深議項(xiàng)目式教學(xué)中提升學(xué)生計(jì)算思維的有效策略
——以高中人工智能課程為例

江蘇省前黃高級(jí)中學(xué) 朱靜艷 鄭 霞

以《人工智能初步》教材規(guī)劃的知識(shí)體系為例，基于計(jì)算思維的高中人工智能課程主體結(jié)構(gòu)主要包含六部分：面向?qū)ο笏枷肱c管理理念、信息安全與規(guī)則、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與工程需求、網(wǎng)絡(luò)交互思想與合作、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際制作、互聯(lián)網(wǎng)世界運(yùn)營(yíng)規(guī)則等。設(shè)計(jì)相關(guān)項(xiàng)目式教學(xué)活動(dòng)，應(yīng)主動(dòng)迎合上述課程結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容。

一、計(jì)算思維的主要概述

現(xiàn)如今，計(jì)算思維已經(jīng)得到全世界的高度重視，但是對(duì)計(jì)算思維的研究主要從不同層面展開(kāi)分析，使關(guān)于計(jì)算思維的內(nèi)涵界定還沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一。著名的周以真教授將計(jì)算思維認(rèn)為是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的主要概念，通過(guò)問(wèn)題求解、系統(tǒng)規(guī)劃、人類(lèi)行為理解等方面計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的有關(guān)思維活動(dòng)。為了便于理解，此教授也把計(jì)算思維定義成形式化問(wèn)題與解決方案有關(guān)的思維過(guò)程。簡(jiǎn)而言之就是利用約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真等方式，將看似難度很高的問(wèn)題，解釋成問(wèn)題怎樣化解的方法。同時(shí)，計(jì)算思維的基本特點(diǎn)包括非刻板的主要技能、非計(jì)算機(jī)思維、注重思想并非人造物、面向所有群體與地方、數(shù)學(xué)思維與工程思維相互融合、概念化等。

除此之外，我國(guó)著名的科學(xué)院院士陳國(guó)良把計(jì)算思維稱為構(gòu)造思維，認(rèn)為計(jì)算思維主要將設(shè)計(jì)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為特點(diǎn)，把計(jì)算機(jī)科學(xué)當(dāng)作代表，利用計(jì)算概念，進(jìn)一步解決實(shí)際問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、理解人們行為的主要手段。計(jì)算思維主要包括數(shù)學(xué)思維、工程思維、科學(xué)思維，具有抽象化、自動(dòng)化的顯著特點(diǎn)。在科學(xué)教育層面，把計(jì)算思維當(dāng)作STEM學(xué)科人才需要擁有的一項(xiàng)基本素養(yǎng)。譬如，部分學(xué)者基于科學(xué)的計(jì)算方法論的層面，認(rèn)為計(jì)算思維的基本屬性包括抽象思維、模擬思維以及自動(dòng)化思維，而與之相對(duì)的數(shù)學(xué)實(shí)踐主要以建模和模擬、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析以及系統(tǒng)性思維為主。

二、開(kāi)發(fā)計(jì)算思維的實(shí)際困難與典型應(yīng)對(duì)策略

1.造成計(jì)算思維融入教育事業(yè)發(fā)展困難的根本原因。

由于信息科技發(fā)展歷史時(shí)間不長(zhǎng)，屬于高新型科技產(chǎn)業(yè)，技術(shù)體系結(jié)構(gòu)具有優(yōu)化更替速度快的鮮明特點(diǎn)；相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域中包含的實(shí)用性技術(shù)教學(xué)課程與經(jīng)典科學(xué)理論教學(xué)科目更迭頻率較快，致使我國(guó)信息科技等有關(guān)課程教學(xué)尚處于起步階段。如何構(gòu)建突出實(shí)踐與搞好理論基礎(chǔ)的教學(xué)系統(tǒng)，業(yè)已成為信息科技教育面臨的創(chuàng)新難點(diǎn)與課題。

2.解決開(kāi)發(fā)計(jì)算思維困難的經(jīng)典策略。

依據(jù)計(jì)算思維培育的可操作性，通過(guò)借鑒知名專家詹姆士·格雷有關(guān)挖掘計(jì)算思維觀點(diǎn)的核心內(nèi)容，將構(gòu)筑計(jì)算思維實(shí)踐過(guò)程分為三部分：第一，針對(duì)問(wèn)題的提出或表述，能否使用簡(jiǎn)潔明了的模型突出問(wèn)題的焦點(diǎn)，增強(qiáng)處理問(wèn)題的可操作性。第二，羅列問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施、設(shè)計(jì)詳細(xì)周密的問(wèn)題應(yīng)對(duì)方案，每一關(guān)鍵解決步驟需要具有可測(cè)試性，以求準(zhǔn)確評(píng)估方案合理性。第三，細(xì)化、分解解決措施，提升處理方案步驟的實(shí)用性，方便實(shí)際操作。計(jì)算思維重視塑造學(xué)生分析處理問(wèn)題的多元化視角，結(jié)合運(yùn)用時(shí)代尖端高新科技解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而通過(guò)不同教育階段的深入學(xué)習(xí)，深刻領(lǐng)會(huì)信息世界發(fā)展進(jìn)步的要點(diǎn)與趨勢(shì)。計(jì)算思維緊密貼合素質(zhì)教育宗旨，是增進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力、發(fā)揮學(xué)生興趣特長(zhǎng)的優(yōu)良策略。

三、基于計(jì)算思維的高中人工智能課程項(xiàng)目式教學(xué)體系設(shè)計(jì)

1.計(jì)算思維下人工智能課程項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)需求。

憑借在學(xué)科核心素養(yǎng)背景下對(duì)信息科技課程開(kāi)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的充分考量，設(shè)計(jì)基于計(jì)算思維的新型人工智能課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，為基層校園科學(xué)、高效開(kāi)展有關(guān)教學(xué)活動(dòng)提供新思路。該種體系結(jié)構(gòu)下屬六種教學(xué)主題，可充分與《人工智能初步》教材相互對(duì)應(yīng)，為任課教師構(gòu)思項(xiàng)目式課程教學(xué)案例提供充分的理論標(biāo)準(zhǔn)。具體體系設(shè)計(jì)內(nèi)容如下表所示：

表一 基于計(jì)算思維人工智能課程教學(xué)體系對(duì)應(yīng)表

2.高中人工智能課程相應(yīng)實(shí)例分析。

以《高中人工智能基礎(chǔ)》第二章為例：任課教師在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，可按相關(guān)課程設(shè)計(jì)需求制定相應(yīng)課堂任務(wù)。人工智能系統(tǒng)發(fā)揮實(shí)際效用的核心技術(shù)是準(zhǔn)確快速處理信息，通過(guò)算法識(shí)別以二進(jìn)制為基礎(chǔ)的有關(guān)數(shù)據(jù)。教師可將分類(lèi)識(shí)別作為本次課程的首要任務(wù)，從底層算法設(shè)計(jì)原理著手，深入了解機(jī)器識(shí)別事物全過(guò)程，基本掌握感知器學(xué)習(xí)算法，嘗試實(shí)現(xiàn)人工智能系統(tǒng)辨別變色鳶尾和山鳶尾的簡(jiǎn)單功能?；谏鲜鼋虒W(xué)項(xiàng)目，任課老師可鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)動(dòng)腦筋，思考如何令機(jī)器具備識(shí)別花朵的能力。通過(guò)課題的方式，潛移默化發(fā)掘?qū)W生計(jì)算思維。結(jié)合教材體系規(guī)劃，帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)易識(shí)物功能的識(shí)物裝置——分類(lèi)器。為使分類(lèi)器正確識(shí)別兩種不同的花卉，教師可適時(shí)引入“特征”與“特征向量”的概念，并詳細(xì)介紹計(jì)算機(jī)向量運(yùn)算的方法。感知器內(nèi)部裝載基本算法落實(shí)后，逐步為學(xué)生介紹機(jī)器學(xué)習(xí)的核心概念，層層遞進(jìn)向?qū)W生講解人工智能系統(tǒng)訓(xùn)練的基本理念與原理。以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)、發(fā)掘計(jì)算思維為教學(xué)目標(biāo)，深入淺出向?qū)W生引入感知器學(xué)習(xí)算法的重要內(nèi)容。

四、核心素養(yǎng)背景下發(fā)掘?qū)W生計(jì)算思維項(xiàng)目式教學(xué)分析

1.基于核心素養(yǎng)的人工智能課程項(xiàng)目式教學(xué)目的。

通過(guò)分析高中《人工智能初步》教材編寫(xiě)結(jié)構(gòu)，界定教材中不同板塊與基于計(jì)算思維課程體系架構(gòu)不同主題之間的邏輯關(guān)系，確定實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)的主要模塊，包括初識(shí)人工智能、人工智能實(shí)際應(yīng)用、認(rèn)識(shí)人工智能底層邏輯知識(shí)結(jié)構(gòu)、機(jī)器學(xué)習(xí)初探和人工智能未來(lái)發(fā)展前景辨析等。

（1）初識(shí)人工智能模塊教學(xué)。

初識(shí)人工智能模塊旨在通過(guò)課堂教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生步入人工智能世界，起協(xié)助學(xué)生入門(mén)作用。有關(guān)任課教師應(yīng)重點(diǎn)帶領(lǐng)學(xué)生熟識(shí)人工智能基礎(chǔ)概念，教學(xué)手段可以以信息化網(wǎng)絡(luò)檢索為主。實(shí)際課堂教學(xué)活動(dòng)中，老師需監(jiān)督學(xué)生組建課堂學(xué)習(xí)小組，注重協(xié)作學(xué)習(xí)；向?qū)W生灌輸現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)信息安全操作規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，靈活調(diào)整課程計(jì)算思維主題。

（2）認(rèn)識(shí)人工智能底層邏輯知識(shí)結(jié)構(gòu)模塊教學(xué)。

該教學(xué)模塊主要功能是為增進(jìn)學(xué)生邏輯推理能力，需要學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S。依靠人工對(duì)信息數(shù)據(jù)再加工，從而合理利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言與相關(guān)信息工具，解決項(xiàng)目式教學(xué)中布置的相關(guān)任務(wù)和問(wèn)題。任課教師開(kāi)展該模塊時(shí)，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)與制作能力。

（3）機(jī)器學(xué)習(xí)初探模塊教學(xué)。

1.1.4 心肌穿孔 心肌穿孔的發(fā)生率＜1%，主要發(fā)生在右心室。心肌穿孔引起的心包填塞則是十分兇險(xiǎn)的并發(fā)癥，也是永久起搏器植入術(shù)后最嚴(yán)重并發(fā)癥。

機(jī)器學(xué)習(xí)初探模塊具有較強(qiáng)的技術(shù)性與專業(yè)性，對(duì)高中階段學(xué)生綜合能力提出巨大挑戰(zhàn)。任課老師應(yīng)全面評(píng)估學(xué)生能力與綜合素質(zhì)，靈活調(diào)整機(jī)器學(xué)習(xí)初探模塊的教學(xué)難度與進(jìn)度，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能熱情為首要目的，采取相應(yīng)教學(xué)措施；開(kāi)展個(gè)性化教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)興趣高昂并學(xué)有余力的學(xué)生，開(kāi)發(fā)自身系統(tǒng)工程思維，獨(dú)立自主完成有關(guān)課題任務(wù)的設(shè)計(jì)制作。

（4）人工智能實(shí)際應(yīng)用模塊教學(xué)。

人工智能實(shí)際運(yùn)用模塊，是基于機(jī)器學(xué)習(xí)初探模塊的高層次教學(xué)活動(dòng)。該模塊牽涉人工智能應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)際開(kāi)發(fā)，要求學(xué)生具備扎實(shí)的編程能力、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思維模式、邏輯推理能力以及系統(tǒng)管理能力。此類(lèi)教學(xué)內(nèi)容屬于高級(jí)別特色教學(xué)內(nèi)容，對(duì)任課教師專業(yè)素養(yǎng)與學(xué)生學(xué)習(xí)能力要求較高。因此，實(shí)際開(kāi)展人工智能課程時(shí)，應(yīng)根據(jù)學(xué)生具體學(xué)習(xí)情況，綜合基層校園辦學(xué)理念與硬件設(shè)施條件，合理安排相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容。

2.人工智能課程項(xiàng)目式教學(xué)案例設(shè)計(jì)。

以《人工智能初步》中機(jī)器學(xué)習(xí)板塊為例，任課教師設(shè)計(jì)此章節(jié)教學(xué)方案時(shí)，可帶領(lǐng)學(xué)生初步領(lǐng)略人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)作為學(xué)習(xí)目的。針對(duì)相關(guān)人工智能核心技術(shù)，布置相應(yīng)的項(xiàng)目案例供學(xué)生研究學(xué)習(xí)。以項(xiàng)目、任務(wù)、活動(dòng)三維一體的教學(xué)架構(gòu)，合理安排實(shí)際教學(xué)內(nèi)容。具體任務(wù)布置如下所示：

（1）教學(xué)項(xiàng)目一：體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)。

教學(xué)項(xiàng)目一的主要內(nèi)容是使學(xué)生切實(shí)體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的重要過(guò)程，令學(xué)生充分理解人工智能領(lǐng)域機(jī)器學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)發(fā)展進(jìn)程。教學(xué)活動(dòng)可安排學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)游戲，真實(shí)感性地認(rèn)識(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程；使用淺顯易懂的數(shù)字化技術(shù)手段，加深學(xué)生對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展歷史進(jìn)程的了解與感悟。

（2）教學(xué)項(xiàng)目二：初步認(rèn)識(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)理論原理與應(yīng)用場(chǎng)景。

3.人工智能課程項(xiàng)目式任務(wù)型教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。

在《人工智能初步》的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維應(yīng)設(shè)置具體的活動(dòng)步驟，分5步走：創(chuàng)設(shè)情景、生成問(wèn)題；設(shè)計(jì)實(shí)踐、解決問(wèn)題；討論思考、研究問(wèn)題；評(píng)價(jià)交流、分享成果；總結(jié)知識(shí)。

基于此，我們的任務(wù)型人工智能課程教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的活動(dòng)目標(biāo)則分為：知識(shí)與技能、過(guò)程與方法目標(biāo)、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)方面。（1）知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)目標(biāo)要求，學(xué)生在學(xué)習(xí)了Dobot Studior、Mixly、Xbee模塊XCTU軟件之后，能夠順暢地完成課堂布置的編程任務(wù)。如，指揮機(jī)械臂完成顏色木塊識(shí)別任務(wù)、指揮弱人工智能小車(chē)到達(dá)指定位置滯停，主要是讓學(xué)生通過(guò)VB算法與程序設(shè)計(jì)的演練學(xué)習(xí)，具備初步的編程基礎(chǔ)。（2）過(guò)程與方法的學(xué)習(xí)目標(biāo)要求，學(xué)生要通過(guò)抽象問(wèn)題、設(shè)計(jì)算法結(jié)構(gòu)、評(píng)估方案結(jié)果、改善解決。如，設(shè)置機(jī)械臂的分揀與上料操作，學(xué)生要通過(guò)查看范例、實(shí)踐操作、剖析算法的結(jié)構(gòu)來(lái)將機(jī)械臂功能實(shí)現(xiàn)。（3）情感態(tài)度與價(jià)值觀的學(xué)習(xí)目標(biāo)要求，學(xué)生要形成自主學(xué)習(xí)與合作探究學(xué)習(xí)觀，讓學(xué)生感受人工智能技術(shù)的時(shí)代魅力。

任務(wù)型人工智能課程實(shí)施案例：

在真實(shí)的學(xué)習(xí)情境中，學(xué)生要利用Dobot Studio軟件編寫(xiě)機(jī)械臂操作代碼，本活動(dòng)在于讓學(xué)生掌握算法思想與機(jī)械臂運(yùn)行原理，在6個(gè)環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究活動(dòng)。

（1）設(shè)置情景，明確問(wèn)題，思考算法構(gòu)架。

以人工智能分揀快遞包為問(wèn)題情景，明確學(xué)生需解決的問(wèn)題任務(wù)，讓學(xué)生獨(dú)立思考算法構(gòu)架應(yīng)主要解決何種實(shí)際操作問(wèn)題，并設(shè)計(jì)【學(xué)生活動(dòng)探究記錄表】記錄學(xué)生活動(dòng)軌跡。

（2）合作探究，分解任務(wù)，解決問(wèn)題。

將快遞分揀問(wèn)題細(xì)化，由小組內(nèi)學(xué)生談?wù)?、合作探究分揀快遞包的流程細(xì)節(jié)，如：識(shí)別，用光電傳感器捕捉快遞包標(biāo)識(shí)；抓取，機(jī)械臂如何完成上料操作；轉(zhuǎn)送，機(jī)械臂如何完成貨物傳輸。讓學(xué)生自由分配任務(wù)，編寫(xiě)固定環(huán)節(jié)點(diǎn)位的代碼。

（3）查詢資料，觀演示例，操作機(jī)械臂。

通過(guò)微課視頻等學(xué)習(xí)資料，實(shí)際展示快遞分揀的整個(gè)問(wèn)題解決過(guò)程，讓學(xué)生明白機(jī)械臂智能原理、光電傳感器的作用效能、以及傳送帶與運(yùn)輸車(chē)的活動(dòng)半徑與功能。

（4）繪制流程圖，構(gòu)架解決方案。

流程圖是通過(guò)思維導(dǎo)圖的方式讓學(xué)生對(duì)整個(gè)的機(jī)械臂搬運(yùn)、分揀快遞包過(guò)程進(jìn)行清晰明確的圖形步驟展示，明確關(guān)鍵步驟的目標(biāo)任務(wù)，在邏輯思維上掌握流程。

（5）了解原理底層邏輯。

Dobot Studio軟件編程的講解是讓學(xué)生了解編碼邏輯的基本語(yǔ)句結(jié)構(gòu)，在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初始值賦能后，學(xué)生需明確分辨流程圖上的哪一步驟對(duì)應(yīng)哪一個(gè)基本語(yǔ)句結(jié)構(gòu)。

（6）合作交流，設(shè)計(jì)算法框架，完成探究活動(dòng)。

小組成員需合作進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，各司其職，分四步走：賦值原始數(shù)據(jù)到機(jī)械上；光電傳感器完成識(shí)別；抓取與釋放快遞包；傳輸貨物并控制停滯點(diǎn)。最終完成情景問(wèn)題，調(diào)試優(yōu)化各程序。

信息技術(shù)作為新時(shí)代人類(lèi)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的尖端科技，開(kāi)設(shè)信息科技相關(guān)課程不僅高度響應(yīng)國(guó)家素質(zhì)教育號(hào)召，培養(yǎng)一批擁有深厚信息科技素養(yǎng)底蘊(yùn)的創(chuàng)新科技型人才。項(xiàng)目式教學(xué)手段能夠有效提高教學(xué)工作效率，突出相關(guān)課程教育理念與特質(zhì)。通過(guò)項(xiàng)目式教學(xué)手段與高中人工智能課程的深度融合，可大大促進(jìn)學(xué)生信息科技素養(yǎng)持續(xù)性積累。