指向計(jì)算思維培養(yǎng)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐研究

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）將計(jì)算思維列為信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)之一。課標(biāo)還提倡真實(shí)性學(xué)習(xí)，以真實(shí)問題或者項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，注重創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境?？梢?，智能時(shí)代，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維越來越重要。如何培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維成為研究熱點(diǎn)。筆者結(jié)合人工智能校本課程“設(shè)計(jì)智能房間系統(tǒng)”教學(xué)，融合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)理念，按照創(chuàng)設(shè)情境、提出問題，認(rèn)知原理、分析項(xiàng)目，梳理導(dǎo)圖、設(shè)計(jì)項(xiàng)目，探究合作、實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目，提升思維、優(yōu)化項(xiàng)目，展示作品、評價(jià)項(xiàng)目的流程，探索培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的路徑。一、計(jì)算思維與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵計(jì)算思維指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解等一系列思維活動(dòng)[2]。課標(biāo)指出：具備計(jì)算思維的學(xué)生，能對問題進(jìn)行抽象、分解、建模，并通過設(shè)計(jì)算法形成解決方案；能嘗試模擬、仿真、驗(yàn)證解決問題的過程，反思、優(yōu)化解決問題的方案，并將其遷移運(yùn)用于解決其他問題。經(jīng)過分析，筆者認(rèn)為思維過程包括六大要素：問題界定、特征抽象、模型建立、算法設(shè)計(jì)、算法實(shí)施、遷移應(yīng)用[3]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）是以學(xué)習(xí)者為中心，教師提供豐富的腳手架，讓學(xué)生圍繞真實(shí)有趣并有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目主動(dòng)探究，在深度探究及合作交流的過程中進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、展示、評價(jià)，最終形成成果，從而提升學(xué)生多元能力的一種教學(xué)模式。二、以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式培養(yǎng)計(jì)算思維的優(yōu)勢項(xiàng)目式學(xué)習(xí)注重實(shí)踐性與參與性，注重問題的解決，從真實(shí)情境出發(fā)，以學(xué)生為中心開展教學(xué)[4]——教師引導(dǎo)學(xué)生解決復(fù)雜問題，從而提升學(xué)生核心素養(yǎng)。在以往的教學(xué)中，學(xué)生參與項(xiàng)目活動(dòng)，往往缺乏主動(dòng)性，通常是按部就班地完成任務(wù)，缺乏自主設(shè)計(jì)、主動(dòng)思考、解決問題、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等過程。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維方面具有明顯優(yōu)勢：一是師生參與的積極性高。教師精選符合學(xué)生思維特征的項(xiàng)目，創(chuàng)設(shè)的情境通常來源于學(xué)生的學(xué)習(xí)生活，或來源于熱點(diǎn)問題，都是跟生活緊密聯(lián)系，也是學(xué)生非常感興趣的，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、主體性易被調(diào)動(dòng)。二是項(xiàng)目除了具有趣味性外，一般還具有復(fù)雜性、挑戰(zhàn)性。學(xué)生要認(rèn)真分析、梳理、討論研究。學(xué)生在解決問題的過程中，需要充分運(yùn)用抽象、分解等思維方法，而抽象、分解正是計(jì)算思維的特點(diǎn)，因此解決問題的過程就是學(xué)生思維不斷提升的過程。三是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)可以給學(xué)生帶來滿足感、成就感。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)注重過程性評價(jià)和成果展示交流，在探究合作中，學(xué)生取得成績會(huì)獲得積極評價(jià)，公開展示成果得到大家的肯定，使其以飽滿的熱情投入項(xiàng)目學(xué)習(xí)中。三、指向計(jì)算思維培養(yǎng)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)流程結(jié)合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，筆者以計(jì)算思維的六大過程要素為切入點(diǎn)，梳理研究，構(gòu)建了基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式（如圖1），并以“設(shè)計(jì)智能房間系統(tǒng)”項(xiàng)目式教學(xué)為例進(jìn)行實(shí)踐。（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題好的項(xiàng)目既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能喚醒學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知。教師要精選與學(xué)生認(rèn)知水平匹配的項(xiàng)目主題，巧妙地創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生想象、討論，選定項(xiàng)目并提出方案，確保項(xiàng)目順利推進(jìn)。本項(xiàng)目教學(xué)中，筆者提出問題：“我們身邊有很多人工智能的產(chǎn)品，如車牌識別、刷臉支付、智能音箱。隨著人工智能的普及，我們房間也變得越來越智能化。我們一起暢想未來智能房間。它究竟會(huì)是什么樣子呢？”繼續(xù)引發(fā)學(xué)生思考，“你希望設(shè)計(jì)一個(gè)怎么樣的智能房間系統(tǒng)”。此時(shí)，筆者提供相關(guān)項(xiàng)目案例、視頻資料供學(xué)生參考。設(shè)計(jì)意圖：設(shè)計(jì)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)讓學(xué)生在真實(shí)情境中主動(dòng)學(xué)習(xí)，巧妙有效地創(chuàng)設(shè)真實(shí)趣味又有挑戰(zhàn)性的情境，使情境跟學(xué)生的生活、學(xué)習(xí)相關(guān)聯(lián)，能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而以飽滿的熱情投入活動(dòng)中。（二）認(rèn)知原理，分析項(xiàng)目課標(biāo)明確了任務(wù)實(shí)施的目的、內(nèi)容和要求，建議從信息科技實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，幫助學(xué)生理解基本概念和基本原理，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識信息科技對人類社會(huì)的貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)，提升學(xué)生知識遷移能力和學(xué)科思維水平，體現(xiàn)“科”與“技”并重[5]。因此，在學(xué)生確定了項(xiàng)目主題后，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生分析其中蘊(yùn)含的科學(xué)原理。學(xué)生只有了解原理，才能對問題進(jìn)行抽象、分解、建模。例如，在確定了項(xiàng)目主題后，筆者提出問題：“人和智能家電又是如何交互的呢？帶著這個(gè)問題，我們一起來看個(gè)短片。嘗試在小組里說一說或畫一畫示意圖。”設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生了解了人和智能家電交互的方式（如圖2），為設(shè)計(jì)智能房間控制系統(tǒng)做鋪墊。學(xué)生熟悉信息及其呈現(xiàn)與傳遞方式，進(jìn)而合理利用信息進(jìn)行表達(dá)，并理解智能家居系統(tǒng)的工作原理。（三）梳理導(dǎo)圖，設(shè)計(jì)項(xiàng)目做好項(xiàng)目設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，設(shè)計(jì)過程也是學(xué)生條理性思維、邏輯思維、信息意識養(yǎng)成的過程。分解和抽象是計(jì)算思維的關(guān)鍵特征。學(xué)生面對一個(gè)復(fù)雜的項(xiàng)目或者問題，首先要能讀懂問題，然后進(jìn)行科學(xué)合理的分解，抽象出事物的本質(zhì)，進(jìn)而逐步解決問題。學(xué)生參與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)有利于培養(yǎng)其使用思維工具解決問題的能力。教師可以讓學(xué)生借助思維導(dǎo)圖軟件，對項(xiàng)目或問題進(jìn)行分析、梳理，將真實(shí)的現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化為抽象的編程問題；也可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)流程圖，將自然語言轉(zhuǎn)化為圖表或符號語言。例如，在學(xué)生準(zhǔn)備設(shè)計(jì)智能房間控制系統(tǒng)時(shí)，筆者提醒學(xué)生借助思維導(dǎo)圖軟件對項(xiàng)目及程序進(jìn)行分析（如圖3），并用自然語言或者流程圖，描述程序的執(zhí)行步驟。學(xué)生上臺(tái)展示思維導(dǎo)圖并描述算法（如圖4）。設(shè)計(jì)意圖：借助思維導(dǎo)圖引導(dǎo)學(xué)生分析項(xiàng)目，使他們在研討的過程中對整個(gè)項(xiàng)目形成整體認(rèn)識，提高計(jì)算思維能力。學(xué)生應(yīng)用前面學(xué)過的開燈、關(guān)燈程序，進(jìn)行知識遷移，用流程圖描述算法，進(jìn)一步提高思維能力。（四）探究合作，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目教師搭建好腳手架是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中重要的環(huán)節(jié)之一。此環(huán)節(jié)，教師放手讓學(xué)生自主探究和實(shí)踐，在不斷地試錯(cuò)中反思，提高能力與思維水平。同時(shí)，每個(gè)小組要根據(jù)組員的特點(diǎn)進(jìn)行分工（填寫分工表），以充分發(fā)揮個(gè)人優(yōu)勢。既要分工明確、具體到人，又要注意協(xié)助，共同探究解決問題。本課教學(xué)中，筆者引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能：“我們已經(jīng)明白了系統(tǒng)的原理及程序的實(shí)現(xiàn)方式，請根據(jù)思維導(dǎo)圖和學(xué)案，進(jìn)行小組分工合作，動(dòng)手設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)吧?！痹O(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在理解了智能房間的原理和程序的算法流程后，對智能家居場景進(jìn)行程序模擬、驗(yàn)證。學(xué)生在實(shí)踐中提高編程能力和計(jì)算思維能力，理解測試的重要性，提升工程思維與意識。（五）提升思維，優(yōu)化項(xiàng)目最有效的學(xué)習(xí)是想方設(shè)法達(dá)到最近發(fā)展區(qū)。在學(xué)生完成項(xiàng)目基本功能的基礎(chǔ)上，教師積極引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的潛能，讓他們發(fā)散思維，進(jìn)行思維碰撞，不斷優(yōu)化作品，提高創(chuàng)新能力。例如，在學(xué)生搭建智能房間系統(tǒng)后，筆者帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)測試。學(xué)生試著輸入“打開燈吧！”，程序沒有反應(yīng)?！盀槭裁矗俊保ㄒ?yàn)槌绦蚶锩嬗|發(fā)開燈事件的命令是：開燈）。“這樣的設(shè)計(jì)能叫智能系統(tǒng)嗎？”接著，筆者讓學(xué)生觀看另一個(gè)系統(tǒng)（用了自然語言處理技術(shù)），輸入：天太黑了，有點(diǎn)黑，我看不清楚……“為什么輸入這些命令，計(jì)算機(jī)能聽懂呢？”通過思考、觀察、交流、討論，學(xué)生明白了：如果用日常的語言來發(fā)布指令控制系統(tǒng)，這樣簡單的程序完全無能為力。要使計(jì)算機(jī)理解人類的日常語言，需要應(yīng)用自然語言處理技術(shù)，這樣才能實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間用自然語言有效通信。筆者為學(xué)生搭建腳手架，借助微視頻、學(xué)案等讓學(xué)生了解神奇的工具——兒童機(jī)器學(xué)習(xí)網(wǎng)站，引導(dǎo)他們學(xué)習(xí)資料、互幫互助、動(dòng)手實(shí)踐，將自然語言處理技術(shù)運(yùn)用到智能房間系統(tǒng)中，不斷地優(yōu)化項(xiàng)目功能。設(shè)計(jì)意圖：主要任務(wù)完成后，教師設(shè)計(jì)情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維碰撞、交流，進(jìn)而提出優(yōu)化方案。教師帶領(lǐng)學(xué)生初步了解機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)方式，體驗(yàn)自然語言處理在人機(jī)交互中的作用。學(xué)生掌握用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式訓(xùn)練AI的方法，重在體驗(yàn)、感受。有能力的學(xué)生可以嘗試根據(jù)學(xué)案、微視頻改善項(xiàng)目功能，實(shí)現(xiàn)再利用、再創(chuàng)造，快速成長。（六）展示作品，評價(jià)項(xiàng)目完成項(xiàng)目任務(wù)不是終點(diǎn)。教師可提供評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)學(xué)生展示匯報(bào)，描述自己的作品，并從多方面進(jìn)行評價(jià)。教師設(shè)計(jì)評價(jià)量規(guī)要立足核心素養(yǎng)，根據(jù)項(xiàng)目的內(nèi)容、目標(biāo)細(xì)化指標(biāo)，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生項(xiàng)目的達(dá)成度、反思力，促進(jìn)學(xué)生自主成長。例如：筆者采用分享式課堂的方式進(jìn)行展示和評價(jià)：“我有夸獎(jiǎng)，你的作品很有創(chuàng)意……”“我有建議，你的作品可從以下幾方面完善……”“我有疑問，你是通過什么方式來解決的？”“我有不同……”“我有補(bǔ)充，你的作品給了我很大的啟發(fā)，但是……”等。筆者及時(shí)進(jìn)行小結(jié)、評價(jià)，并對學(xué)生進(jìn)行鼓勵(lì)。在展示作品和交流評價(jià)的過程中，學(xué)生實(shí)現(xiàn)思維能力的提升，其信息意識和信息社會(huì)責(zé)任也得以增強(qiáng)。設(shè)計(jì)意圖：分享作品時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生互相評價(jià)；讓學(xué)生從學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)參與程度、學(xué)習(xí)內(nèi)容掌握程度、學(xué)習(xí)能力和認(rèn)知能力的發(fā)展等方面進(jìn)行自評（見表1），