人工智能時代中小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)策略研究

陳英瓊 韓 笑 劉鳳娟

①陜西理工大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院 ②陜西省漢中師范附屬小學(xué)

本文在介紹其基本概念基礎(chǔ)上，綜述了目前的研究現(xiàn)狀，分析了中小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)面臨的困境，并從加快專業(yè)師資隊(duì)伍建設(shè)，保障中小學(xué)計(jì)算思維教育水平；采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法，培養(yǎng)中小學(xué)生形成良好的計(jì)算思維；創(chuàng)設(shè)實(shí)踐參與機(jī)會，提高中小學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的能力等方面探索促進(jìn)中小學(xué)生計(jì)算思維的策略，以期為中小學(xué)信息技術(shù)教育研究提供理論參考。

隨著人工智能時代到來，數(shù)字化、信息化社會正加速向智能化社會轉(zhuǎn)變，計(jì)算思維逐漸成為新時代公民必備的基本素養(yǎng)。自周以真教授正式提出計(jì)算思維便掀起了一場新的教育改革浪潮。為抓住此次教育改革的機(jī)遇，我國先于2017年發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》文件中要求在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程并逐步推廣編程教育[1]，即通過編程教育實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目的。隨后在2018年《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中將計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)[2]。由此可見，為培養(yǎng)能靈活應(yīng)用人工智能技術(shù)的創(chuàng)新型人才，解除中小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)存在的困境已刻不容緩。

1 計(jì)算思維的概念

理解和提煉計(jì)算思維的概念是研究計(jì)算思維培養(yǎng)策略的基本前提。計(jì)算思維從孕育、萌芽再到成型，其概念（內(nèi)涵）一直爭議不斷，各領(lǐng)域?qū)W者對計(jì)算思維的概念理解難以統(tǒng)一[3]。國外，周以真教授對“Computational Thinking” 的定義獲得的認(rèn)同較多，她認(rèn)為計(jì)算思維是與形式化問題及其解決方案相關(guān)的思維過程，其解決問題的表示形式應(yīng)該能有效地被信息處理代理執(zhí)行[4]。國內(nèi)，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版2020年修訂）》中對計(jì)算思維的定義比較權(quán)威，即計(jì)算思維是指個體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動[5]。以上兩種觀點(diǎn)都基于問題解決視角，也是被大多數(shù)學(xué)者們接受的觀點(diǎn)。綜上所述，計(jì)算思維是基于算法和問題求解的一系列思維過程。運(yùn)用計(jì)算思維可以把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為可計(jì)算問題并實(shí)現(xiàn)解決方案和問題的自動化處理，是一種新的科學(xué)思維方法，為人們理解信息化世界提供了新的視角。

2 計(jì)算思維的研究現(xiàn)狀

為了解計(jì)算思維領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，文章依托中國知網(wǎng)平臺，以“計(jì)算思維”為關(guān)鍵詞在核心期刊數(shù)據(jù)庫中共檢索到398篇文獻(xiàn)，結(jié)合CiteSpace,V5.0.R1SE軟件對國內(nèi)外計(jì)算思維研究內(nèi)容進(jìn)行可視化分析，得到計(jì)算思維關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜（見圖1）。

圖1 計(jì)算思維關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

文章對排名前十的高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其詞頻與中心度分布情況如表1高頻關(guān)鍵詞中心度和詞頻所示。除過“計(jì)算思維”主題檢索詞外取排名靠前的關(guān)鍵詞分別是：教學(xué)改革、人工智能、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、信息技術(shù)、信息技術(shù)課程等。其中，關(guān)鍵詞中心度最靠前的是“計(jì)算思維”，心度值為1.28，其次是“教學(xué)改革”和“人工智能”，中心度值分別為0.13和0.11。

現(xiàn)基于以上數(shù)據(jù)對計(jì)算思維的研究現(xiàn)狀簡要分析：從計(jì)算思維概念看，李廉從現(xiàn)代科學(xué)思維體系角度認(rèn)為計(jì)算思維是人類科學(xué)思維中以形式化、程序化和機(jī)械化為特征的思維形式[6]；從教學(xué)改革看，牟琴等提出了基于計(jì)算思維的探究教學(xué)模式[7]、網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)模式[8]和任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)模式等[9]；從人工智能看，羅海鳳等認(rèn)為計(jì)算思維有助于人們理解和適應(yīng)信息化社會，是人工智能時代的必備心智素養(yǎng)[10]；從信息技術(shù)看，任友群等通過分析國內(nèi)外基礎(chǔ)教育改革趨勢闡述了通過信息技術(shù)課程來發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的重要性[11]；從編程教育看，傅騫等通過實(shí)驗(yàn)研究得出圖形化編程工具和文本編程工具都可以提高學(xué)生計(jì)算思維水平的結(jié)論[12]。綜上可知，中小學(xué)信息技術(shù)正在開展以計(jì)算思維為核心的教學(xué)改革，其中編程教育是實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)目的的有效手段，人工智能與計(jì)算思維的聯(lián)系也愈發(fā)緊密。下面，本文從計(jì)算思維培養(yǎng)視角切入，分析目前中小學(xué)階段計(jì)算思維培養(yǎng)所面臨的困境，然后提出與困境對應(yīng)的中小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)策略。

3 中小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)面臨的困境

（1）國內(nèi)信息技術(shù)學(xué)科專業(yè)師資緊缺，計(jì)算思維教學(xué)難以真正落實(shí)。信息技術(shù)課程是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的主要途徑，但計(jì)算思維內(nèi)容并未在我國信息技術(shù)教學(xué)中體現(xiàn)，最主要的原因是缺少既懂得計(jì)算機(jī)科學(xué)理論又有教育專業(yè)背景的教師隊(duì)伍[13]。一方面是學(xué)校在招聘信息技術(shù)教師時更傾向計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，雖然他們精通計(jì)算機(jī)科學(xué)理論和操作，但缺少教育學(xué)基礎(chǔ)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)；另一方面在崗教師不了解計(jì)算思維的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，即使具備一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，但沒有專業(yè)指導(dǎo)和系統(tǒng)的訓(xùn)練，其教學(xué)效果往往達(dá)不到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。沒有充足的專業(yè)師資且計(jì)算思維教學(xué)無法落實(shí)，這是我國中小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)目前面臨的首要困境。

（2）以課堂為中心的教學(xué)方法，對學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)力不從心。我國信息技術(shù)教學(xué)大多以課堂為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生操作技能而忽視學(xué)生的思維發(fā)展。為了達(dá)到預(yù)期的教學(xué)結(jié)果，教師在教學(xué)時通常會事先將問題的設(shè)計(jì)思路和步驟剖析出來,要求學(xué)生依據(jù)教師給定的步驟依次完成任務(wù)[14]。部分教師為按時完成教學(xué)任務(wù)會直接把問題答案或源程序提供給學(xué)生，學(xué)生把教師給出的答案稍加修改或是直接復(fù)制粘貼別人的內(nèi)容就算完成了作業(yè)。這種教學(xué)方法只注重結(jié)果不注重學(xué)生思維能力發(fā)展，造成學(xué)生學(xué)習(xí)被動且效率低下。沒有合適的教學(xué)方法，教師對學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)力不從心，這是我國中小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)目前面臨的主要困境。

（3）中小學(xué)生參與實(shí)踐的機(jī)會少，運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的能力相對欠缺。目前我國信息技術(shù)課程課時設(shè)置較少，一般一周開展一次。又因?yàn)閷W(xué)業(yè)水平考試的限制，教師會在有限的課時內(nèi)把教學(xué)重點(diǎn)放在訓(xùn)練學(xué)生記憶和練習(xí)考試內(nèi)容上面。學(xué)生由于長期缺少在信息技術(shù)課堂上動手實(shí)踐的機(jī)會，其思維和能力開始停滯不前。其次，計(jì)算思維作為一種科學(xué)的思維方式，但不會僅限于解決信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)的問題[15]。但國內(nèi)中小學(xué)校鮮有把計(jì)算思維與其它學(xué)科融合開展教學(xué)的案例，我國學(xué)者主要提倡借鑒國外STEM教育經(jīng)驗(yàn)，在STEM課程中培養(yǎng)計(jì)算思維。缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生基于計(jì)算機(jī)解決問題的能力不足，這是我國中小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)目前面臨的最大困境。

4 中小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)策略

（1）加快專業(yè)師資隊(duì)伍建設(shè)，保障中小學(xué)計(jì)算思維教育水平。解決師資緊缺問題主要從兩個方面入手，一是學(xué)校通過設(shè)置相關(guān)優(yōu)惠政策大力引進(jìn)高質(zhì)量的信息技術(shù)學(xué)科專業(yè)教師。二是對信息技術(shù)在職教師進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)。因此，本文建議采用SPOC（小規(guī)模限制性在線課程）模式開展在職教師培訓(xùn)，該模式的私密性和限制性準(zhǔn)入等特點(diǎn)有助于提升教師學(xué)習(xí)參與度并促進(jìn)教師對編程的深度學(xué)習(xí)[16]。重點(diǎn)是訓(xùn)練教師掌握使用計(jì)算工具解決問題的思維方式和把這種思維方式傳遞給學(xué)生的教學(xué)方法。即教師通過體驗(yàn)分析問題、設(shè)計(jì)解決方案、利用計(jì)算工具實(shí)施方案、評價(jià)反思等具體環(huán)節(jié)了解計(jì)算思維的形成過程，總結(jié)計(jì)算思維的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。這種培訓(xùn)方式可以在較短間內(nèi)補(bǔ)足中小學(xué)信息技術(shù)教師的空缺，保障計(jì)算思維教學(xué)真正落實(shí)。

（2）采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法，培養(yǎng)中小學(xué)生形成良好的計(jì)算思維。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是目前被普遍認(rèn)可的計(jì)算思維培養(yǎng)法[17]，它所創(chuàng)設(shè)的項(xiàng)目活動來源于真實(shí)情境，有利于學(xué)生在參與項(xiàng)目過程中積極開展思維活動。文章建議基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)要素（內(nèi)容、活動、情境、結(jié)果）結(jié)合計(jì)算思維概念設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)[18]：①創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境，激發(fā)學(xué)生的探究欲望；②設(shè)計(jì)解決方案，分析任務(wù)并利用流程圖或思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)問題解決方案；③實(shí)現(xiàn)算法，依據(jù)方案并利用所學(xué)知識和計(jì)算工具完成算法（程序）；④優(yōu)化程序算法，學(xué)生在不斷調(diào)試程序的過程中發(fā)散思維；⑤知識遷移，學(xué)生通過評價(jià)反思總結(jié)解決問題的最優(yōu)化方案，并能遷移解決類似的實(shí)際問題。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)幫助學(xué)生在重復(fù)經(jīng)歷使用計(jì)算思維解決真實(shí)問題的過程中逐漸形成良好的思維習(xí)慣。

（3）創(chuàng)設(shè)實(shí)踐參與機(jī)會，提高中小學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的能力?！禟-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》認(rèn)為將計(jì)算思維融入有意義的實(shí)踐活動中，應(yīng)在計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)踐中關(guān)注計(jì)算思維的培養(yǎng)[19]。目前的信息技術(shù)課程已無法滿足學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的需求，因此一方面，學(xué)?？梢越M織以計(jì)算思維為主題的小組競賽，參照國際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽（Bebras），選擇符合本校學(xué)生計(jì)算思維能力水平的內(nèi)容融入比賽中。并且把參與比賽與學(xué)生總成績掛鉤，教師自然而然也會在平時的教學(xué)中給予學(xué)生更多的實(shí)踐機(jī)會。另一方面，鼓勵其它學(xué)科教師與信息技術(shù)教師相互合作，促進(jìn)計(jì)算思維與社會、語言藝術(shù)、數(shù)學(xué)與科學(xué)等課程的整合[20]。在其他學(xué)科課程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，為學(xué)生進(jìn)行知識遷移創(chuàng)造了有利條件。在參與大量的實(shí)踐活動中有效鍛煉了中小學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的能力。

隨著智能時代的發(fā)展，人們必然要學(xué)會并適應(yīng)如何有效運(yùn)用智能技術(shù)展開協(xié)同工作，因此從中小學(xué)生做起，聯(lián)合社會力量，加大其計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，掌握有效地信息技術(shù)，提高自身競爭力，以更好地適應(yīng)未來社會發(fā)展。