未來(lái)課堂環(huán)境下的計(jì)算思維培養(yǎng)策略研究

摘要：計(jì)算思維與人工智能的高契合度，使其成為人工智能時(shí)代人才必備的思維能力。未來(lái)課堂作為新型學(xué)習(xí)空間的代表，培養(yǎng)具有計(jì)算思維能力的學(xué)習(xí)者，應(yīng)是其得以持續(xù)發(fā)展的重要支撐點(diǎn)。本文嘗試構(gòu)建了未來(lái)課堂環(huán)境下的計(jì)算思維培養(yǎng)策略，充分利用未來(lái)課堂富信息技術(shù)環(huán)境，為人工智能教育相關(guān)研究提供可參考的框架。

關(guān)鍵詞：未來(lái)課堂；計(jì)算思維；人工智能；培養(yǎng)策略

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）22-0000-04

引言

根據(jù)人工智能對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)提質(zhì)增效的巨大潛力的展望，2017年國(guó)務(wù)院對(duì)我國(guó)人工智能的發(fā)展制定了綱領(lǐng)性的文件《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，其中提出，在教育領(lǐng)域應(yīng)該“利用智能技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系”。[1]人工智能在教育中的融合方式主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是借助人工智能技術(shù)，促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)，達(dá)到精準(zhǔn)教學(xué)的目的；另一類(lèi)則是將人工智能作為學(xué)習(xí)的對(duì)象，使學(xué)生通過(guò)適切的學(xué)習(xí)策略達(dá)成了解、熟悉、掌握人工智能知識(shí)技能的目的。盡管兩種融合方式在形式上有所區(qū)別，但都可以歸納為利用先進(jìn)的信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)智慧化的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生高效思維能力，使其能夠充分地掌握人工智能時(shí)代必備的知識(shí)與技能。其中，高效思維能力應(yīng)為計(jì)算思維，智慧化的學(xué)習(xí)環(huán)境則為未來(lái)課堂。

相關(guān)概念及研究

人工智能主要指具備一定智能特征的機(jī)器，其與人類(lèi)思維的連接點(diǎn)主要指利用計(jì)算機(jī)模仿人腦所從事的推理、證明、識(shí)別、理解、設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)、思考、規(guī)劃以及問(wèn)題求解等思維活動(dòng)，來(lái)解決需要人類(lèi)專(zhuān)家才能處理的復(fù)雜問(wèn)題。[2]計(jì)算機(jī)模擬人腦的思維活動(dòng)均呈現(xiàn)計(jì)算的特點(diǎn)，因此可認(rèn)為人工智能所模擬的思維活動(dòng)為計(jì)算思維。未來(lái)課堂是由華東師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所張際平教授領(lǐng)銜的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的一系列富信息技術(shù)學(xué)習(xí)空間。張際平教授談到未來(lái)課堂是以人本主義、互動(dòng)、環(huán)境心理學(xué)等相關(guān)的理論和信息、智能、人機(jī)交互等技術(shù)為支持，充分發(fā)揮課堂組成各要素的作用，以互動(dòng)為核心，構(gòu)建能充分發(fā)揮課堂主體的主動(dòng)性、能動(dòng)性的和諧、自由發(fā)展的教與學(xué)的環(huán)境與活動(dòng)。[3]筆者認(rèn)為，人工智能與學(xué)習(xí)空間的深度融合是未來(lái)課堂發(fā)展的重要方向。但人工智能與教育的融合離不開(kāi)計(jì)算思維的參與。在人工智能支持教育環(huán)境的創(chuàng)設(shè)、精準(zhǔn)教學(xué)的開(kāi)展方面，計(jì)算思維的模型建構(gòu)思想能夠確保人工智能賦能教育更有結(jié)構(gòu)性，使時(shí)空效應(yīng)更加完備。未來(lái)課堂作為泛信息技術(shù)學(xué)習(xí)空間的發(fā)展愿景，必然會(huì)深度地融入人工智能技術(shù)，以促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)、小組協(xié)作學(xué)習(xí)、創(chuàng)新性學(xué)習(xí)等新型學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展。盡管關(guān)于人工智能在未來(lái)課堂中的應(yīng)用研究已有一定的成果，但是至今仍未對(duì)如何在未來(lái)課堂中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力展開(kāi)相應(yīng)的研究。當(dāng)前，在未來(lái)課堂中與思維相關(guān)的研究主要集中在思維可視化層面，筆者認(rèn)為，如何將思維可視化推進(jìn)一步，研究計(jì)算思維融入未來(lái)課堂，應(yīng)是未來(lái)課堂后續(xù)的重要研究?jī)?nèi)容。

培養(yǎng)策略建構(gòu)

國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）對(duì)計(jì)算思維給出了操作性的定義，主要包括（但不限于）如下步驟：

制訂問(wèn)題，能夠方便使用計(jì)算機(jī)和相關(guān)工具表述問(wèn)題；邏輯化地組織和分析數(shù)據(jù)；通過(guò)抽象（如模型、仿真等）再現(xiàn)數(shù)據(jù)；通過(guò)算法的思想（一系列有序的步驟）生成自動(dòng)化的解決方案；通過(guò)識(shí)別、分析和實(shí)施iNRTuu+Olsrtpu8gMl5TZwd3p9vDSYO9me4yFaGq/3A=各種可能的解決方案，同時(shí)結(jié)合上述步驟和資源，找到最有效的解決方案；概括該問(wèn)題的解決過(guò)程，并遷移到其他相關(guān)問(wèn)題中。

根據(jù)上述計(jì)算思維在實(shí)際運(yùn)用中的操作方案，結(jié)合未來(lái)課堂的軟硬件環(huán)境，筆者提出未來(lái)課堂環(huán)境下的計(jì)算思維培養(yǎng)策略，如下圖所示。該策略基于未來(lái)課堂中的創(chuàng)客空間、多屏環(huán)境、桌面或頭戴型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及智能學(xué)習(xí)平臺(tái)等資源環(huán)境，分別從制訂問(wèn)題、邏輯化組織數(shù)據(jù)、模型化再現(xiàn)數(shù)據(jù)、有序的學(xué)習(xí)步驟、有效解決方案和遷移能力等方面促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)及改進(jìn)，從而滿足未來(lái)人才所應(yīng)具備能力素質(zhì)的要求。

1.制訂問(wèn)題

根據(jù)建構(gòu)主義理論，學(xué)生對(duì)新的知識(shí)或技能的正確認(rèn)知，并不是由教師直接交給學(xué)生，而是需要學(xué)生通過(guò)對(duì)知識(shí)或技能實(shí)際的接觸、體驗(yàn)、操作等活動(dòng)，在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)上，結(jié)合教師給予的必要幫助，形成內(nèi)化的、有意義的新認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

未來(lái)課堂的基本理念是培養(yǎng)面向未來(lái)、具有主觀能動(dòng)性的新時(shí)代學(xué)生群體。未來(lái)的社會(huì)是一個(gè)富信息化的社會(huì)，無(wú)論是學(xué)習(xí)工作，還是家庭生活，均深度融入信息化技術(shù)，因此，只有充分地學(xué)習(xí)信息技術(shù)知識(shí)，掌握信息技術(shù)相關(guān)技能，才能更好地適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的發(fā)展。

出于上述目的，在未來(lái)課堂中構(gòu)建以建構(gòu)主義為理論基礎(chǔ)、以信息技術(shù)為技術(shù)支撐、以學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作為活動(dòng)形式的創(chuàng)客空間，具有非常重要的實(shí)際意義。

未來(lái)課堂中的創(chuàng)客空間開(kāi)展的活動(dòng)主要包括教學(xué)智能機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、無(wú)人機(jī)的編程與操作、3D打印的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制作等。在機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、3D打印等學(xué)習(xí)活動(dòng)中，均涉及機(jī)械的搭建、程序的開(kāi)發(fā)等，未來(lái)課堂的創(chuàng)客空間為學(xué)習(xí)者提供資源、材料、手冊(cè)等豐富且必要的活動(dòng)支持，使學(xué)生在動(dòng)手操作的過(guò)程中，對(duì)自動(dòng)控制、機(jī)械制作、程序設(shè)計(jì)等有一個(gè)初步的了解。創(chuàng)客空間的學(xué)習(xí)活動(dòng)應(yīng)該是以問(wèn)題——如何通過(guò)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)或3D打印等解決實(shí)際情境中遇到的問(wèn)題為導(dǎo)向，該問(wèn)題既可以是良構(gòu)的，也可以是劣構(gòu)的。因此，學(xué)生在創(chuàng)客空間中的學(xué)習(xí)活動(dòng)構(gòu)成了計(jì)算思維的第一步驟，即發(fā)現(xiàn)并制訂問(wèn)題，并且，可通過(guò)制作問(wèn)題陳述表單，提升對(duì)問(wèn)題的表述能力。

2.邏輯化組織數(shù)據(jù)

多屏環(huán)境是未來(lái)課堂中較為獨(dú)特的形式，其主要的顯示方式是將原本較長(zhǎng)的文檔內(nèi)容，按照一定的邏輯結(jié)構(gòu)，解構(gòu)為既獨(dú)立又關(guān)聯(lián)的若干子內(nèi)容，分別呈現(xiàn)在多塊電子大屏上，使學(xué)生既能把握知識(shí)的總體結(jié)構(gòu)，又能從知識(shí)的各部分獲得認(rèn)知，從而培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)性思維。針對(duì)學(xué)生在創(chuàng)客空間學(xué)習(xí)活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)并制訂的問(wèn)題，教師可以以合理的邏輯形式將其呈現(xiàn)在多塊大屏上。對(duì)于有較明確解決流程的良構(gòu)問(wèn)題，可以采用線性的展示方式將按流程分解的子問(wèn)題依次呈現(xiàn)在順序排列的大屏上，相鄰兩個(gè)大屏上的內(nèi)容應(yīng)首尾相接，以此實(shí)現(xiàn)清楚的線性邏輯關(guān)系。而對(duì)于沒(méi)有明確解決流程的劣構(gòu)問(wèn)題，可以采用星狀的展示方式，在中間的大屏上呈現(xiàn)問(wèn)題的總體描述，在其余的大屏上對(duì)該問(wèn)題的可能解決方案進(jìn)行發(fā)散式呈現(xiàn)。一塊大屏呈現(xiàn)一至兩種可能的解決方案，從而形成以中間大屏為核心、其余大屏為支撐的星狀問(wèn)題解決模型結(jié)構(gòu)。同時(shí)，星狀邏輯呈現(xiàn)還可以根據(jù)問(wèn)題的復(fù)雜性及大屏的數(shù)量進(jìn)行一定程度的擴(kuò)展，如當(dāng)面對(duì)較為復(fù)雜的問(wèn)題，且未來(lái)課堂中的大屏數(shù)量較為豐富時(shí)，可將總核心問(wèn)題分為幾個(gè)子核心問(wèn)題，子核心問(wèn)題分別呈現(xiàn)在相距一定距離的大屏上，每個(gè)子核心問(wèn)題旁邊的大屏則呈現(xiàn)對(duì)該子核心問(wèn)題的可能解決方案，從而在擁有一定數(shù)量大屏的未來(lái)課堂中形成樹(shù)狀的問(wèn)題解決環(huán)境，更大程度地延展可行的解決途徑。

使用多屏環(huán)境對(duì)創(chuàng)客空間制訂的問(wèn)題進(jìn)行分解并以合理的方式顯示，體現(xiàn)了計(jì)算思維操作定義的邏輯化組織數(shù)據(jù)步驟，因此，未來(lái)課堂的多屏環(huán)境有利于計(jì)算思維的呈現(xiàn)與培養(yǎng)。

3.模型化再現(xiàn)數(shù)據(jù)

隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)課堂中學(xué)生使用的個(gè)人電腦也會(huì)逐步更新，升級(jí)成可支持桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的新型移動(dòng)終端。虛擬現(xiàn)實(shí)中的物體，多數(shù)來(lái)源于以現(xiàn)實(shí)事物，對(duì)其進(jìn)行一定程度的抽象，去掉冗余的部分，得到體現(xiàn)其本質(zhì)特性的數(shù)字化模型，從而使學(xué)生更容易從直觀的角度快速形成對(duì)事物本身特征的認(rèn)知。未來(lái)課堂中的桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是集VR與AR于一體的高性能電腦，學(xué)生戴上特制的眼鏡，手持專(zhuān)用定位筆，進(jìn)入桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的操作界面，以虛實(shí)結(jié)合的方式對(duì)其中數(shù)字合成的模型進(jìn)行直觀的操控，以促進(jìn)對(duì)現(xiàn)實(shí)事物的替代認(rèn)知。

若要實(shí)現(xiàn)完全的虛擬體驗(yàn)，可為學(xué)生提供頭戴式完全沉浸的VR設(shè)備，學(xué)生以身臨其境的方式對(duì)數(shù)字化的實(shí)物模型進(jìn)行操控，通過(guò)具身的體驗(yàn)認(rèn)識(shí)模型中攜帶的實(shí)物的各種特性。未來(lái)課堂中的虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，可看作是對(duì)前述需要解決的問(wèn)題中可能遇到的實(shí)際情境的抽象建模，學(xué)生以某種方式（VR或AR）對(duì)該模型進(jìn)行觀察與操控，從而通過(guò)把握模型的特征達(dá)到認(rèn)識(shí)實(shí)際情境中現(xiàn)象的一種具身學(xué)習(xí)方法。此方法對(duì)應(yīng)計(jì)算思維操作定義中的抽象模型化再現(xiàn)數(shù)據(jù)步驟。

4.有序的學(xué)習(xí)步驟

學(xué)生通過(guò)上述的三個(gè)步驟，對(duì)遇到的問(wèn)題已經(jīng)有了初步的解讀與探索。不過(guò)，由于學(xué)生的認(rèn)知水平尚不完善，大概率對(duì)問(wèn)題無(wú)法找到合適的解決途徑，此時(shí)，就需要進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。未來(lái)課堂中的知識(shí)學(xué)習(xí)，可以通過(guò)智能學(xué)習(xí)平臺(tái)完成。學(xué)生在智能學(xué)習(xí)平臺(tái)上的學(xué)習(xí)活動(dòng)主要遵循翻轉(zhuǎn)課堂的方式進(jìn)行。教師依據(jù)學(xué)生解決問(wèn)題所需的認(rèn)知制作知識(shí)內(nèi)容，形式可以是視頻、PPT、圖片、文獻(xiàn)等，并將這些學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)容上傳至未來(lái)課堂的智能學(xué)習(xí)平臺(tái)課程庫(kù)。學(xué)生在進(jìn)入未來(lái)課堂物理學(xué)習(xí)空間前，通過(guò)賬號(hào)登錄進(jìn)智能學(xué)習(xí)平臺(tái)，自主學(xué)習(xí)教師在課程庫(kù)中發(fā)布的知識(shí)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂中的課前自學(xué)。為了促進(jìn)學(xué)生獲得有意義的學(xué)習(xí)，教師在課程庫(kù)中提供的知識(shí)內(nèi)容應(yīng)有一定的難度，即內(nèi)容應(yīng)處于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。學(xué)生在課前學(xué)習(xí)過(guò)程中難免會(huì)遇到挑戰(zhàn)和疑惑，學(xué)生就帶著這些挑戰(zhàn)和疑惑來(lái)到未來(lái)課堂的物理學(xué)習(xí)空間，在教師的指導(dǎo)下通過(guò)信息技術(shù)支持下的同儕互助、自主探究等方式對(duì)挑戰(zhàn)和疑惑進(jìn)行整理與解決。課后，學(xué)生根據(jù)教師提出的建議和自己在課中開(kāi)展的活動(dòng)，進(jìn)行深度反思，將反思的過(guò)程及收獲上傳至智能學(xué)習(xí)平臺(tái)，以此促進(jìn)元認(rèn)知的提升。此方式對(duì)應(yīng)計(jì)算思維操作定義中的有序的學(xué)習(xí)步驟，也稱(chēng)為自動(dòng)化活動(dòng)。

5.有效的解決方案

學(xué)生在未來(lái)課堂的智能學(xué)習(xí)平臺(tái)中，采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式對(duì)需要掌握的知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，當(dāng)學(xué)生具備了相關(guān)的知識(shí)后，就可以利用知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題。由于在創(chuàng)客空間中遇到的問(wèn)題多數(shù)為較為復(fù)雜的問(wèn)題，因此，教師可利用未來(lái)課堂環(huán)境中靈活的桌椅排列，以四至六人為一小組，采用小組協(xié)作和個(gè)性化學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式對(duì)問(wèn)題的解決方案進(jìn)行討論并給出有效的解決途徑。問(wèn)題解決方案的討論既可在物理的未來(lái)課堂中，也可借助智能學(xué)習(xí)平臺(tái)。在物理的未來(lái)課堂環(huán)境中，教師給每個(gè)小組分配一個(gè)大屏，每小組以角色扮演的方式利用學(xué)習(xí)到的知識(shí)，對(duì)問(wèn)題各抒己見(jiàn)，然后由小組長(zhǎng)將問(wèn)題匯總，逐一呈現(xiàn)在本組所對(duì)應(yīng)的大屏上。經(jīng)過(guò)討論，本組確定問(wèn)題的解決方案，由匯報(bào)員將本組的解決方案展示給教師及其他小組，并聽(tīng)取他們的意見(jiàn)。未來(lái)課堂中的信息技術(shù)，為以小組協(xié)作、個(gè)性化學(xué)習(xí)等方式解決問(wèn)題提供了非常便利的條件，因此，它對(duì)應(yīng)計(jì)算思維操作定義中的獲得有效解決方案環(huán)節(jié)。

6.促進(jìn)遷移

對(duì)于后續(xù)遇到類(lèi)似或復(fù)雜程度略有提升的問(wèn)題，學(xué)生能否制訂合理的解決策略，反映了學(xué)生的遷移能力是否有所提高。學(xué)生的遷移能力可以通過(guò)量化的精準(zhǔn)測(cè)評(píng)和質(zhì)變的創(chuàng)新作品等方式得出。精準(zhǔn)測(cè)評(píng)是指學(xué)生登錄未來(lái)課堂智能平臺(tái)，完成結(jié)構(gòu)化的試題，教師再根據(jù)答題情況計(jì)算學(xué)生的成績(jī)，這樣以量化方式得出學(xué)生的遷移能力值。創(chuàng)新作品則是指根據(jù)學(xué)生后續(xù)所開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、3D打印等信息技術(shù)支持下的新型智能作品的效能、外觀、品質(zhì)等，對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維實(shí)際運(yùn)用能力給出一個(gè)質(zhì)性的評(píng)價(jià)。

結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)際的未來(lái)課堂學(xué)習(xí)空間出發(fā)，基于建構(gòu)主義理論，以計(jì)算思維的操作性定義為依據(jù)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了未來(lái)課堂環(huán)境下的計(jì)算思維培養(yǎng)策略。當(dāng)前，此培養(yǎng)策略僅是理論意義上的推演，若要驗(yàn)證其實(shí)際的效能，仍需進(jìn)行充分的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，以理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式得出該培養(yǎng)策略的有效性。

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作者簡(jiǎn)介：劉勉，副研究員，博士，研究方向?yàn)槲磥?lái)課堂、人工智能、教學(xué)模式、思維可視化。

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