余燕芳 李 藝

（1.浙江廣播電視大學 教學中心，浙江杭州 310012；2.南京師范大學 教育科學學院，江蘇南京 210097）

一、引言

近幾年，“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、深度學習等新概念和新技術應用層出不窮，技術的飛速發(fā)展正在引領著時代的思維脈絡。計算思維（Computational Thinking）與理論思維、實驗思維被并列為三大科學思維之一，已然成為這個時代人們需要具備的素質與能力。與此同時，教育領域也同樣面臨著相應的挑戰(zhàn)，培養(yǎng)學生的計算思維已成為社會和時代的迫切需求。

2017年，我國《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出“三步走”戰(zhàn)略目標和六大重點任務，同時配套發(fā)布了《資源配置方案》和《發(fā)展保障措施》，標志著我國“人工智能+教育”的深度融合已開啟。在此背景下，教育部相應開展了針對人工智能教育的改革措施。我國《普通高中信息技術課程標準（修訂稿）》（2017版），將計算思維作為主要學科思維融入核心素養(yǎng)設計中。國際上，美國頒布的K-12科學課程標準《新一代科學標準》，也將“運用數(shù)學和計算思維”列入七大科學與工程實踐[1]。

那么，計算思維的內涵是什么？該如何設計計算思維結構框架？計算思維與課程設計應如何融合？以及計算思維教學該如何實施、評價？都是本文將重點探討的問題。

二、計算思維結構及在教學設計中的應用

（一）計算思維的內涵與特征

計算思維已引起全球關注，但目前與計算思維相關的研究大多源自不同領域的不同視角，有關計算思維內涵與結構界定至今也未能統(tǒng)一。周以真教授首次給出的定義，將計算思維歸納為運用計算機科學的基礎概念，來進行問題求解、系統(tǒng)設計、人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[2]。為了更易理解，2010年周以真教授又將計算思維定義為形式化問題及其解決方案相關的思維過程。也就是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看似困難的問題，闡釋成問題如何解決的方法。我們可把計算思維歸納為如下六大特征[3]（見圖1）：

中國科學院院士、中國科學技術大學教授陳國良將計算思維稱為構造思維，認為計算思維是以設計和系統(tǒng)架構為特征，以計算機學科為代表，運用計算的基礎概念，去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法。它綜合了數(shù)學思維 （求解問題的方法）、工程思維（設計、評價大型復雜系統(tǒng)）和科學思維（理解可計算性、智能、心理和人類行為），其本質是抽象和自動化。在科學教育領域，普遍將計算思維理解為現(xiàn)代STEM學科人才所應具備的核心要素[4]。例如，有學者從科學的計算方法論出發(fā)，提出計算思維的內在屬性：抽象思維、模擬思維和自動化思維；與此對應的教學實踐分別是：建模與模擬、數(shù)據(jù)收集與分析及系統(tǒng)性思維[5]。

圖1 計算思維六大特征

相較而言，周以真教授給出的計算思維界定相對寬泛且不易操作，她認為，計算思維是個很靈活的概念，人們不必拘泥于計算思維的準確定義，應重在開展計算思維教學實踐。的確，計算思維的思維本體是抽象和自動化的，存在實踐教學和理論教學難以有效結合的問題。按照詹姆士·格雷（James Gray）的觀點[6]，可以將計算思維分解為具體可操作的三個步驟：第一，問題能否用一個簡單模型來表述，或能否被簡單陳述；第二，問題的每一步解決方案都要有可測試性；第三，要將問題拆解成一個個小的步驟，使得每一步都清晰可見并且易于操作。也有學者將計算思維融入教育領域，如，張學軍認為，計算思維可以讓學生以多元化的視角，用信息技術的學科思維方式，來理解信息世界，藉此解決學生對信息技術課程學習積極性不高的問題，以進一步推動信息技術課程的改革與重構[7]。陳凱泉等則將計算思維作為學習者解決問題的能力特征，旨在推動智能化社會培養(yǎng)學生信息素養(yǎng)內涵的轉型[8]。

對于如何將計算思維應用于教學設計，美國計算機科學教師協(xié)會（CSTA）認為，計算思維應廣泛應用于課堂教學。具體來說，伴隨一系列的衍生問題，如，問題的復雜性如何？人與計算機的能力是否有局限性？如何解決問題？應該用什么樣的計算策略等？這些問題首先為我們識別與結構化問題提供了依據(jù)。

（二）計算思維的結構研究

計算思維緣起于計算機科學，正因如此，這使得研究者容易忽略計算思維作為思維本體的結構研究，而專注于“計算”特質。有觀點認為，研究人的思維，路徑之一是研究人腦，即腦科學；路徑之二是從人工智能、認知心理學等認知科學著手[9]。也有觀點認為，計算思維屬于思維科學領域，一般思維科學的研究思路，同樣也適用于對計算思維的研究[10]。

1．林崇德的思維三棱結構

拉塞爾（Russell）、戴斯（Days）、皮亞杰（Piaget）、斯騰伯格（Sternberg）、賽蒙（Simon）、林崇德等學者，在思維結構研究領域有著杰出的成就，尤其是林崇德提出的思維三棱結構，為思維科學研究奠定了理論基礎，該模型深刻闡述了思維各個要素之間的內在屬性（詳見圖2）。

圖2 林崇德的思維的三棱結構

2．計算思維的三棱結構

根據(jù)林崇德給出的思維三棱結構，再結合不同學者對計算思維的研究，我們可以建構出計算思維的三棱結構（詳見圖3）。

圖3 計算思維三棱結構

在該模型中，各個要素的內在屬性已發(fā)生變化?！坝嬎闼季S的目的”主要是解決問題；“計算思維的過程”是指在解決問題的過程中發(fā)生的分解、建模、抽象、設計等思維活動；“計算思維內容”是指解決問題過程中需要接觸與選擇的各類信息；“計算思維的品質”可以用于判斷計算思維能力水平高低的標準；“計算思維活動的非認知因素”主要表現(xiàn)為處理復雜問題時的自信、寬容以及與他人交流合作的能力和態(tài)度等；“計算思維的自我監(jiān)控”可表現(xiàn)為在數(shù)字化學習環(huán)境中的自我反思、自我調節(jié)、自我管理和自我評價等方面。

3．建構信息技術課程的計算思維結構

在“新版高中信息技術系列教材”中，計算思維更多指向了學習者運用計算機科學思想與方法，進行問題求解的一系列思維活動，李藝等[11]也將計算思維理解為信息技術學科思維，具體表現(xiàn)為六組平等且相互關聯(lián)的思維主題：（1）對象與管理；（2）規(guī)則與安全；（3）系統(tǒng)與工程；（4）設計與制作；（5）協(xié)作與交互；（6）倫理與道德。這六組思維主題是在問題解決過程中形成的，是一整套思考和解決問題的思維方法和價值觀。六組思維主題為課程設計與教材編寫提供了可操作性，并可從學科思維的角度來重新理解計算思維結構，全面而清晰地刻畫計算思維內涵；同時，也體現(xiàn)了計算思維在不同水平層級之間的關系。

并且，“新版高中信息技術系列教材”在內容設計上，也對此計算思維意義理解做了再度確認，即將其視作信息技術置于人的核心素養(yǎng)的主體部分，并將計算思維當作“學科思維”進行核心素養(yǎng)設計，再將六組平行且互有關聯(lián)的思維類別，分布于教材的不同模塊。

在信息技術學科核心素養(yǎng)結構的四個核心要素中[12]，計算思維具有一定的獨特性，其他如信息意識、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任，具有一定的普適性。計算思維因數(shù)字化時代背景而顯現(xiàn)出最具本質的學科屬性標識[13]。因此，在“新版高中信息技術系列教材”中，特別深化了計算思維在教材設計中的運用，以體現(xiàn)信息技術課程的特色。特別是李藝等提出的六組思維觀，把計算思維當作學科思維，并將其視為總攬學科核心素養(yǎng)的綜合體。在此基數(shù)上，將六組思維主題融入計算思維三棱結構中，構建了信息技術系列課程的計算思維三棱結構圖[14]（詳見圖4）。

圖4 信息技術課程計算思維三棱結構

如圖4所示，信息技術課程計算思維三棱結構的特點在于：首先，在新課標中，將“合作與協(xié)作”調整為“協(xié)作與交互”，主要為了突出“人→計算機系統(tǒng)→人”之間的計算交互，這個修改是為了更好地適應數(shù)字化學習環(huán)境特點；其次，將數(shù)據(jù)與計算、對象與管理、設計與制作，作為能覆蓋信息技術課程計算思維內容、計算思維目的及計算思維活動相對應的思維主題，構成信息技術課程計算思維的核心要素，用三個不同層級的側面表示；第三，將倫理與道德作為計算思維活動的非認知因素模塊，置于三棱結構的底層。三組思維主題分別是三角形的三條邊，相互關聯(lián)、相互調用。

值得注意的是，由于規(guī)則與安全、系統(tǒng)與工程、協(xié)作與交互三類思維兼具普適性與開放性，且涉及人的態(tài)度、意識及情感等非認知因素，滲透于前三類思維主題中，我們用三棱錐的圓切面，來表示其貫穿于計算思維全過程，在于說明學科核心素養(yǎng)要素之間不是平行的，而是互有交叉的。其中，規(guī)則與安全思維主要指能夠遵守信息系統(tǒng)的標準協(xié)議、基本規(guī)則以及信息活動過程中安全性與規(guī)范性；系統(tǒng)與工程思維主要指能利用遞歸、迭代、結構化、模塊化、測試及調試等方法，實現(xiàn)方案設計與問題的自動化處理，并能運用成本效益思維，對方案進行取舍的一種設計思想；協(xié)作與交互主要指基于計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)環(huán)境中的“人→計算機系統(tǒng)→人”之間的交互合作與協(xié)作。

計算思維的頂層能力即自我監(jiān)控能力，主要通過“對象與管理”“設計與制作”以及“數(shù)據(jù)與計算”等能力品質的形成來展現(xiàn)。計算思維的自我監(jiān)控，包括管理、計劃、調節(jié)、檢驗和評價等方面，對計算思維結構各要素及整個活動過程具有監(jiān)控作用，從而使學習者的思維模式不斷得以完善。

六組思維主題之間仍保持著水平層級關系，在新課標中，這種層級關系繼承了李藝等提出的核心素養(yǎng)“三層結構”中關于人的思想發(fā)展層級，這種層級結構解決了課程設計中的可操作性問題。在新版課標中，對于計算思維的理解，我們更傾向于將它視為一種特定的思維活動或是思維方式；在實施上，更注重將計算思維作為核心素養(yǎng)實踐的一個主要途徑來實施。因此，也可將計算思維理解成是基于學科知識的知識、技能和態(tài)度等的綜合體。由此，計算思維的三層結構，即基礎能力層、專項能力層及思維方法層已然形成[15]。

三、計算思維在高中《人工智能初步》課標模塊中的體現(xiàn)

高中《人工智能初步》課程有其明顯的計算機科學特性，計算思維體現(xiàn)了《人工智能初步》的內在價值，成為了人工智能教學研究的一塊重要內容。將上述計算思維結構框架應用于課程設計與教學，需要我們在制定課程標準時融入該思維模式，并在后續(xù)的課程與教學設計中不斷優(yōu)化其可操作性。

1.舊版高中《人工智能初步》教材存在的問題

對教材的分析一般可以從內容、編排、難度、特色等幾個維度指標開展[16]，其中，教材內容是課程標準得以實施的載體，內容的選取及表達方式的組織都必須遵從學習者認識事物和學習認知的規(guī)律。教材內容分析，是對課程標準中各個知識點及要求的覆蓋面與擴展性的分析，可從教材內容的容量、內容涉及的核心概念、內容的重點、使用的主要工具等方面進行分析。教材的編排情況是衡量教材質量的重要因素。教材的適用對象是學生，編排情況是否適合當前年齡段的學生進行閱讀、使用，是教材編寫者必須考慮的問題。教材編排分析，可以從教材的整體結構（宏觀層指向教材的整體框架布局）、圖文的編排（中觀層指向教材每個章節(jié)內容的整體呈現(xiàn)方式）、拓展知識的編排 （微觀層指向教材中拓展知識的呈現(xiàn)方式）、練習題的編排（微觀層指向教材中練習題的呈現(xiàn)方式）等方面進行分析。教材的難易程度是影響教材實施效果的重要因素。

綜合上述指標分析，我們發(fā)現(xiàn)，隨著信息技術的發(fā)展，舊版高中人工智能教材存在著一些不合時宜的問題（詳見表1）。從表1中不難看出，這些問題都與計算思維息息相關，并且隨著時間的推移與技術的快速迭代，這些問題越來越顯現(xiàn)。因此，在重新設計本模塊時，首先需要考慮如何解決上述問題。

表1 舊版人工智能教材存在的問題

2.新課標下 《人工智能初步》教材的定位及其與信息技術各學科之間的邏輯關系

人工智能作為當前科學技術發(fā)展中的一門前沿學科，有其獨特的核心概念、表達方式和邏輯結構。隨著其重要性的不斷提升，人工智能課程在整個高中信息化教育中的定位也在發(fā)生變化，其性質由原來的選擇性變?yōu)檫x擇性必修?！靶掳娓咧行畔⒓夹g系列教材”包括必修、選擇性必修及選修三類共十個模塊。圖5呈現(xiàn)了新版高中信息技術各學科模塊的依賴關系及課程改編實施策略。

從圖5中可以看出，《人工智能初步》對《數(shù)據(jù)與計算》與《算法初步》來說起到承上啟下的銜接作用，橫向則與《數(shù)據(jù)管理與分析》有著密切的聯(lián)系，畢竟大數(shù)據(jù)與統(tǒng)計分析是人工智能發(fā)展的基礎。本次教材修訂選擇Python作為整個學科的主要編程語言。由于各個地方、學校的實驗條件、師資及學生的具體情況有很大差異，Python語言并非唯一選擇，其它編程環(huán)境，包括 C/C++、JavaScript、Blockly、App Inventor、R語言等，也適合作為人工智能的編程語言。

3．計算思維三層結構與人工智能課標及課程設計模塊之間的對應關系

圖5 高中信息技術學科模塊依賴關系及實施策略

在計算思維的三層結構中，基礎能力層主要描述人工智能的概念、基本特征、發(fā)展歷程、典型應用與趨勢，對應的課程模塊包括“認識人工智能”和“人工智能的辯證思考與挑戰(zhàn)”。專項能力層主要通過案例剖析、了解人工智能核心算法，熟悉人工智能技術應用基本原理，了解特定領域（如，專家系統(tǒng)）人工智能系統(tǒng)的開發(fā)工具、應用模式及其局限性，對應課程模塊為“知識的表示及其應用”。思維方法層主要搭建簡單的人工智能應用模塊，根據(jù)實際需要進行環(huán)境配置、參數(shù)修改及調試運行等，并能將模塊遷移至不同的應用場景，對應課程模塊包括“機器學習與深度學習”和“體驗人工智能應用”。

4．六組計算思維主題在人工智能設計中的應用及其內涵

將六組思維主題融入課程設計是本次教材改版的核心思想，表2顯示了六組計算思維主題在《人工智能初步》教材部分模塊內容中的展現(xiàn)。人工智能具有較強的跨學科性和綜合性，又是一門處在發(fā)展中的學科，具有一定的特殊性。正如錢學森老先生說的，人工智能本身就是研究人的思維的最好選擇。正因如此，將計算思維融入本學科的教學，更具研究價值。

表2 六組思維主題在人工智能課程中的內涵

表2所述的六組思維主題在人工智能中的主要內涵，其具體體現(xiàn)如下：

（1）對象與管理：指根據(jù)教材給定活動方案，能選用適當?shù)臄?shù)字化學習工具與方法，獲取信息和分析問題的能力。教材中的知識點都是通過任務和活動的形式開展。在進行課程設計時，需要老師根據(jù)學生特點，引導學生靈活運用數(shù)字化學習工具開展教學。比如，在完成了“圖靈測試”活動后，學生已經(jīng)學習了聊天機器人的簡單原理，這時可引導學生運用時下流行的各種聊天工具等，進一步體驗數(shù)字化學習工具的特點。

（2）系統(tǒng)與工程：對給定任務的管理與分析有系統(tǒng)觀與工程觀。如，在設計機器學習模塊中的項目活動方案時，要求學生通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡基本原理的學習，理解深度學習的實現(xiàn)過程，并在活動中通過優(yōu)化項目的參數(shù)設置、代碼拆解與調試，以及模型優(yōu)化等方式完成項目學習，在過程中不斷培養(yǎng)整體思考與分析問題的能力。

（3）設計與制作：借助各種機器學習框架和各類人工智能開放平臺，將抽象信息對象加工成可視化的視覺對象，并充分利用各種Python工具包，開發(fā)出簡單實用的人工智能應用模塊。例如，在文本挖掘模塊的“體驗文本分類”活動中，通過了解谷歌的新聞服務分類實現(xiàn)原理，引導學生運用jieba、wordcloud和matplotlib等不同的Python工具包，以及開源的機器學習框架sklearn等，將自己熟悉的文檔進行分類。

（4）規(guī)則與安全：指在數(shù)字化學習過程中應該注意的網(wǎng)絡標準協(xié)議和信息安全問題。例如，在體驗人工智能開放平臺應用模塊，及應用人工智能領域的機器學習框架開放API等進行學習時，需要遵循相關的協(xié)議，并注意上傳下載分析數(shù)據(jù)的合法性與安全性。

（5）協(xié)作與交互：主要是指在完成項目活動過程中，小組間的協(xié)作交互及其學習評價。

（6）倫理與道德：對應于計算思維三棱結構中的非認知因素，在人工智能發(fā)展過程中可能會碰到的倫理道德問題。比如，當自動駕駛汽車在遇到危險時，應該先考慮保護車內人的安全還是路上行人的安全等。

四、基于計算思維的人工智能課程設計

（一）課程知識模塊與六組計算思維主題的對應關系

課程知識模塊構建以新課標為依據(jù)，根據(jù)高中《人工智能初步》定位，及其與信息技術課程之間的邏輯關系確定，主要包括認識人工智能、知識表示與應用、機器學習、人工智能應用及人工智能發(fā)展的哲學思辨等幾大模塊。每個模塊對應的計算思維主題的側重點有所不同，如圖6所示。

圖6 知識模塊與六組計算思維主題對應關系

“認識人工智能”知識模塊主要內容以人工智能相關概念為主，教學中以網(wǎng)絡檢索等數(shù)字化學習為主，涉及網(wǎng)絡安全與協(xié)作學習居多，對應的思維主題以規(guī)則與安全、協(xié)作與交互為主；“知識表示與應用”知識模塊涉及邏輯推理等知識點，要求學生有一定的邏輯設計能力，設計與制作是本模塊的思維主題；“機器學習”模塊技術性較強，要求學生具備較強的系統(tǒng)與工程思維，并能完成相關課題的設計與制作；“人工智能應用”模塊涉及人工智能應用系統(tǒng)開發(fā)，需要學生具備對象與管理、系統(tǒng)與工程等項目開發(fā)與管理思維。

在本課程中，基于人工智能的跨學科特性，系統(tǒng)與工程主題體現(xiàn)的較為突出，旨在引導學生用系統(tǒng)與工程觀理解并改造世界，并能運用計算機科學的思想與方法，制訂、實施并評估問題整體解決方案；而在新課標中，規(guī)則與安全、協(xié)作與交互以及倫理與道德這三組主題的發(fā)展程度和水平，有相當大一部分是在核心素養(yǎng)的數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息意識以及信息化社會責任中予以界定和描述的。在特定的情境下，這幾組思維有時也會根據(jù)需要，獨立于課程的某一主題，或被單獨設置成一個單元。

上述六組思維主題并非割裂于不同知識模塊中，與各知識模塊之間的對應關系也不是一成不變，圖6中標出的只是每個模塊對應的主要思維主題。通常六組思維主題都以不同重要程度，融入所有的知識細節(jié)，比如，對于“認識人工智能”及“機器學習”兩個模塊的六組思維主題在各知識點中的體現(xiàn)，如表3所示。

新版教材基本框架的設計，緊緊圍繞學科核心素養(yǎng)的四要素展開，并將六級計算思維主題融入教學模塊設計中。表3所示為基于學科核心素養(yǎng)評價體系的高中人工智能教材基本框架?？蚣苤辛谐隽苏n程中所有模塊內容對應的核心素養(yǎng)，其中計算思維已經(jīng)細化為六組思維主題。

（二）基于計算思維培養(yǎng)的教學目標設定

基于計算思維培養(yǎng)的教學目標確定，是建立在計算思維主題及其內涵之上，對于每個知識模塊都需要有明確的計算思維培養(yǎng)目標。如圖7所示為基于三層計算思維結構的課程定位與目標設定。

培養(yǎng)計算思維，提升核心素養(yǎng)是本次新課標制定的主要目標，對應于計算思維三層結構，人工智能模塊的各層級定位與培養(yǎng)目標如下所示：

（1）基礎能力層定位與目標：了解人工智能的發(fā)展歷程及基本概念，養(yǎng)成數(shù)字化學習的良好習慣；具備網(wǎng)絡安全意識，并能在學習過程中處理好協(xié)作與交互。

（2）專項能力層定位與目標：能描述典型人工智能算法的實現(xiàn)過程，開發(fā)簡單的智能技術應用模塊；能完成基本的數(shù)據(jù)收集與分析任務，完成模型的參數(shù)設置與調整。

表3 《人工智能初步》教材基本框架（以初識人工智能與機器學習兩個模塊為例）

圖7 基于計算思維教學目標與課程定位

（3）思維方法層定位與目標：能親歷設計與實現(xiàn)典型人工智能應用系統(tǒng)的基本過程與方法。

（4）計算思維的自我監(jiān)控目標：增強利用智能技術服務人類發(fā)展的責任感，全面提升學生的信息素養(yǎng)。

（三）教學組織與實施

以計算思維為培養(yǎng)目標的課程在知識傳授過程中，不再以傳統(tǒng)的概念記憶與知識點的講授為主，計算思維重在抽象思維、計算思維、工程思維以及協(xié)作能力等的培養(yǎng)?；谟嬎闼季S的教學方法有很多，其中，項目式教學是目前被普遍認可的計算思維培養(yǎng)教學法。項目式教學要求在教學過程中，將知識模塊組織成完整的項目，再將項目拆分成不同的任務，以任務為單位設計活動，活動過程通常需要教師與學生共同參與，活動的組織與開展成為整個教學實施的重點，活動是教學最重要的部分，也是計算思維形成的關鍵環(huán)節(jié)，活動過程同時，還包含成果共享與展示以及教學評價。

（四）基于計算思維的多元教學評價方法與原則

過程性評價與形成性評價是目前理論界討論最多的兩種評價方法，也是國內外在教學過程中使用最普遍的兩種評價方法。形成性評價是新課改語境下評價改革的重要內容，兩者在理念上仍有本質的差異。前者屬于目標取向，不太關注過程本身；后者注重動機態(tài)度、過程和效果三位一體評價，比較關注學習過程。

評價必須突出促進作用，要弱化對學生的歸類與甄別，最大限度減輕學生壓力。如何發(fā)揮教師在評價過程中的主導作用，以及如何引導學生自我反思、自我評價和相互評價，具有重要意義。要重視評價信息的統(tǒng)計、歸納與反饋，在評價過程中要充分考慮學生的個別差異，鼓勵個性發(fā)展與發(fā)揮創(chuàng)造性。

五、基于計算思維的“項目—任務—活動”三層結構項目式教學組織與實施

（一）基于“項目—任務—活動”三層結構項目式教學設計

項目式學習是在教師引導下，以解決問題為目的，開展實踐探索與方案設計等具有創(chuàng)新性的學習模式[16]。項目式學習在一定程度上體現(xiàn)了學習的本質，它能在真實的情境中，促進學生對知識學習的掌控力和對問題的敏感性等能力的發(fā)展，激發(fā)學生積極思考。人工智能學科注重培養(yǎng)學生在數(shù)字化環(huán)境下的創(chuàng)新學習能力，例如，利用人工智能開源框架在真實環(huán)境中開發(fā)應用性較強的特點進行探討。因此，在教學中應用項目式學習，利用項目活動創(chuàng)設各種學習情境，引導學生開展探究性學習，利用人工智能技術開展項目實踐，切實解決一些具體問題，并形成完整的學習作品，讓所學知識和技能得到充分展現(xiàn)，從而促進學科核心素養(yǎng)的發(fā)展和計算思維的形成。為此，新教材在課程設計中納入了 “項目式學習”，強調學生在動手實驗中加深對原理性內容的理解，促進學生對信息科學實驗方法的遷移。

新教材采用具有特色的基于 “項目—任務—活動”三層結構的項目式學習架構。“項目—任務—活動”三級架構教學設計的思路在于：設定一個項目，將其拆解成不同的任務，每個任務又通過多個活動逐步完成?；谌壖軜嫷捻椖渴綄W習，很好地將計算思維落實到教學的不同環(huán)節(jié)中，并印證了前面我們提到的詹姆士·格雷（James Gray）的計算思維應用研究法。

該項目式學習主要是圍繞項目的規(guī)劃與確認，通過項目任務的完成，展開一系列活動。該結構不是一個靜態(tài)的結構，它反映了學生知識建構與思維生成的過程。其中，“項目”要注意構建真實問題的情境，任務重點要規(guī)劃學生學習的步驟；“活動”主要檢測學生實踐的過程?！绊椖俊焙汀叭蝿铡敝饕ㄎ辉凇八鳌?，而“活動”主要定位在“我主”?！盎顒印睉摶趯W習過程，促進知識建構、思維發(fā)展乃至核心素養(yǎng)在特定情境中圍繞活動而自然生成，以引導學生通過問題解決活動的多次經(jīng)歷，深化對學科思維的不同程度認識，逐漸形成與發(fā)展學科核心素養(yǎng)。如圖8所示，基于“項目—任務—活動”式結構的教學項目設計流程。對于課程中的每個關鍵概念，都要通過任務設計、活動實現(xiàn)、結果測試等步驟，完成整個項目的學習。

圖8 基于“項目—任務—活動”式結構的教學項目設計流程

要將人工智能模塊作為必修模塊的繼承，并進行自然延伸和拓展，廣泛納入復雜算法（編程）、行業(yè)大數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)基本要素，通過人工智能處理或解決較復雜的現(xiàn)實問題，讓學生能切實體驗到信息系統(tǒng)開發(fā)流程。在此基礎上，要利用學科特點，加深學生利用計算思維（特別是抽象、模塊化及分解等問題求解方法），具備設計并實現(xiàn)解決方案的能力。圖9為人工智能課程的“項目—任務—活動”三層課程項目結構。從圖中我們可以看出，這個過程很好地展現(xiàn)了“項目—任務—活動”三層課程項目結構設計的過程。例如，在搭建基于工智能開源框架應用任務時，可以先行設定一個主要任務，然后通過活動的形式完成被拆解的多個子任務。在完成任務的過程中，學生通過分解、抽象、設計、編碼、測試、協(xié)作等學習方法，依次體驗基于計算思維的整個求解過程。

圖9 基于“項目—任務—活動”三層架構的項目式學習流程

（二）項目案例設計的實例

基于項目式學習的具體應用，這里我們以“機器學習”模塊為例。對于本模塊的設計，通過“了解人工神經(jīng)網(wǎng)絡與機器學習”項目，圍繞人工智能關鍵技術應用案例開展學習。為此，需要完成以下任務：

任務一：體驗機器學習，了解機器學習的概念及其發(fā)展歷程，對應的活動包括：活動1，通過Flappy-Bird小游戲體驗機器學習；活動2，通過數(shù)字化學習了解機器學習的發(fā)展歷程。

任務二：了解機器學習的原理及應用領域。對應的活動包括：活動1，機器是怎么學習的，以感知器為例；活動2，借助決策樹設計“等人”決策；活動3，了解機器學習的應用領域，拓展活動練習，了解基于OpenCV庫的人臉識別庫應用。

任務三：了解人工神經(jīng)網(wǎng)絡的基本原理，體驗簡單人工神經(jīng)網(wǎng)絡的學習過程及深度學習的應用，對應的活動包括：活動1，了解人工神經(jīng)網(wǎng)絡；活動2，體驗簡單人工神經(jīng)網(wǎng)絡的學習過程；活動3，了解深度學習；活動4，體驗TensorFlow深度學習應用——識別手寫體數(shù)字，拓展活動練習，體驗基于BP算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡的應用。

本項目的“項目—任務—活動”三層架構圖如圖10所示。我們以“機器學習與深度學習”模塊的教學項目為例，從左到右依次是項目、任務和活動。其中，項目統(tǒng)領所有任務，每個任務又根據(jù)其性質和難易度拆分成不同的活動。在設計活動時，除了需要綜合考慮前后知識點的邏輯性，最重要的是要將計算思維的不同主題融入活動設計中。

根據(jù)六組計算思維主題框架設計模型，引導學生拓展思維深度，讓學生在模仿中學習，在模仿中創(chuàng)新。

（三）基于計算思維的項目式學習多元評價

圖10 “機器學習”模塊的項目設計架構

項目式學習是培養(yǎng)學生計算思維的重要途徑，通過對學生項目型實踐活動的評價，可以較為全面地了解學生計算思維的發(fā)展水平。

評價作為一種價值判斷的過程，能夠反映出教育價值理解的多元性[17]。課程評價作為課程設計的一部分，是教學的有機組成部分，對教學具有較強的導向作用；同樣，也是促進學習者學習的工具。為了全面評價學生計算思維能力的提升，可采用基于計算思維的多元評價模式，通過自我評價與小組互評等多種方式收集學習信息，判斷學習情況，并根據(jù)評價結果提供不同的學習支持。基于計算思維的評價習題設計，從學生的認知出發(fā)，圍繞人工智能學科特點，通過創(chuàng)設問題情境，從評價原則、評價方式、評價指標及評價的組織與實施，對學生進行全面考查。

在評價的組織與實施過程中，評價方式的選擇，應結合實際情況和具體評價目標，凸顯針對性和效益性；同時，要充分利用信息技術，提高評價效率，并加強教師團隊合作，不斷提升教師教學評價的專業(yè)技能。

在課程設計中，模塊學習主要以單元學習評價的方式體現(xiàn)，例如，對于機器學習模塊的學習評價。上述學習評價與計算思維評價層級之間的對應關系，如表4所示。一個評價項目往往對應幾個不同層級的評價水平。

表4 學習評價與計算思維評價層級之間的對應關系

六、總結與展望

計算思維已成為當下學習者思考和理解世界的一個必備基礎，也是智能時代學習者應該具備的核心素養(yǎng)。應對科技發(fā)展帶來的日益復雜的現(xiàn)實挑戰(zhàn)，提高學生的計算思維能力，成為了教育領域面臨的新問題[18]。我們基于新課標設計的高中《人工智能初步》教材，在計算思維三層結構框架基礎上，將六組計算思維主題很好地融入整個課程設計中，并通過項目式教學使計算思維培養(yǎng)得以實現(xiàn)，充分體現(xiàn)了核心素養(yǎng)的落地與實施?？梢哉f，基于計算思維和項目式學習的人工智能課程設計，改變了傳統(tǒng)的教學模式。

新教材與項目式學習的融合具有以下特點：（1）突顯前瞻性：活動設計靈活，每個階段都能緊跟人工智能發(fā)展的前沿和典型應用；（2）體現(xiàn)政策性：體現(xiàn)人工智能與基礎教育的有機銜接，落實國家《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》政策精神；（3）加強可操作性：實踐過程以“項目—任務—活動”來落實人工智能原理應用體驗，學生不但能掌握基礎知識，還能通過親自實踐，增強利用智能技術服務人類發(fā)展的責任感；（4）注重可擴展性：除了基礎知識與基本操作能力的培養(yǎng)，課程增加了拓展練習模塊，讓學生在課堂基本知識與技能的學習基礎上，還可以通過課外自主拓展練習，得以獲得知識與能力的提升與擴展，促進個性化發(fā)展。

人工智能還是一個發(fā)展中的學科，雖然近年來我國的不同教育層次都開始注重人工智能的學科教育，但其具有的跨學科性強且技術更迭快等特點，對教學隊伍的專業(yè)素質的提升帶來了艱巨的挑戰(zhàn)，多數(shù)學校面臨師資困難問題。相對而言，高校的師資較充足些，能否融通高校和中學的師資隊伍建設成為值得關注的課題。在教學實踐中，如何將計算思維融入到人工智能教學，還需要我們從教材標準框架出發(fā)，圍繞計算思維的內涵、價值、培養(yǎng)策略與教學模式等，將智能時代的思維范式與技能培養(yǎng)更好地融入到課程設計中?？傊?，在智能時代，我們的教育不能僅僅局限于人工智能技術的知識內容傳授，更要向智能時代的思維范式與技能培養(yǎng)擴散延展[19]。