條、建立知識(shí)聯(lián)系三個(gè)步驟去實(shí)踐（如下圖）。下面，以小學(xué)人工智能項(xiàng)目“智能風(fēng)扇”為例，具體說(shuō)一說(shuō)如何從培養(yǎng)計(jì)算思維的視角去界定問(wèn)題。

1.情境場(chǎng)——引導(dǎo)問(wèn)題界定，契合計(jì)算思維

教師在入項(xiàng)環(huán)節(jié)要?jiǎng)?chuàng)設(shè)豐富的生活場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生用心觀察身邊事物，激發(fā)學(xué)生解決生活問(wèn)題的欲望。例如，在“智能風(fēng)扇”項(xiàng)目中，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)不同的生活場(chǎng)景，指向問(wèn)題解決，分小組討論，確定解決方案（如下頁(yè)表）。在這些方案里，有一些是不需要計(jì)算機(jī)等工具實(shí)現(xiàn)的，如值日生責(zé)任制、給按鈕貼醒目標(biāo)簽、在按鈕旁放免洗洗手液等。而有一些是需要計(jì)算機(jī)等工具實(shí)現(xiàn)且更優(yōu)化的方案，體現(xiàn)了信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并且都指向了同一個(gè)目標(biāo)：對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行智能化改造。因此，學(xué)生確立了本項(xiàng)目的核心問(wèn)題：對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)扇進(jìn)行智能化改造。

2.問(wèn)題域——推進(jìn)問(wèn)題界定，激活計(jì)算思維

當(dāng)項(xiàng)目的核心問(wèn)題被提出以后，教師要引導(dǎo)學(xué)生能夠分析解構(gòu)問(wèn)題，和學(xué)生共同提煉關(guān)鍵詞，梳理關(guān)鍵詞之間的邏輯關(guān)系，幫助學(xué)生組織問(wèn)題鏈條，根據(jù)分解的子問(wèn)題進(jìn)一步明確項(xiàng)目任務(wù)。

例如，在“智能風(fēng)扇”項(xiàng)目中，根據(jù)抽象出的項(xiàng)目核心問(wèn)題—如何設(shè)計(jì)并制作智能化控制的風(fēng)扇解決生活問(wèn)題（容易忘記關(guān)風(fēng)扇；接觸式按鈕不衛(wèi)生；風(fēng)扇按鈕控制不方便），教師和學(xué)生共同提煉出關(guān)鍵詞，梳理它們之間的邏輯關(guān)系：不同的應(yīng)用場(chǎng)景決定了風(fēng)扇的功能，風(fēng)扇的功能決定了如何設(shè)計(jì)和制作。學(xué)生通過(guò)關(guān)鍵詞的邏輯梳理，對(duì)任務(wù)問(wèn)題進(jìn)行步驟分解：步驟1—找出不同情境所需的多種智能化控制方式；步驟2—分析每種智能方式的實(shí)現(xiàn)可行性；步驟3—比較可行方式的優(yōu)缺點(diǎn)；步驟4—確定選用的智能化控制方式。然后，對(duì)分解的每一步驟列出需要解決的子問(wèn)題。子問(wèn)題既能體現(xiàn)知識(shí)發(fā)展的階段，又符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，讓學(xué)生充分經(jīng)歷知識(shí)的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程。

在問(wèn)題域的設(shè)立過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)對(duì)問(wèn)題的拆分解構(gòu)、邏輯梳理，問(wèn)題鏈條的組織，明晰問(wèn)題解決的過(guò)程，充分激活了計(jì)算思維，使思維在真實(shí)問(wèn)題情境的問(wèn)題分解、梳理中得到了有效訓(xùn)練。

3.知識(shí)橋——形成問(wèn)題界定，發(fā)展計(jì)算思維

在有了對(duì)問(wèn)題初步解決的想法以后，學(xué)生需要根據(jù)問(wèn)題鏈條，對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步剖析。通過(guò)對(duì)問(wèn)題的需求分析，確定用計(jì)算機(jī)進(jìn)行問(wèn)題解決的具體工具。而具體工具的確定是在學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成的，因此，教師要幫助學(xué)生搭建知識(shí)橋，鏈接所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)行知識(shí)遷移，培養(yǎng)學(xué)生的抽象轉(zhuǎn)移能力。

例如，在“智能風(fēng)扇”項(xiàng)目中，針對(duì)問(wèn)題鏈中的“分析每種智能方式的實(shí)現(xiàn)可行性”，列出子問(wèn)題：用什么材料制作和如何實(shí)現(xiàn)？教師引導(dǎo)學(xué)生回顧做過(guò)的類似項(xiàng)目，如自動(dòng)感應(yīng)門、智能垃圾桶、語(yǔ)音聲控小車等，梳理已知知識(shí)。然后，學(xué)生通過(guò)對(duì)已有知識(shí)的遷移，明確用WeDo2.0樂(lè)高套件和Kittenblock軟件進(jìn)行智能風(fēng)扇的設(shè)計(jì)和制作，并對(duì)方案進(jìn)行可行性和優(yōu)缺點(diǎn)的分析，進(jìn)一步篩選智能風(fēng)扇的控制方式，明確任務(wù)目標(biāo)。最終，不同小組針對(duì)要解決的不同生活問(wèn)題，如容易忘關(guān)風(fēng)扇、按鈕不衛(wèi)生、按鈕操作不方便等，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行界定。

整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)體現(xiàn)了計(jì)算思維的抽象、分解、評(píng)估、遷移等諸多思維能力，使學(xué)生的計(jì)算思維得到了充分的鍛煉。

問(wèn)題界定的發(fā)展提升

問(wèn)題界定不只是存在于一個(gè)項(xiàng)目的起始環(huán)節(jié)，事實(shí)上，它應(yīng)貫穿整個(gè)項(xiàng)目，既可在情境創(chuàng)設(shè)中培養(yǎng)，也可以在抽象建模、算法設(shè)計(jì)、應(yīng)用拓展等各環(huán)節(jié)中得到進(jìn)一步發(fā)展。在抽象建模中，學(xué)生明確問(wèn)題的輸入、條件和輸出，建立模型，完善項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，將問(wèn)題界定繼續(xù)具體化；在算法設(shè)計(jì)中，學(xué)生設(shè)計(jì)程序并反復(fù)測(cè)試、優(yōu)化，不斷在試錯(cuò)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并重新修改程序方案，強(qiáng)化訓(xùn)練問(wèn)題界定；在應(yīng)用拓展中，學(xué)生面對(duì)新的生活場(chǎng)景，拓展問(wèn)題邊界，再次去界定問(wèn)題，完成作品的功能迭代，并遷移到同類型的項(xiàng)目中，能對(duì)同類型的項(xiàng)目進(jìn)行新一輪的問(wèn)題界定。

參考文獻(xiàn)：

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