指向計算思維培養(yǎng)的項目式學(xué)習(xí)研究
——以人工智能模塊主題活動課為例

江蘇省南京市瑞金北村小學(xué)（南京航空航天大學(xué)附屬小學(xué)） 金 晶

《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出：“從中小學(xué)做起，注重激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、科學(xué)興趣和創(chuàng)新意識，加強科學(xué)方法的訓(xùn)練，逐步培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維與辯證思維的能力。研究制定中小學(xué)生科學(xué)素質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用各類社會科技教育資源，大力開展校內(nèi)外結(jié)合的科技教育活動，加強對學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、信息素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?！边@就要求中小學(xué)教育要關(guān)注學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。計算思維貫穿了問題解決的過程，應(yīng)包含以下特點：（1）提出問題；（2）組織和分析數(shù)據(jù)；（3）抽象、再現(xiàn)數(shù)據(jù)；（4）通過算法思想，支持自動化的解決方案；（5）識別、分析后，找到最有效的方案；（6）將求解過程推廣并移植到更廣泛的問題中。中科院院士陳國良則提出計算思維是以計算為核心，同時還包括抽象、設(shè)計、自動化、通信、協(xié)作、評估、記憶等一些層次概念。計算思維能力集中體現(xiàn)了知識時代對人才素質(zhì)提出的新要求，是適應(yīng)知識時代發(fā)展的關(guān)鍵能力。

計算思維作為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，要如何培養(yǎng)？它不是教師“教”出來的，而是學(xué)生自己“學(xué)”出來的。只有把教師“灌輸”“填鴨”式的“教”轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自己的“學(xué)”，通過自我構(gòu)建，深度學(xué)習(xí)才會發(fā)生，計算思維才能得到發(fā)展。如何將這些要求落實到日常教學(xué)之中，這需要找到一個合適的抓手，項目式學(xué)習(xí)應(yīng)運而生。項目式學(xué)習(xí)以高階目標(biāo)為導(dǎo)向，通過在真實的情境中開展一系列活動，讓學(xué)生親歷問題解決的整個流程，從而實現(xiàn)對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。因此，筆者基于蘇科版信息技術(shù)六年級教材中人工智能模塊，梳理重構(gòu)教材內(nèi)容，以“生活中的人工智能——智能分類垃圾桶”這一主題活動課為例，通過雙師課堂的形式，開展項目式學(xué)習(xí)實踐研究。本項目的設(shè)計包含教師活動、項目實踐、學(xué)生活動以及思維活動四個模塊，具體流程如圖1所示。

圖1 智能分類垃圾桶項目模塊化

一、創(chuàng)設(shè)生活情境：營造計算思維生發(fā)的場域

信息技術(shù)課程內(nèi)容應(yīng)該具有綜合性，能夠超越封閉的單一學(xué)科知識體系和固定的課堂教學(xué)時空局限，與其他學(xué)科課程融合起來，面向?qū)W生的生活，幫助學(xué)生建構(gòu)對世界的完整認識。能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力的情境應(yīng)當(dāng)源于真實世界中存在的問題，這種情境可能會涉及多學(xué)科領(lǐng)域的內(nèi)容，觸發(fā)學(xué)生使用信息技術(shù)手段解決生活中存在的問題，在解決問題的過程中鍛煉思維、提升能力。

項目式學(xué)習(xí)是基于真實情境和問題的，“垃圾分類”就是現(xiàn)實世界中的問題，且與學(xué)生生活密切相關(guān)。學(xué)生在這節(jié)課的收獲是直接鏈接生活的，屬于有意義的學(xué)習(xí)，也是本節(jié)課項目設(shè)計的出發(fā)點。在前面的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)初步掌握了一種人工智能平臺軟件的使用，并可以進行簡易的程序搭建。以智能分類垃圾桶的物化為載體，對這個實例進行分析實踐，可以幫助學(xué)生將對人工智能的感受上升為真正的認識。

基于此，教師設(shè)計“垃圾分類收集前期調(diào)查表”，學(xué)生通過分組活動選擇身邊常見的場景，如學(xué)校、社區(qū)、公園，觀察其中存在的問題，并初步提出可行的解決方案。在調(diào)查中學(xué)生發(fā)現(xiàn)了不少問題：“許多人不知道自己扔的垃圾是哪一類。”“小區(qū)的垃圾桶只有可回收和不可回收兩種，不符合標(biāo)準(zhǔn)……”“有的人會隨意把垃圾扔進垃圾桶！”隨著垃圾分類進入“強制”時代，每一個人都不可能置身事外，每一個人都要承擔(dān)起相應(yīng)的社會責(zé)任。在“生活即教育”的教育理念指導(dǎo)下，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實際情況，借助信息技術(shù)，通過“智能分類垃圾桶”產(chǎn)品項目的實踐過程，讓學(xué)生體驗計算思維的工作方式，掌握基礎(chǔ)性人工智能產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計、創(chuàng)作物化的過程途徑，感受人工智能技術(shù)給生活帶來的改變和便利。

“最近發(fā)展區(qū)”理論認為，學(xué)習(xí)與發(fā)展是一種社會和合作活動，它們是永遠不能被教給某個人的。學(xué)生要在自己的頭腦中構(gòu)筑屬于自己的理解。而在這一過程中，教師則扮演著促進者和幫助者的角色，指導(dǎo)、激勵、幫助學(xué)生全面發(fā)展。在項目式學(xué)習(xí)中教師需要轉(zhuǎn)換自己的角色與身份，如本項目，為了更好地推動項目的開展，課堂中出現(xiàn)了兩位教師：一位教師扮演項目指導(dǎo)，帶領(lǐng)學(xué)生歸納梳理前調(diào)結(jié)果，引入項目情境，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題提出解決方案，進行項目規(guī)劃；另一位教師的身份則是技術(shù)指導(dǎo)，負責(zé)在學(xué)生具體實施的過程中幫助學(xué)生梳理流程圖、完成算法設(shè)計和實物搭建。最后，再由項目指導(dǎo)負責(zé)評價、總結(jié)，并引導(dǎo)學(xué)生對本項目進行迭代和反思。

二、搭建學(xué)習(xí)支架：助推學(xué)生思維的持續(xù)發(fā)展

在項目式學(xué)習(xí)中，借由一個完整的項目將細化的碎片活動串聯(lián)成一個層次分明、循序漸進的過程，通過創(chuàng)建學(xué)習(xí)共同體的形式，兼顧個性與共性，照顧到不同層次學(xué)生的需求，從而實現(xiàn)從低階思維到計算思維的進階。由于真實情境中的問題一般由多種要素組成，相對復(fù)雜，對于六年級學(xué)生而言具有一定的難度，為了使學(xué)生的計算思維能力在項目活動的開展中得到持續(xù)發(fā)展，教師在開發(fā)與設(shè)計項目時，還需要考慮項目的可實施性，因此學(xué)習(xí)支架必不可少。

例如，在本項目中，教師為學(xué)生提供了一份長達8頁的詳細“項目書”，其中包含6個模塊的內(nèi)容：封面、前期調(diào)查表、項目說明、項目規(guī)劃、項目實施指南（包含小組成員分工說明、教師提供資料說明、算法流程圖三個子目錄）、項目評價與總結(jié)。項目模擬了一家科技環(huán)保公司，其承擔(dān)了“南京市垃圾分類收集項目”的開發(fā)和建設(shè)任務(wù)，現(xiàn)邀請同學(xué)們參與項目模型的設(shè)計。項目書的“規(guī)劃”與“實施”部分是學(xué)生成功完成項目的關(guān)鍵所在，“規(guī)劃”部分中學(xué)生要對自己即將制作的產(chǎn)品進行功能設(shè)計、材料選擇和人員分工，這是后續(xù)所有操作的前提。人員到底如何分工，每個成員負責(zé)什么，則在“實施指南”中給出明確的界定，每個學(xué)生根據(jù)自己的特點進行選擇，發(fā)揮眾人之長，有效的分工合作為后續(xù)的具體操作提供了保障。具體內(nèi)容如表1、表2所示。

表1 項目規(guī)劃

表2 項目成員分工

好的學(xué)習(xí)支架，還需要對學(xué)習(xí)活動進行細化，將每一個目標(biāo)與項目活動一一對應(yīng)，每個活動要有明確的活動名稱、任務(wù)目標(biāo)、活動要求、評價方式等。在本項目中，學(xué)生活動一共包含多個子活動，起于課前，行于課內(nèi)，止于課后。課前要實地走訪調(diào)查、學(xué)習(xí)垃圾分類知識；課內(nèi)通過思考、討論、分析確定方案，開展功能設(shè)計，根據(jù)分工說明完成項目規(guī)劃，動手實踐制作智能分類垃圾桶，反思活動中存在的問題并提出改進意見；課后完成詳細的項目評價與總結(jié)報告，探索、拓展學(xué)習(xí)資源。

以“實物制作”這一活動為例，活動名稱是“搭建智能分類垃圾桶”，對應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)有：（1）從生活需求出發(fā)，在對實際問題的求解中體驗人工智能的用途、原理、算法等；（2）學(xué)會使用思維導(dǎo)圖、流程圖等認知工具進行規(guī)劃設(shè)計、解析程序過程，并進行活動項目實踐；（3）結(jié)合人工智能平臺的常規(guī)模塊，嘗試進行創(chuàng)新數(shù)字化作品的創(chuàng)作。

任務(wù)要求有：（1）拿出材料，完成垃圾桶模型搭建和連接；（2）打開人工智能平臺軟件，完成項目書第六頁中的流程圖，編寫程序；（3）測試與調(diào)試程序。驗收標(biāo)準(zhǔn)是：（1）基于場景，垃圾桶分配合理；（2）垃圾桶蓋開和關(guān)穩(wěn)固流暢；（3）垃圾桶智能功能成功實現(xiàn)。本次活動教師提供給學(xué)生的輔助資料有半成品流程圖及5個指導(dǎo)微視頻。對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)有：（1）合理選擇垃圾桶數(shù)量，合理利用提供的材料且沒有浪費損壞；（2）舵機擺臂連接穩(wěn)固，角度設(shè)置合理；（3）腳本運行流暢。

通過上述細致劃分，有效地引導(dǎo)學(xué)生參與到項目活動之中，促進學(xué)生建構(gòu)新知的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，助推學(xué)生思維的持續(xù)發(fā)展。

三、分組合作實踐：聚焦算法，親歷問題解決過程

信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“計算思維”是指能夠?qū)⒁粋€復(fù)雜的問題，利用計算思維的獨特過程，分解為多個簡單的小問題，通過分析，借助一定的工具如思維導(dǎo)圖、流程圖等，將思維的過程可視化，找出其中的規(guī)律，并據(jù)此培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。計算思維的終點是問題解決，側(cè)重通過問題分解來實現(xiàn)目標(biāo)。聚焦算法可以引導(dǎo)學(xué)生在分解問題、設(shè)計算法的過程中親歷問題解決的過程，在優(yōu)化算法、迭代反思的過程中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

在本項目的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要關(guān)注兩個層面的算法，第一個層面是完成人工智能程序腳本，控制對應(yīng)垃圾桶蓋開關(guān)。算法設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的核心內(nèi)容，學(xué)生將之前提出的解決思路用程序語言表達出來，在不斷調(diào)試代碼的過程中，使計算機能夠順利實現(xiàn)自動執(zhí)行。在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生將實現(xiàn)從自然語言到程序語言的轉(zhuǎn)化，教師要做的就是引導(dǎo)他們利用所學(xué)知識和已經(jīng)掌握的方法，借助項目書和學(xué)具，進行自主探究和小組合作，在流程圖的基礎(chǔ)上完成算法設(shè)計和優(yōu)化，在進行數(shù)據(jù)調(diào)整與程序調(diào)整的同時，還可以提出對程序功能進行迭代的設(shè)計思路。本項目中程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程模式

對于學(xué)生而言，技術(shù)實現(xiàn)部分是整個項目實施中的難點。因此，在項目制作階段，教師應(yīng)作為技術(shù)指導(dǎo)給予幫助。在這個環(huán)節(jié)，學(xué)生先初步嘗試，因為他們在“觀察、搭建、操作、實踐”的時候，也是在經(jīng)歷思維活動的過程。在此基礎(chǔ)上，教師提醒、引導(dǎo)學(xué)生先思考再實踐，促進學(xué)生加深對知識技能的理解，提升思維水平。

第二個層面則是通過項目書的輔助和項目實施的過程，歸納得出設(shè)計開發(fā)簡易人工智能產(chǎn)品的一般流程：需求（前期調(diào)研、發(fā)現(xiàn)問題）—設(shè)想（初步設(shè)想）—規(guī)劃（功能設(shè)計、材料選擇、人員分工）—物化（實物制作、功能測試）—迭代（完善改進）。 “智能分類垃圾桶”產(chǎn)品項目的實踐過程可以讓學(xué)生體驗計算思維的工作方式，掌握基礎(chǔ)性人工智能產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計、創(chuàng)作物化的過程途徑，感受人工智能技術(shù)給生活帶來的改變和便利。

整個項目的設(shè)計，包括教學(xué)流程、板書設(shè)計、項目書、學(xué)件等都以指導(dǎo)問題解決為目標(biāo)，緊密圍繞著算法思維展開，以完成“智能分類垃圾桶”這一產(chǎn)品為任務(wù)線，以問題解決、計算思維的培養(yǎng)為素養(yǎng)線，以敢于質(zhì)疑權(quán)威、勇于迎難而上為情感線，三條線索交織穿插，共同推動項目的開展，拓展思維的深度。項目階段劃分如圖3所示，板書設(shè)計如圖4所示。

圖3 項目階段劃分模式

圖4 板書設(shè)計

另外，總結(jié)與反思也是項目式學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，持續(xù)的過程性評價和全面的總結(jié)性評價相輔相成。及時開展反饋和評價可以讓學(xué)生及時掌握自己的學(xué)習(xí)狀況，并對小組活動做出有針對性的調(diào)整。學(xué)生在對學(xué)習(xí)過程進行自我監(jiān)控的同時，可以鍛煉和提升計算思維。從本案例最終的課堂反饋來看，這種以項目式學(xué)習(xí)為載體，在解決問題的過程中引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的方式能取得較好的教學(xué)效果。

培養(yǎng)學(xué)生的計算思維不是讓學(xué)生像計算機一樣思考，而是讓學(xué)生學(xué)會像科學(xué)家一樣進行科學(xué)、深入、有效的思考，最終提升解決問題的能力。計算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的關(guān)鍵能力，對學(xué)生的個體發(fā)展有著重大意義，作為一線教師，我們還需不斷努力，提高自身水平以滿足時代的需求。