面向計算思維培養的創客課程教學模式設計研究

文章編號：1671-489X（2025）06-0114-05DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.06.114

0 引言

隨著人工智能、大數據等技術的興起，國家數字化進程全面加速，計算思維已成為當今公民應掌握的必備技能[1]。在智能時代背景下，如何有效培養學生的計算思維已成為全球教育領域共同關注的重點。2013年英國發布的《新課程計劃》、2018年美國發布的《制定成功路線：美國STEM教育戰略》均強調加強計算思維的培養[2]。我國的《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》也已經正式將計算思維列為信息技術課程的核心素養之—[3]。

創客教育是一種以培養學生的創新精神與能力為目的，以實踐創造學習為核心，培養創新型人才的新型教育模式[4。在創客教育中，學生需要利用各種技術工具和數字化資源，通過設計和制作創客作品來解決實際問題。在這個過程中，學生需要運用計算思維的方法（如問題分解、抽象、算法設計等）對問題進行深入分析和求解。通過創客教育，學生可以在實踐中深入理解和掌握計算思維，提高解決實際問題的能力。將創客教育融入高中信息技術計算思維的訓練和培養，不僅可以解決學科知識與實踐割裂的問題，還能夠借助創造的過程為學生提供信息技術，以解決實際問題，進而發展學生學科核心素養[5]。

基于此，本文從計算思維維度結構出發，結合計算思維與創客教育的關系構建面向計算思維培養的中學創客課程教學模式，并針對創客課程實踐提出參考建議，以期為一線教師提供參考和借鑒。

1計算思維與創客課程

1.1計算思維及其教育現狀

計算思維是一種重要的思維方式，是指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解的一系列思維活動。計算思維不僅涉及計算機編程，更是一種解決問題的策略和方法[6]。它強調抽象和自動化的概念，通過抽象可以將復雜的問題簡化，而自動化則可以提高解決問題的效率。當前對于計算思維培養的研究主要分為兩方面：計算思維測評和計算思維培養。

1）計算思維測評方面，研究者主要關注分析計算思維的維度結構以及如何評估和測量計算思維能力，開發各種評估工具和方法，以客觀地衡量個體的計算思維能力水平[7]。這些工具和方法包括標準化測試、自我報告、觀察法等，旨在從多個角度全面地反映個體的計算思維能力[8]。

2）在計算思維培養方面，研究者則更注重如何培養和提高個體的計算思維能力，他們認為，計算思維的培養需要綜合考慮課程設計、教學方法、教學資源等多個方面。因此，他們致力于探索各種有效的教學策略和方法，包括案例教學、項目式學習、協作學習等，以幫助學生掌握計算思維的基本概念和方法，促進他們的主動學習和深度思考，提高他們的計算思維能力[9-10]。

總的來說，現有計算思維的培養研究多基于信息科技課程、編程課程，雖然創客教育是中學教育體系的一環，但將計算思維培養引入創客教育的研究相對缺乏。因此，如何構建面向計算思維培養的創客課程教學模式，已經成為一線教師亟待解決的問題。

1.2計算思維培養與創客教育適切性

為了更好地應對未來的挑戰，必須注重學生計算思維的培養。這不僅有助于提高學生的綜合素質，還能為他們在未來的學習和職業生涯中提供更多的機會與可能性。而基于創中學的創客課程教學模式為計算思維的培養開辟了新的途徑，計算思維培養與創客教育適切性源于以下四個方面。

1.2.1 目標指向方面

創客教育的目標不僅是對學生技術能力的培養，更重要的是培育學生的創新精神和問題解決能力。計算思維作為信息技術領域的一種思維方式，強調對問題的系統分析和運用算法思維解決問題。因此，從目標指向角度看，創客教育與計算思維培養都致力于提升學生的創新與實踐能力，二者具有高度的一致性。

1.2.2 活動內容方面

學校中的創客課程多以電子機械類課程或邏輯程序類課程為主，這類課程往往需要學生用信息技術知識和計算思維能力來完成，而計算思維的培養通常以解決計算機科學問題為載體。因此，創客課程活動與計算思維的培養在活動方式方法上相互支持和依賴。

1.2.3 活動形式方面

創客教育借鑒了以項目為載體的思想，繼承了小組協作、合作探究的自主學習方式，將項目作為課程的中心，以問題解決為目的，讓學生自主建構知識與技能，并在此過程中培養學生的創新思維，提升學生的實踐能力。新課標提倡采用項目式學習以落實學生計算思維的培養，通過與真實情境相結合解決實際問題，不斷激發學生的學習興趣和動力。如此，就為計算思維培養與創客教育融合奠定了很好的基礎。

1.2.4活動過程方面

創客教育的活動過程通常包括發現問題、設計方案、制作原型、測試改進等環節，其中的創客項自通常包含一系列具有內在復雜性且相互關聯的任務，若干復雜任務中又包含若干劣構問題。在這些過程中，學生需要對問題情境進行分解、重構、歸納、提煉，最終運用技術手段解決復雜項目的劣構問題。這個過程充分體現了計算思維的運用，使學生能夠在實踐中深入理解和掌握計算思維，實現基于創造的學習，提升學科學習質量。

由此可見，計算思維是創客教育得以順利實施的重要基石，創客教育則為計算思維的培養提供了有效的載體，而創造性制品的產生正是創客教育與計算思維相互融合的體現，也成為這一融合的重要標志。

2面向計算思維的創客教學模式

本研究結合計算思維的五個要素即分解、概括、算法思維、評估和抽象化[1]，將面向計算思維培養的創客教育的教學過程分為問題界定、方案構思、算法探索、模型優化、成果反饋五個步驟，建構面向計算思維培養的創客課程教學模式，如圖1所示。在該教學模式中，學生在教師的指導下，通過個人學習和小組學習相結合的方式，主動整合計算思維、創客能力和信息技術學科內容知識，分析并解決問題，最終形成創造性制品。

創客教育教學的實現關鍵步驟依賴于計算思維的支持，計算思維的培養應當貫穿創客課程開展的各個環節，以確保教學過程的順利進行。

2.1 問題界定

學生需運用計算思維對問題展開深入理解，具體包括分析問題背景、明確解決目標、識別約束條件和考慮實施可行性。同時，學生應具備問題分解能力，將復雜問題細化為若干小部分，通過簡化問題定義和設定成功標準，使問題解決更為便捷。

2.2 方案構思

在此環節，學生充分發揮概括能力，運用探究思維和創造意識來尋找可能的解決方案，并根據問題情境借助數字化工具積極進行自我建構。教師在此環節應起到促進探究學習的作用，提供必要的教學支架，并鼓勵學生積極參與頭腦風暴。同時，教師要注意的是引導學生形成解決方案時，確保這些方案以一種計算機能夠識別的形式表達。

2.3 算法探索

此環節著重培養學生的實際操作能力，包括繪制設計草圖、闡述設計理念、預測可能的結果和將設計轉化為實物模型。學生通過實踐操作，能夠更好地構建知識和理解核心概念。因此，教師應鼓勵學生勇于嘗試，在實踐中不斷探索和發現問題，并自行尋找解決方案。

2.4 模型優化

學生在提出解決方案并進行算法設計的過程中需要不斷地評估和調整方案，在模型轉化為實物后仍需嚴謹記錄觀測數據，分析數據問題，持續地調試、優化和改進模型的功能，以確保最終模型的性能和質量。

2.5 成果反饋

教師在開展課堂活動時需進行方案、模型的審視，同時開展分享交流，并基于評價和反饋反思課堂活動設計，以更好地關注學生的全面發展。

3創客課程教學設計與實施：以AI猜拳機器人為例

3.1教學內容分析

本次課的教學內容以AI猜拳機器人為主線，借助上海市浦育青少年人工智能開放創新平臺Open-InnoLab和行空板套件，主要學習AI猜拳機器人的外觀，了解基于神經網絡的人工智能機器學習原理，編寫程序基于神經網絡的模型訓練和控制AI猜拳機器人的運作。通過本節課的學習，學生能夠進一步感受人工智能在社會中的應用價值，培養計算思維。

3.2 教學目標分析

3.2.1計算思維目標

培養學生分解、概括、評估和抽象化的能力與算法思維。

3.2.2 知識目標

深入理解Python中類的基本概念、屬性和方法；理解并應用模塊和庫的概念，掌握其在Python中的重要應用；熟悉Python中核心模塊和常用庫的使用方法。

3.2.3 人工智能目標

了解機器學習神經網絡的工作原理，掌握人工智能模型訓練的基本流程。

3.3 教學實施

AI猜拳機器人創客課程活動設計具體如表1所示，學生在AI猜拳機器人的設計過程中運用計算思維實現模型訓練、實時圖像模塊、舵機操控模塊、外觀框架模塊等AI猜拳機器人的功能設計與應用開發。

3.3.1問題界定：確定猜拳機器人智能化的情境，初步抽象與模塊化問題

在開展整個活動之初，首先需要明確定義問題。這一環節的主要目標是引導學生深入理解問題背景，喚醒他們原有的認知，激發他們對問題的敏感度并評估其可行性。同時，這也將有力地激起他們的探究欲。為了達成這一目標，學生需要運用計算思維中的分解技巧，對問題進行抽象化和模塊化處理。抽象化和模塊化的主要目的是對AI猜拳機器人的運作機制進行深入剖析，進一步明確實現猜拳機器人的關鍵要素。需要注意的是，猜拳機器人的設計過程相對復雜，因此，教師需要精心設置情境，并構建一系列問題支架，以便幫助學生運用他們的學科知識將猜拳機器人的核心部分細化為模型系統、實時圖像系統、舵機操控系統和框架系統。

3.3.2方案構思：運用計算思維進行抽象設計，迭代完善方案

在解決方案提出階段，學生應積極參與頭腦風暴和創意策劃，共同探討和發掘可行的解決方案。在該過程中，學生需要運用計算思維中的概括能力。抽象即產生如何實現智能化猜拳的想法，表現在設計攝像頭實時捕獲手勢模型、依據圖像識別結果制動舵機模型、猜拳機器人外觀，并產生相應的代碼流程圖和設計圖紙，進行多輪迭代完善。在這一階段，學生仍然需要進行抽象與模塊化，而相比于前一階段，這一階段的抽象與模塊化更加情境化和具體化。

3.3.3算法探索：構建AI猜拳機器人原型，并對原型進行測試和調試

對設計方案進行優化后，學生采取小組合作的方式，按制作數據集一模型訓練一推理測試一模型轉換一應用部署一結構設計加工一組裝調試的順序，進行猜拳機器人的原型實現。在該過程中，學生主要會用到計算思維中的算法思維。首先，學生分組分別拍攝200張不同角度的石頭、剪刀、布的圖片，并直接調用教師已提前編寫的Python分類程序制作數據集。然后在教師的指導下，學生學習并了解神經網絡的工作原理和基礎語法，編寫模型訓練代碼和模型推測代碼，并進行迭代訓練和推理測試。在模型訓練和推理測試的同時，學生根據實時圖像系統、舵機操控系統和框架系統功能模塊進行分組，分別完成模型的實時圖像模塊和舵機操作模塊的代碼編寫，以及對框架輪廓的切割、加工和拼接。最終，在模型訓練完成后，把不同功能模塊進行組裝，并調試模型訓練的實際結果。通過測試，學生應能夠有效識別并分析出錯誤源，針對性設計解決方案。若學生無法獨立發現和解決問題，教師應給予必要的協助，以共同解決問題。

這一階段體現了計算思維中的算法思維，表現為學生自行編寫模型訓練代碼、實時圖像代碼、舵機操控代碼，利用可視化編程軟件實時檢測圖像，解決問題。

3.3.4模型優化：觀察并記錄模型識別情況，不斷迭代測試功能

在優化方案的過程中，學生積極參與評估環節的計算思維實踐。為了確保方案的穩定性和可靠性，學生通過測試與調試來排除故障，進一步優化方案。學生需要對圖像捕獲、舵機制動和模型識別情況進行觀察并記錄數據，根據觀測數據進一步推斷AI猜拳機器人原型存在的問題，針對問題自行搜索資料尋找解決方案，進行迭代設計。在這個過程中，學生需要充分利用環境中的各類資源以實現自我構建和發展的目標，進一步掌握人工智能的相關知識，提升計算思維素養。

3.3.5成果反饋：總結分享成果，抽象并提煉問題解決方案

為了促進全班學生的抽象總結反思，教師應及時組織成果展示分享會。在活動中，學生需要向同學展示自己的最終解決方案，并對該方案遇到的問題及解決過程進行報告。通過這次活動，學生的抽象思考能力和溝通技巧將得到鍛煉。具體來說，教師應關注：學生能否清晰地解釋方案中的關鍵部分；學生是否提供了足夠的細節，使同學能夠更好地理解他們的方案；學生是否能夠明確說明他們的方案如何滿足成功標準。最后，教師對學生的作品進行點評，以引導大家進一步提升思維能力。

4結論

本研究在論證計算思維與創客教育關系的基礎上，構建面向計算思維培養的創客課程教學模式，將學生在創客課程中創中學的過程定向為計算思維培養的過程，為計算思維教育的發展開辟了新的道路[4]。但是，本研究還存在一定的不足：主要以人工智能創客課程為例進行設計，缺乏對其他類型創客課程的探討和論證。因此，關于所構建框架的適用性，尚需結合各類主題進行更為深入的探討和研究。為了進一步完善這一教學模式，未來的研究可以從以下幾個方面展開。

4.1深入挖掘創客教育中的計算思維培養

本研究以人工智能創客課程為例，設計面向計算思維培養的創客課程活動。然而，創客教育的內涵遠不止于此，如在創客教育中可以通過開源硬件、機器人制作等方式培養學生的計算思維，通過機器人的設計和制作，學生可以學習如何運用計算思維來解決實際問題[12]。他們需要理解機器人的工作原理，設計合適的算法，編寫程序并進行調試和優化，這樣的實踐過程能夠幫助學生更好地理解和掌握計算思維[13]。在創客教育中進行計算思維的培養，不僅能夠提高學生的科技素養，而且能培養他們的創新能力和解決問題的能力。未來，筆者期待看到更多的教育者和學生能夠充分利用創客教育的優勢，培養更多具備計算思維的人才。

4.2探索多元化面向計算思維培養的創客教育培養方式

已有研究證明，游戲化學習可以有效地培養學生的計算思維，游戲化問題解決過程不僅能夠實現抽象知識具象化、可操作化，還能夠提高學生的學習積極性，同時提供給學生個性化學習的計劃和空間[14]。因此，教師可以利用游戲化學習的方式，通過將學習內容與游戲相結合，讓學生在游戲中探索和解決問題，從而培養他們的計算思維和創新能力[15-16]。如設計一些涉及算法和編程的游戲，讓學生在游戲中提高計算思維能力。

4.3完善面向計算思維培養的創客教育評價體系

評價是教育的重要組成部分，對于計算思維的培養也不例外。未來的研究可以進一步完善面向計算思維培養的創客教育評價體系，通過科學的方法和手段客觀、公正地對學生在創客教育中的表現進行評價，有助于學生更好地認識自己的不足，提高計算思維素養。

綜上所述，面向計算思維培養的創客教育是一個充滿挑戰和機遇的領域，未來的實踐和研究可以從多個方面展開，以更好地培養學生的計算思維，提高其解決問題的能力，助力學生更好地適應未來社會的發展和變化。

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