創(chuàng)客教育視域下高中生計(jì)算思維培養(yǎng)路徑研究

李海磊

［摘 要］目前絕大多數(shù)高中生都無(wú)法做到從人、技術(shù)、社會(huì)等角度全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)信息技術(shù)，缺乏對(duì)信息行為的批判性分析能力，因此需要多維度提升學(xué)生以計(jì)算思維為代表的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)。開設(shè)創(chuàng)客校本課程是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的優(yōu)良路徑。文章從“創(chuàng)設(shè)教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建計(jì)算思維知覺場(chǎng)”“主動(dòng)建構(gòu)，內(nèi)化計(jì)算思維”“融合項(xiàng)目學(xué)習(xí)，拓展計(jì)算思維”等方面闡述了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以期優(yōu)化校本課程建設(shè)和培養(yǎng)引領(lǐng)時(shí)代發(fā)展的一流數(shù)字人才。

［關(guān)鍵詞］計(jì)算思維；創(chuàng)客教育；項(xiàng)目學(xué)習(xí)

［中圖分類號(hào)］ ? ?G633.67 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號(hào)］ ? ?1674-6058（2023）11-0090-04

現(xiàn)階段以移動(dòng)通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等為代表的新興信息技術(shù)正以前所未有的方式和速度滲透到各個(gè)行業(yè)、領(lǐng)域中，人類社會(huì)越來(lái)越數(shù)字化、智能化。當(dāng)代高中生恰好成長(zhǎng)于這樣的數(shù)字化時(shí)代，他們的成長(zhǎng)過(guò)程就是一個(gè)和各種各樣數(shù)字化設(shè)備、信息化工具打交道的過(guò)程。他們使用數(shù)字化設(shè)備、信息化工具解決問(wèn)題的意識(shí)普遍較強(qiáng)，信息技術(shù)基礎(chǔ)較好。但我們也應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到，高速發(fā)展的數(shù)字技術(shù)一方面孕育出了豐富的信息技術(shù)生態(tài)，是幫助高中生自主學(xué)習(xí)、開闊視野的“助力器”；另一方面它也在潛移默化地影響著學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)習(xí)理念、思維方式、行為準(zhǔn)則和道德觀念等。目前，絕大多數(shù)高中生都無(wú)法做到從人、技術(shù)、社會(huì)等角度全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)信息技術(shù)，缺乏對(duì)信息行為的批判性分析能力，他們?cè)谑褂眯畔⒒ぞ呓鉀Q問(wèn)題的過(guò)程中容易被信息技術(shù)所“控制”。因此，高中階段的信息技術(shù)教育亟須從信息技術(shù)知識(shí)與技能的傳授向注重培養(yǎng)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的方向轉(zhuǎn)變，深挖信息技術(shù)學(xué)科的潛在功能和方法特征，幫助學(xué)生從深層次上認(rèn)識(shí)信息技術(shù)工具，知道它們的內(nèi)涵本質(zhì)、工作方法和應(yīng)用流程，同時(shí)強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)學(xué)科特有的理念以及運(yùn)用信息技術(shù)知識(shí)解決問(wèn)題的思維和能力，即發(fā)展計(jì)算思維。計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，計(jì)算思維的培養(yǎng)是信息技術(shù)教育的重中之重。下面筆者結(jié)合多年來(lái)在創(chuàng)客校本課程開發(fā)建設(shè)方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維談?wù)勛约旱恼J(rèn)識(shí)。

一、計(jì)算思維的含義

計(jì)算思維是美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授于2006年提出的。計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。具備良好計(jì)算思維的個(gè)體，在面對(duì)問(wèn)題時(shí)能主動(dòng)采用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的思想方法界定問(wèn)題、抽象與建模、設(shè)計(jì)問(wèn)題解決的算法并綜合利用各種資源去解決問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中，個(gè)體會(huì)進(jìn)行一系列的思維活動(dòng)，從而內(nèi)化思維方式，提升思維品質(zhì)。

二、計(jì)算思維培養(yǎng)的著力點(diǎn)

將計(jì)算思維納入信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)是《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的重大創(chuàng)新之一，這不僅是國(guó)家和社會(huì)發(fā)展的需要，更是建立、健全學(xué)生人格和促進(jìn)學(xué)生終身發(fā)展的需要。學(xué)校、課程是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的主陣地。結(jié)合多年來(lái)在信息技術(shù)課程、創(chuàng)客校本課程開發(fā)建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面落實(shí)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

（一）創(chuàng)設(shè)教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建計(jì)算思維知覺場(chǎng)

現(xiàn)代教學(xué)理念認(rèn)為，無(wú)論是物理環(huán)境還是心理環(huán)境，都是影響學(xué)習(xí)者認(rèn)知能力的重要因素。理論的提出者梅洛·龐蒂認(rèn)為，知識(shí)是學(xué)習(xí)者在已有知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建構(gòu)而來(lái)的，是學(xué)習(xí)者和認(rèn)知對(duì)象、認(rèn)知環(huán)境在相互作用的過(guò)程中完成建構(gòu)的。因此，創(chuàng)設(shè)適宜的教學(xué)環(huán)境對(duì)高中生認(rèn)知能力的提升具有重要意義。

在多年的創(chuàng)客校本課程開發(fā)建設(shè)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，大型多媒體互動(dòng)設(shè)備、3D打印、虛擬現(xiàn)實(shí)等數(shù)字化工具、設(shè)備能有效幫助師生構(gòu)建情境、項(xiàng)目，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更加立體的感知環(huán)境、實(shí)現(xiàn)“身”與“心”的多元融合。在教學(xué)過(guò)程中，教師充分運(yùn)用這些數(shù)字化工具可以幫助學(xué)生在知識(shí)、技能的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練中達(dá)到事半功倍的效果，幫助學(xué)生更快、更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)概念的內(nèi)涵、事物運(yùn)動(dòng)發(fā)展的本質(zhì)，持續(xù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，減緩學(xué)生的學(xué)習(xí)疲勞感。基于此，在學(xué)校的大力支持下，筆者為創(chuàng)客校本課程創(chuàng)設(shè)了基于計(jì)算機(jī)教室（多媒體機(jī)房）的教學(xué)環(huán)境，其基本架構(gòu)如圖1所示。通過(guò)創(chuàng)設(shè)教學(xué)環(huán)境，可為學(xué)生構(gòu)建思維知覺場(chǎng)。

（二）主動(dòng)建構(gòu)，內(nèi)化計(jì)算思維

計(jì)算思維是一種思維方式，指導(dǎo)著個(gè)體的行為，而個(gè)體的行為又反過(guò)來(lái)強(qiáng)化思維方式和行為習(xí)慣，使得思維更深刻。選擇優(yōu)秀的教育理念對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)有重要意義。建構(gòu)主義認(rèn)為，知識(shí)的獲取不是簡(jiǎn)單的“傳遞”而是個(gè)人的“建造”，強(qiáng)調(diào)“制作中學(xué)習(xí)”，提倡在設(shè)計(jì)和制作中獲取知識(shí)、技能。因此，好的計(jì)算思維培養(yǎng)策略應(yīng)當(dāng)是鼓勵(lì)個(gè)體在探索實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)思維自動(dòng)提升和內(nèi)化。

創(chuàng)客教育尤其強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的“綜合力”“創(chuàng)造力”“勝任力”，即讓學(xué)生通過(guò)親自動(dòng)手實(shí)踐把自己的創(chuàng)意、想法以項(xiàng)目作品（包括數(shù)字式的項(xiàng)目）、實(shí)物等方式呈現(xiàn)出來(lái)。學(xué)生在借助各種資源進(jìn)行設(shè)計(jì)、創(chuàng)造的過(guò)程中獲得的知識(shí)和體驗(yàn)是最為深刻的。學(xué)生在造“物”的過(guò)程中會(huì)自動(dòng)提升自己的各種能力，實(shí)現(xiàn)包括計(jì)算思維在內(nèi)的多種思維的內(nèi)化。筆者曾開展過(guò)有關(guān)“python編程”的創(chuàng)客教學(xué)實(shí)踐。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者特別重視學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維習(xí)慣的養(yǎng)成。以講授“二分查找算法”為例，二分查找算法是一種非常優(yōu)美、高效的算法，但是它只適用于具有單調(diào)性序列的場(chǎng)景。如果按照傳統(tǒng)的思路，一般會(huì)結(jié)合“猜數(shù)字”“猜價(jià)格”等情境開展教學(xué)，這些案例大部分學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中已經(jīng)聽過(guò)、見過(guò)，比較熟悉。雖然引用這些案例能夠降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，但是難以激發(fā)他們的探究欲望和學(xué)習(xí)興趣，還會(huì)使得課堂教學(xué)退化到知識(shí)機(jī)械講授、技能簡(jiǎn)單操練的模式上，學(xué)生主動(dòng)思考、主動(dòng)構(gòu)建的活動(dòng)比較少，使得計(jì)算思維培養(yǎng)工作不能充分開展。對(duì)此，筆者試著從其他角度選擇素材，創(chuàng)設(shè)不一樣的情境。筆者注意到，學(xué)生在日常學(xué)習(xí)與生活中經(jīng)常玩一種“諧音?！庇螒?，比如“瀚海闌干百丈冰”“酸脫羥基醇脫氫”等，筆者由此獲得靈感，設(shè)計(jì)了一個(gè)名為“紙條兒的秘密” 的解密游戲，并在其中嵌入了二分查找算法。這個(gè)游戲設(shè)計(jì)的基本思路如下：制作兩本小冊(cè)子，在第一本小冊(cè)子中的每一頁(yè)設(shè)有密文字符，且密文字符的ASCII碼值隨著頁(yè)碼的增大而增大；在第二本小冊(cè)子中的每一頁(yè)設(shè)有明文字符。確保第一本小冊(cè)子中的密文通過(guò)頁(yè)碼和第二本小冊(cè)子中的明文形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于要解密的字符，先在第一本小冊(cè)子中以“二分法”快速翻到密文所在頁(yè)，求得頁(yè)碼，然后在第二本小冊(cè)子中也以“二分法”快速翻到對(duì)應(yīng)頁(yè)碼處，求得明文字符。這個(gè)游戲激起了學(xué)生濃厚的興趣，學(xué)生在探索解密方法的過(guò)程中完成了對(duì)“二分查找”算法的思想、算法表達(dá)、算法實(shí)現(xiàn)路徑等方面的探究學(xué)習(xí)。整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程以學(xué)生對(duì)游戲產(chǎn)生濃厚興趣、萌發(fā)解決問(wèn)題的強(qiáng)烈欲望為起點(diǎn)，以完成項(xiàng)目表達(dá)、評(píng)價(jià)反饋為終點(diǎn)，學(xué)生小組討論、自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考的學(xué)習(xí)活動(dòng)多，教師主動(dòng)講授、學(xué)生被動(dòng)接受的活動(dòng)少。該過(guò)程提高了學(xué)生的思辨能力和思維能力?！岸植檎宜惴ā钡恼n堂教學(xué)的簡(jiǎn)要實(shí)現(xiàn)路徑如圖2所示。

（三）融合項(xiàng)目學(xué)習(xí)，拓展計(jì)算思維

項(xiàng)目學(xué)習(xí)是基于真實(shí)生活情境發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、界定問(wèn)題、抽象建模、形成問(wèn)題解決方案并最終解決問(wèn)題的一系列研究性學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、提升學(xué)生綜合素養(yǎng)的良好途徑。計(jì)算思維不僅適用于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，還能提供一種廣泛應(yīng)用于工作、生活、學(xué)習(xí)的分析問(wèn)題的視角。計(jì)算思維是項(xiàng)目學(xué)習(xí)能夠正常推進(jìn)的重要保證，同時(shí)，項(xiàng)目學(xué)習(xí)也能有效提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。下面以筆者在高二年級(jí)開設(shè)的《初識(shí)人工智能》創(chuàng)客校本課程中的“走進(jìn)智能圖像識(shí)別”為例，闡述在這項(xiàng)課程實(shí)踐中開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)、培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的具體做法。

（1）明確項(xiàng)目目標(biāo)。現(xiàn)階段的高中學(xué)生絕大多數(shù)都有使用智能設(shè)備進(jìn)行圖片識(shí)別的經(jīng)歷，但對(duì)于“圖片識(shí)別涉及哪些算法？”“這些算法的原理是怎樣的？”“如何搭建屬于自己的、個(gè)性化的智能圖像識(shí)別系統(tǒng)？”等問(wèn)題，大多數(shù)學(xué)生不能很快地給出清晰、準(zhǔn)確的答案。因此，教師需要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷一次完整的智能圖像識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程，由此幫助學(xué)生對(duì)智能圖像識(shí)別形成深刻的認(rèn)識(shí)和理解，真正促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維、工程思維、創(chuàng)新能力的提升。

（2）選擇開源資源。秉持開放、共享理念的開源資源，這些年來(lái)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在教學(xué)中，教師適當(dāng)借助開源資源，可以使學(xué)生把主要精力放在重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題的提出、界定、抽象建模以及解決方案的設(shè)計(jì)等方面，而不是耗費(fèi)在繁雜的技術(shù)細(xì)節(jié)上。比如，在建設(shè)“智能文字識(shí)別”系統(tǒng)的過(guò)程中，學(xué)生搜索相關(guān)資源，翻看社區(qū)評(píng)論，查閱大量資料，最終確定以開源資源“easyOCR”為基礎(chǔ)完成項(xiàng)目建設(shè)。這種第三方開源資源的引入，使學(xué)生節(jié)省了大量的時(shí)間，大幅度降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度，使得項(xiàng)目學(xué)習(xí)能落在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)，保證了項(xiàng)目建設(shè)的完整性。

（3）項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程。智能圖像識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)容繁雜，涉及的算法大都艱深難懂，而高中生又課業(yè)壓力大，難以有充裕的時(shí)間細(xì)致研究這些技術(shù)細(xì)節(jié)。基于此，筆者首先帶領(lǐng)學(xué)生研讀人工智能的發(fā)展史，厘清智能圖像識(shí)別的分類和發(fā)展脈絡(luò)；然后將整個(gè)項(xiàng)目工程拆分為若干個(gè)子項(xiàng)目，如“文字識(shí)別”“物品識(shí)別”“人臉識(shí)別”“車牌號(hào)碼識(shí)別”，分而治之、逐一突破，降低了項(xiàng)目實(shí)施的難度，保證了項(xiàng)目的順利實(shí)施。

這種把整個(gè)大項(xiàng)目分解為幾個(gè)子項(xiàng)目的過(guò)程本身就是計(jì)算思維中迭代、分治等算法思想的實(shí)踐應(yīng)用。該階段的實(shí)踐能夠綜合鍛煉和提升學(xué)生的整體規(guī)劃能力、辯證思維、統(tǒng)籌規(guī)劃思維、矛盾主次方面的把握等多方面的能力。

因?yàn)槲淖肿R(shí)別系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，所以第一個(gè)子項(xiàng)目就確定為實(shí)現(xiàn)“光學(xué)字符識(shí)別OCR”系統(tǒng)的搭建。在經(jīng)歷了軟件安裝、系統(tǒng)配置、算法設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)等環(huán)節(jié)的實(shí)踐后，學(xué)生打造的文字識(shí)別系統(tǒng)能夠成功地識(shí)別出中文簡(jiǎn)體字符。在這個(gè)子項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中，學(xué)生學(xué)會(huì)了如何借助、使用第三方資源，并學(xué)會(huì)了使用Python編程語(yǔ)言修改代碼段，把原始系統(tǒng)構(gòu)建成符合自我創(chuàng)意的個(gè)性化信息系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了文字識(shí)別系統(tǒng)的個(gè)性化表達(dá)。該項(xiàng)目的主要實(shí)施過(guò)程如表1所示。

這個(gè)子項(xiàng)目的成功實(shí)施給了學(xué)生巨大的鼓舞，極大地激發(fā)了他們繼續(xù)探索的熱情，而且這個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程的很多策略、方法、做法都可以遷移到其他子項(xiàng)目中，大大增強(qiáng)了學(xué)生挑戰(zhàn)難度更大、復(fù)雜程度更高的項(xiàng)目的信心，因此余下的幾個(gè)子項(xiàng)目的構(gòu)建就相對(duì)順利得多。

在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，需要學(xué)生使用工程思維、計(jì)算思維抽象出項(xiàng)目的主次方面，每一次問(wèn)題的提出、探索與解決都是一個(gè)算法的設(shè)計(jì)、實(shí)施、評(píng)估、反饋的過(guò)程。這樣的過(guò)程不是一次性就完結(jié)了的，而是常常需要往復(fù)很多次。在這樣不斷迭代、優(yōu)化的過(guò)程中，學(xué)生的計(jì)算思維得到了不斷內(nèi)化和提升。

三、結(jié)語(yǔ)

在這樣一個(gè)高度數(shù)字化、信息化的環(huán)境中，計(jì)算思維已經(jīng)成為和閱讀、寫作、算術(shù)等同等重要的元認(rèn)知能力，是高素質(zhì)數(shù)字化人才必備的核心素養(yǎng)之一，而創(chuàng)客教育是公認(rèn)的、實(shí)現(xiàn)學(xué)生高階思維培養(yǎng)的良好途徑。每個(gè)信息技術(shù)教育工作者都應(yīng)基于學(xué)校現(xiàn)有的信息技術(shù)軟硬件課程實(shí)施環(huán)境，主動(dòng)構(gòu)建、自主創(chuàng)新，探索適合自己學(xué)校條件的、個(gè)性化的創(chuàng)客教育內(nèi)容與方法，提升學(xué)生適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的核心素養(yǎng)，努力培養(yǎng)能夠適應(yīng)未來(lái)社會(huì)、引領(lǐng)時(shí)代發(fā)展的一流數(shù)字人才，助力我國(guó)在第四次工業(yè)革命的征途中率先搶占人工智能高地。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

［1］ ?任友群，黃榮懷.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版2020年修訂）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2020：41.

［2］ ?呂琳，余峻展，鐘柏昌.面向計(jì)算思維培養(yǎng)的跨學(xué)科教育項(xiàng)目設(shè)計(jì)：以STEAM教育項(xiàng)目“模擬投籃游戲”為例［J］.中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2022（11）：10-14.

（責(zé)任編輯 黃春香）