AI专题 | 如何构建面向计算思维培养的人工智能教学模式

本文是AI专题第40篇，

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近几年，计算思维在教育领域越来越受关注。国际教育技术协会（ISTE）、计算机科学教师协会（CSTA）都在研究计算思维如何进入中小学，在我国，计算思维已纳入了信息技术学科的核心素养。把计算思维融入中小学人工智能课程，能更好地帮助学生理解和掌握信息科学的核心本质，培养学生选用电脑计算手段解决问题的意识。

我们认为计算思维是一种问题解决的方式，当我们面对一个问题时，首先把问题进行拆分（分解），再找出每一个小问题之间的相同点和不同点（概括），通过把各个小问题抽象，找出形成问题的一般规律（抽象），然后找出形成原因并对类似的问题提供逐步解决的方法（算法思维），最后通过对比分析，确保这个问题的解决方法是最优的解决方法（评估）。

当下教育缺乏培养创新型人才的意识和方法，在人工智能时代，不仅需要强调高阶认知能力的培养，更加需要增加和突出计算思维的培养。

教学模式构建

面向计算思维培养的中小学人工智能项目式教学模式构建是基于建构主义学习理论的，建构主义认为知识是学习者在一定的情境下，借助他人，利用必要的资料和工具，通过积极的建构来获得。模式中的项目式学习过程，学生不是独立的学习，是在教师的组织与引导下，积极主动地探索并完成任务，对知识进行学习，通过创设任务情境中问题解决来完成能力发展的意义建构，这和建构主义学习理论是相切合的。

面向计算思维培养的中小学人工智能项目式教学模式主要是以项目式学习方式呈现，是面向解决问题的教学，结合人工智能知识，设计具有现实意义的项目，包含项目情境、人工智能知识点，完成项目的学习支架。通过教学引导，学生自主探究，最终学生完成项目，提交项目作品。在项目学习中学生潜移默化地完成感知人工智能→ 理解人工智能技术→应用人工智能技术→创造人工智能这一学习过程。

人工智能项目教学的实施过程主要有项目需求分析、制定实施方案、方案中所涉及的新知探究、作品方案实施、作品展示交流、评价总结、拓展提升。在完成项目任务中提升学生的知识与技能，发展学生的自我探索能力及计算思维能力。

面向问题、制定方案并解决问题的过程，是培养学生计算思维的过程，学生将大的任务分解到可操作的小的任务，然后再逐个解决，根据项目的需求组织所学的知识来设计最优的项目解决方案并实施，这个过程中涉及计算思维的分解、抽象、概括、算法思维、评估等能力的培养。

人工智能项目教学中，教师在项目实施的各个环节进行计算思维的引导，在每个阶段给予适当点评，激励学生，培养学生的创新意识、问题解决能力。在项目式教学的各个环节中最大限度地对学生进行计算思维的培养。

实践探索

以初中人工智能的项目实践课“智能语音电话簿的设计与制作”为例进行面向计算思维培养的人工智能项目式教学实践，如图1。目的是通过项目式学习，让学生在体验人工智能语音识别相关技术实现过程的同时，能用语音识别技术、计算思维的思想解决现实生活中的问题，提高学生的计算思维、合作能力、交流能力等核心技能，在学习中感受科技给人类生活带来的便捷。 

图1  “智能语音电话簿的设计与制作”课例教学模式与研究框架

1.任务驱动

项目是智能语音电话簿的制作，教师给出项目情境和学习支架：编程工具App Inventor是采用模块拼接方式快速开发移动应用的设计工具，可以培养中小学生的计算思维能力。

2.人工智能项目教学实施

（1）需求分析。学生明确需要实现这个项目的功能之后，教师让学生把任务逐个分解，然后对每一个小的任务逐步解决。根据计算思维的解决问题的方法，分解的思想可以帮我们把复杂的问题或任务分解成更小的任务和问题，便于解决问题。

（2）方案制定。对项目任务进行分解之后，教师让学生联系日常生活中手机应用程序的使用经历，通过对任务的分解，进一步确定产品的核心功能。并概括出平时解决类似问题的经验与方法，根据经验给出解决这个问题的方法。

在产品设计阶段，教师要求学生根据前期分析的产品功能，设计产品的显示界面，体现各功能要素。根据产品的设计目标和功能，将产品开发分解为不同的模块，明确各个模块之间的相互关系，并画出系统总体方案的流程图。产品设计体现计算思维的抽象思想，把一个项目的重要模块提炼精简，排除掉相对次要的信息，抽象制定出解决方案的总体流程图。

（3）新知探究。确定方案中的主要新知是语音识别技术之后，学生主动探索，教师提供语音识别技术相关资料进行学习，在学习过程中引导，让学生知道语音识别技术的概念、原理以及用途等。通过体验技术、探究技术进行知识的探究与学习。

通过学生探究，教师引导，学生对语音识别技术有一定的认识。教师通过多种材料以通俗易懂的语言引导学生理解语音识别技术及原理，通过生活中的应用让学生感受语音识别技术的作用。这个过程中用到计算思维的分解、概括、抽象、算法及评价等方式。

（4）方案实施。在前期产品需求分析与设计的基础上，确定完成这一项目所选用的编程工具App Inventor进行产品开发实践。

教师让学生讨论操作，根据前期设计的产品界面草图，在App Inventor中选择恰当的组件，并设置组件的属性，完成界面设计。根据产品流程图体现的算法，在App Inventor中完成产品的程序编写。

完成算法的编写之后，查看运行效果，认真调试、修正错误，并仔细观察，记录调试过程中遇到的问题和解决方案。

在这部分，教师训练的是学生计算思维中的算法思维，算法思维是一种通过明确定义的步骤来解决问题的方法。学生根据上一步的流程图，写出产品需要执行的每一步的详细指令，从而实现作品的功能。

（5）作品展示与交流。项目实施完成后，每个小组需要把作品向全班同学展示与交流，用演讲的方式，介绍自己小组制作的作品。教师可以建议学生在介绍作品时关注5W的理念，介绍产品的过程，也是任务分解的过程，把团队演讲内容分解成小的详细的部分，通过作品展示与交流，让学生感受到自己设计的作品应用到生活环境之中，体现设计服务于生活的理念，以此让学生体会用自己的手创造美好生活的意义。

（6）项目评价与反思。这个环节主要体现计算思维的“评估”。不仅对小组作品进行评估，还要对整个项目的实施过程进行评估。教师可以对照最初设定的学习目标，对个人以及集体的知识和能力发展情况进行评估，并结合后续的教学设计，给出有针对性的发展建议和指导。

（7）拓展提升。在完成项目作品的基础上，教师可以适当拓展项目内容，学生也可以创新作品功能，拓展项目任务，学生按照解决上一个项目“智能语音电话簿”的方法来进一步进行探究，解决更深层次的问题，体现计算思维概括的思想。

“智能语音电话簿的设计与制作”这个项目很好地融合了人工智能的项目教学和计算思维思想，在项目实现的过程中，计算思维的分解、概括、抽象、算法思维和评估这五个方面都有很好的体现，学生在学习过程中也相对轻松，作品也是有序的完成。通过本节课的学习，学生在潜移默化中学会用计算思维的思想解决问题，相信在面对类似的项目时，会用概括的思想，基于本次的方法来解决问题。

几点思考

（1）初中人工智能教育不是简单的体验教育。面向计算思维培养的人工智能项目式教学的优势和重要性毋庸置疑。根据初中学生的学习认知情况，大部分初中学生可以通过简单编程教学，控制设备产生一个条件控制变化，所以这个阶段的学生仅仅体验人工智能的功能是不够的，学生需要在体验的基础上，理解人工智能的基本原理，学会使用人工智能相关技术。让学生不仅要知其然,还要知其所以然。

（2）在人工智能项目式教学中培养计算思维需要不断探索教学模式。在当前信息技术不断发展的社会中，教学不能将简单的知识传授作为最终目的，而是应该将重点放到培养学生主动探究问题的动机和思路上，这需要教师在实践中不断探索人工智能学科中计算思维培养的新模式，让学生知道自己在学什么，需要学习什么，面对问题怎么解决，让抽象的计算思维实实在在地落实到解决问题的过程中去。

（3）教师应时刻为人工智能教育做好准备。技术是为人服务的，技术的作用是使用工具帮助学习者提高学习的效率。教师应积极接纳和使用技术，而不是将技术视为威胁或障碍。作为教师，需要时刻保持学习的热情，与时俱进，掌握丰富的人工智能知识，不断提高自身的科研能力和教学水平，为学生带来更加优质的学习体验。人工智能时代的教师不仅需要掌握学科专业知识和教学方法，还应具备整合人工智能能力的 “数字素养”，以具备与人工智能设备打交道的能力。

从人工智能的项目教学实践可以看出人工智能项目问题求解所涉及的步骤和计算思维的要素有一致性，人工智能的教学案例可以较好地融合计算思维的思想，这种求解问题的方式能吸引学生更为积极地去探索，这个求索的过程使计算思维内化成一种思维习惯，成为学生的一种基本的学习能力与解决问题的方法。教师应该在实际教学中，注重学生计算思维的培养，并贯穿于课堂的理论教学和实践教学中，进一步提升学生的学科素养及创新能力。

作者单位：上海市浦东教育发展研究院

内容来源：《中小学信息技术教育》杂志2020年第11期《面向计算思维培养的人工智能教学模式构建与实践》一文