面向計算思維培養(yǎng)的高中人工智能課程教學(xué)實(shí)踐
——基于開源硬件設(shè)計

姜冰倩 楊曉雨 顧小清

（1. 華東師范大學(xué) a.教育學(xué)部教育信息技術(shù)學(xué)系; b.上海數(shù)字化教育裝備工程技術(shù)研究中心，上海 200062； 2. 西安交通大學(xué)蘇州附屬中學(xué)，江蘇 蘇州 215127）

引言

人工智能作為引領(lǐng)未來的新技術(shù)，極大地推動了社會發(fā)展，語音識別、人臉識別、自動駕駛等。人工智能技術(shù)正在深刻改變著社會生活，普及人工智能教育成為未來公民適應(yīng)智能社會發(fā)展的客觀需求。在新一輪課程標(biāo)準(zhǔn)修訂后，人工智能成為高中信息技術(shù)學(xué)科的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，并提出了以培養(yǎng)計算思維等核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)改革方向。作為數(shù)字時代青少年必備的基本能力之一，計算思維對認(rèn)識數(shù)字世界、解決數(shù)字化問題具有重要意義。但尚處在探索階段的高中人工智能課程，其學(xué)習(xí)內(nèi)容主要集中在人工智能知識和特定算法實(shí)現(xiàn)方面，關(guān)注技能訓(xùn)練卻忽視計算思維培養(yǎng)。因此，需要更新課程內(nèi)容、轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，探索素養(yǎng)導(dǎo)向下的人工智能課程教學(xué)模式。

一、研究綜述

（一）計算思維相關(guān)研究

計算思維培養(yǎng)是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的核心議題[1]。這一概念最早由周以真（Jeannette M.Wing）[2]提出，定義為“利用計算機(jī)科學(xué)的基本概念來解決問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為”。隨著計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域和教育領(lǐng)域?qū)τ嬎闼季S研究的持續(xù)深入，針對這一概念的界定形成了不同視角，但國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為計算思維是一種計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思維方式，也是一種解決問題的方式?；谟嬎闼季S的特征，國際教育技術(shù)協(xié)會等相關(guān)組織從可操作性的角度，將計算思維的定義進(jìn)行了細(xì)化，認(rèn)為計算思維的特征包括但不限于以下內(nèi)容：以計算機(jī)等工具為輔助，形成問題解決的表述方法，有邏輯性地組織和分析數(shù)據(jù)；通過抽象的方法表示數(shù)據(jù)；通過算法形成自動化的問題解決方案；識別、分析和實(shí)施各種可行的解決方案，并整合最有效的方案和資源；推廣問題的求解過程，并遷移至更廣泛的問題解決與應(yīng)用中[3]。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過多位研究者從不同視角的分析、實(shí)踐和拓展，計算思維的核心實(shí)踐可以界定為分解、抽象、算法、評估、遷移5大要素。

圍繞青少年計算思維培養(yǎng)，國內(nèi)外均開展了諸多探索。如周平紅等人[4]利用可視化編程構(gòu)建STEM 課程，借助STEM 工程設(shè)計模式培養(yǎng)學(xué)生計算思維，提出包括界定問題、提出解決方案、構(gòu)建和測試模型、優(yōu)化方案、評價5 個步驟的可視化編程教學(xué)模式。宿慶等人[5]基于項目式學(xué)習(xí)模式構(gòu)建開源硬件課程，以計算思維培養(yǎng)中的問題解決為核心，提出了問題聚焦、問題確定等6 個項目實(shí)施的教學(xué)環(huán)節(jié)。張屹等人[6]在高中人工智能教學(xué)中引入游戲化學(xué)習(xí)“輸入—過程—結(jié)果”的學(xué)習(xí)模型，利用游戲激發(fā)學(xué)生人工智能學(xué)習(xí)動機(jī)、促進(jìn)學(xué)生計算思維的發(fā)展，在傳授人工智能學(xué)科知識的同時，培養(yǎng)學(xué)生計算思維。林育珊（Yu-Shan Lin）等人[7]通過在人工智能物聯(lián)網(wǎng)課程中引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生完成智能家居、智能農(nóng)業(yè)、智能校園等特定虛擬場景下的傳感器設(shè)計和算法編寫，提升學(xué)生計算思維。從近年來以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)踐可以看出，教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)逐步豐富，在編程等內(nèi)容的基礎(chǔ)上融入了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)，并關(guān)注教學(xué)策略的支持[8]。

（二）人工智能課程中的計算思維教學(xué)

作為當(dāng)前信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的代表，人工智能是高中信息技術(shù)課程必修及選擇性必修內(nèi)容模塊，對計算思維培養(yǎng)具有重要作用。高中階段人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容包括人工智能的基本概念、技術(shù)原理、核心算法、社會應(yīng)用等，強(qiáng)調(diào)通過具體案例分析理解和應(yīng)用人工智能技術(shù)?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)與信息社會生活的緊密關(guān)聯(lián)，人工智能課程應(yīng)關(guān)注現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用場景，融入跨學(xué)科教學(xué)理念，采用項目式、探究式教學(xué)方法，突出學(xué)生解決智能場景中具體問題的學(xué)習(xí)實(shí)踐。2021 年10 月，中國教育學(xué)會發(fā)布的《中小學(xué)人工智能課程開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》提出人工智能課程6 大核心實(shí)踐，即生活感知與調(diào)查實(shí)踐、簡單模擬與推理實(shí)踐、黑箱探究實(shí)踐、AI 硬件設(shè)計實(shí)踐、原理揭示實(shí)踐、AI 程序設(shè)計實(shí)踐[9]，直接體現(xiàn)了計算思維抽象、算法等核心實(shí)踐要素。融合信息技術(shù)與問題解決情境的人工智能課程，也為培養(yǎng)計算思維提供了有效空間。因此，從人工智能課程的教學(xué)情境和學(xué)習(xí)實(shí)踐角度深化課程設(shè)計，能夠有效促進(jìn)計算思維的培養(yǎng)。

在已有的計算思維培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐中，使用開源硬件開展的教學(xué)活動被驗證具有良好的促進(jìn)作用[10]，且高中人工智能課程也要求教師充分利用開源硬件和人工智能應(yīng)用框架等資源，指導(dǎo)學(xué)生完成自主探究和學(xué)習(xí)實(shí)踐[11]。作為一種可自主編程、面向公眾開放的硬件設(shè)備，開源硬件以開發(fā)板為典型代表，支持個性化設(shè)計和擴(kuò)展?；陂_源硬件的人工智能課程，既能夠?qū)⒏咧行畔⒓夹g(shù)課程中的學(xué)習(xí)內(nèi)容有效關(guān)聯(lián)，又為人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)、智能系統(tǒng)應(yīng)用體驗提供多元、開放的軟硬件支持，也是培養(yǎng)計算思維、豐富學(xué)科實(shí)踐的重要探索。但當(dāng)前我國高中階段將開源硬件引入人工智能教學(xué)和計算思維培養(yǎng)的研究較為缺乏，基于此，構(gòu)建以計算思維培養(yǎng)為目標(biāo)的高中人工智能課程，探索有效的實(shí)踐教學(xué)模式。

二、面向計算思維培養(yǎng)的高中人工智能教學(xué)模式構(gòu)建

基于開源硬件支持，面向計算思維的高中人工智能教學(xué)模式可以從人工智能教學(xué)內(nèi)容、計算思維培養(yǎng)、教學(xué)組織策略3 個層面構(gòu)建，如圖1 所示（見下頁）。在教學(xué)中，有效利用開源硬件的設(shè)計和項目制作強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐，使學(xué)生掌握計算思維核心要素，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)。

圖1 面向計算思維培養(yǎng)的高中人工智能教學(xué)模式

（一）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

人工智能課程旨在培養(yǎng)學(xué)生理解并使用智能技術(shù)，形成智能社會責(zé)任，著眼數(shù)字社會發(fā)展，關(guān)注智能技術(shù)支持下的問題解決。結(jié)合《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出的內(nèi)容要求，以及《中小學(xué)人工智能課程開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》提供的指導(dǎo)建議，高中人工智能教學(xué)內(nèi)容應(yīng)從貼近學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活的應(yīng)用場景引入，通過對具體案例的剖析，理解人工智能技術(shù)原理。并通過開源人工智能應(yīng)用框架和開源硬件模擬生活應(yīng)用場景，從實(shí)踐中理解、掌握、深化人工智能核心算法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的遷移。因此，面向計算思維培養(yǎng)的高中人工智能教學(xué)內(nèi)容應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)實(shí)踐，利用開源硬件支持學(xué)生完成人工智能知識的學(xué)習(xí)和使用，在具體應(yīng)用場景中開展創(chuàng)意設(shè)計；結(jié)合硬件設(shè)計實(shí)踐，完成程序設(shè)計，體會算法的設(shè)計思想，對人工智能核心算法進(jìn)行正確地呈現(xiàn)和表達(dá)，并形成對已有解決方案的評估優(yōu)化思維；在硬件和程序設(shè)計實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提煉并進(jìn)一步實(shí)踐反映出的人工智能技術(shù)關(guān)鍵原理，完成對知識的深入理解和掌握，迭代已完成的設(shè)計實(shí)踐，并實(shí)現(xiàn)在其他場景的設(shè)計遷移，形成實(shí)踐閉環(huán)。

（二）計算思維培養(yǎng)

在高中人工智能課程中，計算思維要素應(yīng)與教學(xué)內(nèi)容形成映射關(guān)系。首先，基于真實(shí)復(fù)雜的智能技術(shù)應(yīng)用場景，需要通過分析明確具體的技術(shù)問題，以逐步形成解決方案，對應(yīng)計算思維的“分解”要素。同時，應(yīng)用場景包含人工智能技術(shù)原理，要把真實(shí)問題轉(zhuǎn)化為開源硬件、程序設(shè)計能夠解決的技術(shù)問題，進(jìn)行分析和提煉，對應(yīng)計算思維的“抽象”要素。在人工智能實(shí)踐中，選擇合適的開源硬件和人工智能算法、技術(shù)框架，解決抽象出的具體問題，通過一系列步驟完成學(xué)習(xí)任務(wù)，對應(yīng)計算思維“算法”要素。在此基礎(chǔ)上，對事件中形成的軟硬件解決方案進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試驗證、修改完善，并應(yīng)用于其他相似的人工智能應(yīng)用場景中，對應(yīng)計算思維“評估”和“算法”要素。

（三）教學(xué)組織策略

面向計算思維培養(yǎng)的高中階段人工智能課程可采用項目式教學(xué)模式，以素養(yǎng)為導(dǎo)向，融合跨學(xué)科教學(xué)理念，強(qiáng)化學(xué)生合作探究。項目式學(xué)習(xí)內(nèi)容來自真實(shí)生活中的開放性問題，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在問題識別和解決過程中的知識學(xué)習(xí)、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提升，適用于人工智能教學(xué)情境，且與計算思維利用計算機(jī)科學(xué)思維進(jìn)行問題解決的過程相一致。作為計算機(jī)科學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等眾多領(lǐng)域的學(xué)科知識，基于開源硬件的人工智能課程在情境創(chuàng)設(shè)、教學(xué)內(nèi)容組織、核心知識學(xué)習(xí)與實(shí)踐中均體現(xiàn)了跨學(xué)科的特征，采用跨學(xué)科學(xué)習(xí)綜合應(yīng)用多學(xué)科知識解決真實(shí)問題的教學(xué)理念，對理解和掌握人工智能技術(shù)、形成智能社會意識與責(zé)任具有積極作用。同時，計算思維培養(yǎng)反映了素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)施，在教學(xué)組織中強(qiáng)化學(xué)生的合作探究，能夠為素養(yǎng)培養(yǎng)提供扎實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)，也是智能技術(shù)支持下開源硬件制作與核心算法設(shè)計的必要環(huán)節(jié)。

三、研究設(shè)計與實(shí)施

（一）研究對象

課程實(shí)施面向某市一所中學(xué)的高一年級學(xué)生，在信息技術(shù)課程中開展人工智能課程教學(xué)，并設(shè)計實(shí)驗組和對照組。其中，對照組共15 名學(xué)生，參與傳統(tǒng)信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)。實(shí)驗組共15 名學(xué)生，參與基于開源硬件的人工智能課程學(xué)習(xí)。教學(xué)活動均在計算機(jī)教室完成，實(shí)驗組教學(xué)過程中由授課教師向?qū)W生提供人工智能小車，作為開源硬件設(shè)備支持，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)智能技術(shù)應(yīng)用場景。

（二）研究過程

本研究基于提出的教學(xué)模式實(shí)施人工智能課程，探究教學(xué)活動對高中生計算思維的影響。在課程學(xué)習(xí)前后，通過調(diào)查問卷對實(shí)驗組和對照組學(xué)生的計算思維能力進(jìn)行前后測。在課程結(jié)束后，通過任務(wù)測試評價實(shí)驗組學(xué)生的客觀學(xué)習(xí)情況。

（三）研究工具

針對計算思維的評價，研究中采用的計算思維評價工具包括量表和測試題兩種類型。量表依據(jù)計算思維評價框架，采用基礎(chǔ)教育階段計算思維測評量表實(shí)施。量表將計算思維分為創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作及交流5 種技能，共22 個測量指標(biāo)，采用李克特5 點(diǎn)計分法。該量表在我國基礎(chǔ)教育階段已得到有效性驗證，具有良好的結(jié)構(gòu)效度和信度[12]。

測試題共編制10道題目，題型包括填空題、畫圖題、代碼題、簡答題4 種，考查的知識點(diǎn)包括人工智能基本知識、開源硬件概念與構(gòu)造原理、程序設(shè)計與人工智能函數(shù)調(diào)用。題目由高中信息技術(shù)教師與高校教育技術(shù)領(lǐng)域研究者共同命題，能夠客觀反映學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果。

（四）教學(xué)實(shí)施

本研究所設(shè)計的人工智能課程共12 課時。除人工智能概述和基礎(chǔ)實(shí)驗外，其余課程內(nèi)容均采用項目式教學(xué)，以真實(shí)的應(yīng)用場景導(dǎo)入，抽象人工智能技術(shù)原理和開源硬件功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生分組開展學(xué)習(xí)實(shí)踐，完成學(xué)習(xí)任務(wù)，并由教師提供已設(shè)計的學(xué)習(xí)支架。以“顏色識別”學(xué)習(xí)主題為例，教學(xué)活動設(shè)計如表1 所示。

表1 “顏色識別”人工智能實(shí)驗教學(xué)活動設(shè)計

四、研究結(jié)果分析

（一）基于計算思維量表的學(xué)習(xí)結(jié)果檢驗

1. 實(shí)驗組學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果檢驗

為了考查學(xué)生在參與課程學(xué)習(xí)前與學(xué)習(xí)結(jié)束后計算思維水平的變化，研究使用SPSS 25.0 進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗，對計算思維以及各維度（創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作及交流）數(shù)據(jù)情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 實(shí)驗組計算思維量表差異結(jié)果對比

通過計算思維量表對實(shí)驗組學(xué)生縱向能力變化的分析獲得，實(shí)驗組學(xué)生在參與基于開源硬件的人工智能課程學(xué)習(xí)后，計算思維水平有極顯著差異（p=0.000＜0.001）。同時，計算思維指向的創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作及交流均存在極顯著性差異，后測分?jǐn)?shù)均值高于前測分?jǐn)?shù)。說明實(shí)驗組學(xué)生在參與課程學(xué)習(xí)后，相關(guān)能力水平均有顯著提升。

2. 實(shí)驗組與對照組學(xué)生學(xué)習(xí)效果差異性檢驗

本研究對實(shí)驗組和對照組學(xué)生使用計算思維量表在教學(xué)開始前后進(jìn)行測試，其中前測結(jié)果見表3，后測結(jié)果見表4。前測結(jié)果顯示，實(shí)驗組與對照組在計算思維及各維度上均不存在顯著差異，屬于同質(zhì)樣本，因此，可以確保實(shí)驗教學(xué)前兩組學(xué)生計算思維水平一致。

表3 實(shí)驗組與對照組計算思維量表前測結(jié)果

表4 實(shí)驗組與對照組計算思維量表后測結(jié)果

后測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在經(jīng)過基于開源硬件的人工智能課程學(xué)習(xí)后，實(shí)驗組學(xué)生計算思維能力與對照組存在極顯著性差異（p=0.001 ＜0.01），且量表測試平均值高于對照組，說明課程采用的教學(xué)模式能夠有效提升學(xué)生計算思維水平。此外，每個相關(guān)能力維度差異性檢測結(jié)果顯示，在問題解決、合作及交流兩個維度，實(shí)驗組學(xué)生與對照組學(xué)生能力變化分別呈現(xiàn)極顯著性和顯著性差異（p=0.009 ＜0.01，p=0.041 ＜0.05），說明利用開源硬件開展學(xué)習(xí)實(shí)踐，能夠提升學(xué)生的問題解決能力，并在項目制作等過程中促進(jìn)學(xué)生之間合作交流。

（二）基于測試結(jié)果的學(xué)生學(xué)習(xí)效果檢驗

為了客觀評估課程實(shí)施效果，研究針對實(shí)驗組學(xué)生進(jìn)行基于人工智能課程內(nèi)容的測試，由授課教師與一位高中信息技術(shù)教師共同打分，以平均值計算學(xué)生測試成績。通過測試題的表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于人工智能基本知識、開源硬件概念及構(gòu)造原理等方面掌握程度較高，得分率達(dá)到85% 以上；但對進(jìn)一步掌握電路工作原理較差，電路圖得分率僅有50%；在程序設(shè)計上，學(xué)生對于人工智能算法的理解、函數(shù)的準(zhǔn)確調(diào)用掌握程度較高，得分率達(dá)到91.67%；但在進(jìn)一步進(jìn)行算法解釋，描述單行代碼的功能作用時，得分率僅有42.5%。由此可以看出，基于開源硬件的人工智能課程雖然能夠有效提升學(xué)生的計算思維水平，但學(xué)生在算法思維、抽象概括能力等方面仍存在一定的差異，且對內(nèi)容的深入理解和動手能力不足。

五、結(jié)論與啟示

本研究以培養(yǎng)高中生計算思維為目標(biāo)設(shè)計人工智能課程，基于開源硬件設(shè)計，強(qiáng)調(diào)人工智能教學(xué)中的實(shí)踐學(xué)習(xí)，在教學(xué)模式中融入跨學(xué)科、項目式的教學(xué)組織策略。研究結(jié)果表明，一方面，在開源硬件設(shè)備的支持下，依托于人工智能開源框架和算法的問題解決過程對培養(yǎng)高中生計算思維產(chǎn)生了積極影響，驗證了本研究所提出教學(xué)模式的有效性。另一方面，研究所設(shè)計的教學(xué)模式和相關(guān)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗，為后續(xù)高中人工智能課程的設(shè)計與實(shí)施起到一定的示范作用。

（一）重視圍繞計算思維過程的學(xué)習(xí)實(shí)踐

人工智能是當(dāng)前中小學(xué)積極探索的教學(xué)內(nèi)容，開源硬件項目實(shí)踐既是人工智能課程的核心實(shí)踐內(nèi)容，同時也能夠有效連接程序設(shè)計、人工智能關(guān)鍵原理實(shí)踐等內(nèi)容，有效提升學(xué)生計算思維能力。結(jié)合本研究實(shí)驗結(jié)果，人工智能課程應(yīng)明確計算思維培養(yǎng)為目標(biāo)的核心素養(yǎng)導(dǎo)向，在教學(xué)中強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)踐，并有針對性地引導(dǎo)學(xué)生圍繞計算思維分解、抽象、算法、評估、遷移5 大實(shí)踐要素開展教學(xué)活動設(shè)計。

（二）重視真實(shí)問題中的學(xué)習(xí)引導(dǎo)

人工智能教育源于智能社會的人才需求，通過計算思維的培養(yǎng)，在學(xué)習(xí)活動中合理有效地喚醒學(xué)生的生活經(jīng)驗，培養(yǎng)學(xué)生使用計算機(jī)知識和技能解決真實(shí)生活問題的能力。因此，以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的人工智能課程，要重視解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)引導(dǎo)，以問題解決為學(xué)習(xí)實(shí)踐推進(jìn)的主線，通過明確的項目、任務(wù)開展學(xué)習(xí)實(shí)踐。開源硬件的支持，能夠為真實(shí)問題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)實(shí)踐提供更多元化的學(xué)習(xí)場景和學(xué)習(xí)內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生深入思考。