初中生計(jì)算思維培養(yǎng)策略探究
——以“人工智能聲控?zé)簟蔽㈨?xiàng)目為例

葉發(fā)光

2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出“人工智能成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)”，強(qiáng)調(diào)實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣。

信息技術(shù)是一門綜合性學(xué)科，涉及許多領(lǐng)域，內(nèi)容非常繁雜，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性，知識(shí)更新周期很短。而初中生知識(shí)面較窄、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足、創(chuàng)新能力不強(qiáng)，學(xué)好信息技術(shù)則難上加難。因此，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維、創(chuàng)新能力等素養(yǎng)的培養(yǎng)，是幫助學(xué)生學(xué)好信息技術(shù)這門學(xué)科的關(guān)鍵所在，也是這門學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)信息技術(shù)的興趣、實(shí)踐能力、計(jì)算思維能力，需要運(yùn)用基于問題解決的培養(yǎng)初中生計(jì)算思維的教學(xué)策略。這一策略的應(yīng)用極大地提高了學(xué)生的信息素養(yǎng)，為信息技術(shù)這門學(xué)科教學(xué)質(zhì)量的提升奠定了基礎(chǔ)[1]。

一、計(jì)算思維的內(nèi)涵

計(jì)算思維具有很強(qiáng)的時(shí)代性，而且與數(shù)學(xué)學(xué)科的邏輯思維及物理學(xué)科的實(shí)證思維不同，計(jì)算思維表現(xiàn)出來的是一種抽象化的交互關(guān)系及形式化的執(zhí)行能力。簡(jiǎn)單而言，計(jì)算思維就是利用計(jì)算機(jī)解決問題的一種思維方法，也是通過抽象、概括、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等方式，把一個(gè)較為復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單問題的思維過程，是新時(shí)代一種新的思維模式。利用信息化的方式把計(jì)算思維潛移默化地融入學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，可以挖掘與激發(fā)學(xué)生的計(jì)算思維能力，為學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)與掌握信息技術(shù)的理論與實(shí)踐知識(shí)奠定了基礎(chǔ)。

二、信息技術(shù)教學(xué)中初中生計(jì)算思維培養(yǎng)存在的問題

（一）教師對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)存在偏差

計(jì)算思維并不僅僅存在于信息技術(shù)教學(xué)中，也不是一種單純的教學(xué)工具。要想培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，最重要的是創(chuàng)新教學(xué)方式，使其與當(dāng)前社會(huì)發(fā)展需求相適應(yīng)。然而部分信息技術(shù)教師對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)知存在偏差，堅(jiān)持實(shí)用主義的教育理念，在課堂中主要向?qū)W生講解常用的辦公軟件的用法、網(wǎng)絡(luò)信息瀏覽與搜索的技巧，以及簡(jiǎn)單的編程內(nèi)容。教師在教學(xué)過程中講授的信息技術(shù)內(nèi)容過于寬泛，使得學(xué)生難以深入地理解知識(shí)點(diǎn)，更難以認(rèn)識(shí)到信息技術(shù)是學(xué)習(xí)與生活的一種重要輔助工具，從而忽視了計(jì)算思維的強(qiáng)化。且部分教師以向?qū)W生講解理論知識(shí)為主要教學(xué)任務(wù)，忽視了對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)[2]。

（二）忽視個(gè)體差異性

在當(dāng)前的教育教學(xué)中，一些教師沿用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式。此模式雖然減少了教學(xué)成本，但是卻產(chǎn)生了很多問題，其中最嚴(yán)重的問題就是學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展受到阻礙。在教學(xué)過程中，部分教師無法根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況開展針對(duì)性教學(xué)，導(dǎo)致一些學(xué)生難以強(qiáng)化自身的計(jì)算思維。教師統(tǒng)一開展教學(xué)，難以充分了解學(xué)生的具體學(xué)習(xí)成效，不僅不利于教學(xué)質(zhì)量的提升，還使學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)受阻。

（三）理論與實(shí)踐相背離

理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合是有效開展信息技術(shù)教學(xué)的重要途徑。然而在當(dāng)前的信息技術(shù)教學(xué)中，部分教師過于重視理論知識(shí)的傳授，給予學(xué)生自主思考及實(shí)踐的機(jī)會(huì)不足，使得理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相脫離。在這種情況下，學(xué)生難以有效地把所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，更難以通過學(xué)以致用實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的強(qiáng)化。

三、問題解決賦能計(jì)算思維培養(yǎng)

問題解決與培養(yǎng)初中生的計(jì)算思維密切相關(guān)。計(jì)算思維是解決問題的首要條件，而問題解決的過程包含著計(jì)算思維（見圖1）。因此，如何幫助學(xué)生通過解決實(shí)際問題強(qiáng)化計(jì)算思維，以及如何幫助學(xué)生通過計(jì)算思維的強(qiáng)化提高其解決現(xiàn)實(shí)生活中復(fù)雜問題的能力，一直是眾多信息技術(shù)教育工作者亟待研究的問題，其中蘊(yùn)含了信息技術(shù)課程教學(xué)的核心價(jià)值。因此，教師應(yīng)積極運(yùn)用基于問題解決的計(jì)算思維教學(xué)策略，從而更好地培養(yǎng)初中生的計(jì)算思維。

圖1 問題解決與計(jì)算思維之間的關(guān)系

（一）抽象問題

問題解決是一種以問題為導(dǎo)向的調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣、激活學(xué)生思維的教學(xué)方式。尤其面對(duì)抽象問題時(shí)，教師應(yīng)該在基于問題解決的信息技術(shù)教學(xué)過程中，結(jié)合學(xué)生實(shí)際情況，即初中生所能達(dá)到的解決問題的程度，開展多樣化的教學(xué)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。在具體操作層面，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力及認(rèn)知水平設(shè)計(jì)教學(xué)方案，將抽象問題融入課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，使得學(xué)生的認(rèn)知能力在分析、探究及最終解決問題的過程中得以突破，并且在解決抽象問題的過程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化[3]。

（二）分解問題

問題解決不是單純地讓學(xué)生尋找問題的解決方法，而是引導(dǎo)學(xué)生分解問題，從而促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)散，引發(fā)學(xué)生思考，使其主動(dòng)地參與解決問題的過程。因此，基于問題解決的教學(xué)模式有助于優(yōu)化初中生計(jì)算思維培養(yǎng)的過程，可以引導(dǎo)學(xué)生為了解決問題而對(duì)問題進(jìn)行分解，探尋問題的實(shí)質(zhì)，使得學(xué)生在思考與解決問題的過程中，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高自身計(jì)算思維水平。

（三）算法設(shè)計(jì)

教師應(yīng)在教學(xué)中有意識(shí)地為初中生提供思維支架，講授解決問題所需的算法設(shè)計(jì)，促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性化及全面化發(fā)展。對(duì)于學(xué)生來說，這可以有效地激發(fā)其對(duì)信息技術(shù)的好奇心與求知欲，以及進(jìn)行算法設(shè)計(jì)的主觀能動(dòng)性，從而使學(xué)生積極地將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)更好的信息技術(shù)學(xué)習(xí)效果。因此，基于問題解決的培養(yǎng)初中生計(jì)算思維的教學(xué)方式，可讓學(xué)生在有限的課堂教學(xué)中最大化地獲取知識(shí)，并應(yīng)用知識(shí)解決問題，實(shí)現(xiàn)思維能力的強(qiáng)化[4]。

（四）項(xiàng)目評(píng)估

項(xiàng)目評(píng)估的目的就是促進(jìn)學(xué)生思維水平的提升及全面發(fā)展。教師在開展項(xiàng)目活動(dòng)的過程中，應(yīng)對(duì)學(xué)生的做法從正反兩個(gè)方面提出建議，為學(xué)生解決問題提供參考，幫助學(xué)生做出正確的、科學(xué)的、合理的決策，使學(xué)生更高效地完成任務(wù)。

四、基于問題解決的初中生計(jì)算思維培養(yǎng)策略——以“人工智能聲控?zé)簟?微項(xiàng)目為例

積極開展項(xiàng)目探究學(xué)習(xí)，落實(shí)學(xué)生課堂主體地位是計(jì)算思維教學(xué)過程中經(jīng)常用到的方式。教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容精心創(chuàng)設(shè)有關(guān)的生活情境，然后讓學(xué)生選擇或者指定一個(gè)研究主題，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立自主地進(jìn)行發(fā)現(xiàn)問題、探索問題等一系列項(xiàng)目探究活動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握與理解。

（一）啟發(fā)學(xué)生，提出問題

在教學(xué)中有目的、有計(jì)劃地啟發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生提出問題，是開展探究性學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。而創(chuàng)設(shè)有關(guān)情境是探究性學(xué)習(xí)不可缺少的環(huán)節(jié)。在一定的情境中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察、發(fā)現(xiàn)問題，并對(duì)問題進(jìn)行思考，在此過程中提高學(xué)生的觀察能力及思考能力。在課堂中教師可以設(shè)計(jì)問答情境。例如，師：“在聲控?zé)糁锌刂茻糸_關(guān)的因素是什么？”生：“聲音?！睅煟骸皟H依靠聲音還不夠，還受哪些因素影響呢？聲控?zé)舻碾娮酉到y(tǒng)又是如何設(shè)計(jì)的呢？”這樣在激發(fā)學(xué)生好奇心的同時(shí)，還能引入本堂課的教學(xué)內(nèi)容——“人工智能聲控?zé)簟?。通過問答情境的創(chuàng)設(shè)，將生活中常見的電子設(shè)備與先進(jìn)的人工智能系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，能使學(xué)生認(rèn)識(shí)到人工智能就在身邊，為大眾的生活服務(wù)，從而有效降低學(xué)生在學(xué)習(xí)中的畏難情緒，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（二）引導(dǎo)學(xué)生，分析問題

所謂分析問題就是讓學(xué)生在掌握知識(shí)的基礎(chǔ)上，在情境中認(rèn)真觀察并作出假設(shè)猜想，然后對(duì)提出的猜想進(jìn)行分析與驗(yàn)證。在“人工智能聲控?zé)簟闭n程教學(xué)中，教師可以通過讓學(xué)生觀看微視頻的形式，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)Mind+軟件與Micro:bit 開源硬件，然后在講授語音合成、語音識(shí)別、語音交互程序的知識(shí)后，讓學(xué)生以自主思考或者小組合作的形式分析人工智能語音助手系統(tǒng)的創(chuàng)建。在此過程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題：編程軟件Mind+主要應(yīng)用在生活中的哪些地方；在日常使用聲控開關(guān)燈時(shí)會(huì)遇到燈不停地閃爍或者抖動(dòng)的現(xiàn)象，此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么；在生活中應(yīng)該怎樣預(yù)防和避免這種問題的產(chǎn)生。教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的知識(shí)對(duì)這些問題進(jìn)行分析、假設(shè)、探究，然后設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的語音小程序，為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（三）實(shí)踐驗(yàn)證，解決問題

解決問題的核心就是方案設(shè)計(jì)。而科學(xué)有效的方案設(shè)計(jì)需要學(xué)生充分掌握所學(xué)知識(shí)，并結(jié)合自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在探究學(xué)習(xí)中不斷地進(jìn)行推測(cè)與驗(yàn)證，最終獲取結(jié)果。在“人工智能聲控?zé)簟币徽n的教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生利用Micro:bit 開源硬件及Mind+軟件對(duì)聲控開關(guān)燈進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了通過輸入語音內(nèi)容即可控制開燈、關(guān)燈程序的設(shè)計(jì)。

學(xué)習(xí)信息技術(shù)課程的主要目標(biāo)就是實(shí)踐與應(yīng)用。學(xué)生應(yīng)將所學(xué)知識(shí)靈活地應(yīng)用到日常生活與學(xué)習(xí)中，從而解決現(xiàn)實(shí)中的問題。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，理解與掌握了Mind+軟件與Micro:bit 開源硬件的使用原理，然后再通過小組合作的形式對(duì)聲控?zé)糸_關(guān)時(shí)的抖動(dòng)問題進(jìn)行了探究，極大地提高了對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算思維的強(qiáng)化。

（四）師生互動(dòng)，分享反思

在實(shí)際教學(xué)中，班級(jí)里每個(gè)學(xué)生對(duì)于信息技術(shù)的學(xué)習(xí)能力及對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度各不相同，甚至存在明顯的差異。這種差異使得學(xué)生在課堂教學(xué)中接收到的知識(shí)及信息也不盡相同。在每節(jié)課教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，教師應(yīng)以復(fù)習(xí)的形式總結(jié)問題，引導(dǎo)學(xué)生反思項(xiàng)目探究過程中存在的問題，并思考解決方案，從而不斷提升學(xué)生的計(jì)算思維。在“人工智能聲控?zé)簟表?xiàng)目探究活動(dòng)結(jié)束后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生繪制本次項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)圖，利用流程圖對(duì)人工智能聲控?zé)糸_關(guān)程序進(jìn)行分解：如果有“關(guān)”的語言，燈會(huì)關(guān)閉；如果有“開”的語言，燈將打開。學(xué)生通過認(rèn)真觀察流程圖，可以將問題解決轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)，使自身的邏輯思維更加清晰。同時(shí)，教師可以讓學(xué)生根據(jù)流程圖進(jìn)行演練與測(cè)試，在測(cè)試中尋找問題，并討論解決的方法，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。此外，在繪制結(jié)構(gòu)圖的過程中，教師應(yīng)及時(shí)向?qū)W生提問，例如：語音助手這個(gè)項(xiàng)目可以分為哪幾部分，每部分的主要內(nèi)容是什么；針對(duì)聲控開關(guān)燈抖動(dòng)的問題，最好的處理方式是什么；在生活中，還能設(shè)計(jì)哪些語音交互方面的程序。這些師生問答，既增強(qiáng)了課堂中師生互動(dòng)的效果，又對(duì)本堂課的知識(shí)進(jìn)行了總結(jié)，加深了學(xué)生對(duì)“人工智能聲控?zé)簟敝兴鶎W(xué)知識(shí)的理解。此外，教師應(yīng)積極鼓勵(lì)各小組學(xué)生向其他組分享自己的制作思路及在制作過程中遇到的問題，并對(duì)項(xiàng)目的不足之處進(jìn)行反思，使得學(xué)生高效地掌握“人工智能聲控?zé)簟边@一課所學(xué)的知識(shí)，為其計(jì)算思維的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

當(dāng)下是信息技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)代，也是人工智能廣泛應(yīng)用于日常生活的時(shí)代。人與計(jì)算機(jī)之間的交流越來越緊密，而計(jì)算思維則是實(shí)現(xiàn)未來人機(jī)深層交流最基礎(chǔ)的思維能力。因此，作為初中階段信息技術(shù)教育者，教師應(yīng)深刻理解計(jì)算思維的內(nèi)涵，合理、科學(xué)地開展程序教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。此外，教師還需要明確問題解決與計(jì)算思維之間的關(guān)系，合理地應(yīng)用基于問題解決的初中生計(jì)算思維培養(yǎng)策略，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性、好奇心與求知欲，在提高學(xué)生的合作能力及自主探究能力的同時(shí)，幫助學(xué)生提升對(duì)實(shí)際問題的解決能力及計(jì)算思維能力。