項(xiàng)目式教學(xué)中對學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)策略研究

張?zhí)m

摘要：新一輪課改對提高學(xué)生信息素養(yǎng)提出了更深層次的要求，高中信息技術(shù)課堂更是如此，如今隨著新教材中python教學(xué)的開展，信息素養(yǎng)的要求更偏向于對學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，本文針對核心素養(yǎng)中對培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的要求，結(jié)合目前高中信息技術(shù)新教材改革的現(xiàn)狀，意圖通過在校本課程、課外實(shí)踐、社團(tuán)活動(dòng)等教學(xué)中推進(jìn)項(xiàng)目式教學(xué)，積累經(jīng)驗(yàn)，反思教學(xué)方式，研究培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的一些有效策略，從而打造一個(gè)跟互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代接軌的信息技術(shù)課堂。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式教學(xué);計(jì)算思維;人工智能

信息技術(shù)學(xué)科是以技術(shù)性實(shí)踐性為主導(dǎo)的學(xué)科，近幾年大家對學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)關(guān)注度很高，而信息技術(shù)學(xué)科因?yàn)槠鋵?shí)踐操作的特殊性，特別是因其先進(jìn)的技術(shù)手段、高效的技術(shù)平臺(tái)更是學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的主戰(zhàn)場，教師可以借助小的實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)，也可以設(shè)計(jì)大的項(xiàng)目，只要達(dá)成目標(biāo)都算殊途同歸。我所在的信息技術(shù)組順應(yīng)教改潮流，走在創(chuàng)新前列，目前手頭各有一個(gè)項(xiàng)目式教學(xué)區(qū)級課題和人工智能區(qū)級課題，因?yàn)檎莆樟说谝皇值难芯抠Y料，所以筆者想展示我校開展項(xiàng)目式教學(xué)中的一些典型案例，試圖歸納實(shí)踐教學(xué)中對培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維有效的規(guī)律和策略。

一、基本背景

計(jì)算思維是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的興起而流行的，其實(shí)在傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)學(xué)科中早就有它的雛形，它要求我們對具體的問題給出步驟性的說明，不僅需要描述解決問題的算法，更要求讓計(jì)算解決問題的實(shí)踐方案和程序代碼等。它其實(shí)是將項(xiàng)目中的總問題分解成一個(gè)個(gè)子問題，嘗試歸納找出層層解決相似性問題的方法。許多學(xué)生包括老師都會(huì)疑惑為什么培養(yǎng)計(jì)算思維？網(wǎng)上相關(guān)的理論很多，一致的共識有：計(jì)算思維是人工智能時(shí)代的大勢所趨，它能培養(yǎng)我們像計(jì)算機(jī)一樣分析解決問題的能力等。不言而喻計(jì)算思維已經(jīng)帶動(dòng)了神經(jīng)科學(xué)、生物科學(xué)等各領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)也給人文社會(huì)學(xué)、文學(xué)藝術(shù)等各層面帶來了全新的技術(shù)?？傊缫讶谌胛覀兊纳?，潤物細(xì)無聲的伴隨著我們的生活。

項(xiàng)目式可以從學(xué)習(xí)和教學(xué)兩方面闡述。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)主要針對學(xué)生層面，要求教師具有深厚的設(shè)計(jì)能力，起好引領(lǐng)的作用。課堂教學(xué)中首先要設(shè)計(jì)接地氣的實(shí)踐項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生多從身邊的小問題出發(fā)，能借助手頭現(xiàn)有資源就可以開展探究活動(dòng)的項(xiàng)目是最佳，一切以學(xué)生為主體，要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間解決項(xiàng)目中分層級的子問題，并能發(fā)布相應(yīng)的研究結(jié)果，這種學(xué)習(xí)方式稱為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。項(xiàng)目式教學(xué)主要針對教師層面，一般是師生共同協(xié)作完成項(xiàng)目，教師起主導(dǎo)作用，分配項(xiàng)目分工和需求，在項(xiàng)目實(shí)施過程中教師要具備課堂動(dòng)態(tài)規(guī)劃和調(diào)整的能力，“遇到問題-解決問題-調(diào)整策略”這是一個(gè)不斷重復(fù)的過程，同時(shí)還要求師生不斷學(xué)習(xí)，擴(kuò)充知識庫，在項(xiàng)目實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力?？傊_展項(xiàng)目式教學(xué)的價(jià)值在于讓學(xué)生能分析實(shí)際問題，融合各學(xué)科知識，綜合運(yùn)用等方面的能力，最終能夠適應(yīng)日新月異的信息化社會(huì)。

二、如何開展以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為目的的項(xiàng)目式教學(xué)

計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，改變了人們思考問題的理念和解決問題的方式。信息技術(shù)學(xué)科跟以上技術(shù)的聯(lián)系可以說是最緊密的，在諸多教學(xué)方法中項(xiàng)目式教學(xué)又具有獨(dú)特的優(yōu)勢，學(xué)生通過一個(gè)完整的項(xiàng)目研發(fā)，能夠激發(fā)創(chuàng)新能力。我們的目標(biāo)是通過項(xiàng)目式教學(xué)讓學(xué)生能夠參與到每一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在實(shí)踐中具備分析、解決問題的能力，教會(huì)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)。作為工作在一線20多年的教師，其實(shí)在項(xiàng)目式教學(xué)開始流行之前，我們已經(jīng)在日常教學(xué)中無數(shù)次使用，比如在舊教材中設(shè)計(jì)到多媒體制作的一些內(nèi)容，我校都是以項(xiàng)目的方式開展，要求學(xué)生以小組的形式申報(bào)項(xiàng)目，項(xiàng)目形式分別有海報(bào)圖像制作、音視頻制作、網(wǎng)站制作等，一般給足學(xué)生一個(gè)月的制作時(shí)間，最后進(jìn)行評比和點(diǎn)評，并選擇優(yōu)秀作品參加上一級的多媒體作品比賽。這些就是項(xiàng)目式教學(xué)的雛形，只是沒有將理論與實(shí)踐結(jié)合，上升到理論研究的層次。在新教材改革的背景下，教材重點(diǎn)偏向了python程序設(shè)計(jì)，這更是開展項(xiàng)目式教學(xué)的最佳契機(jī)，眾所周知程序設(shè)計(jì)項(xiàng)目特別要求團(tuán)隊(duì)協(xié)作，這就要求教師在日常教學(xué)中要以項(xiàng)目研究為抓手，巧設(shè)情境，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)利用算法與計(jì)算思維的方式，提升分析問題、轉(zhuǎn)化問題、分解問題、解決問題的能力。下面筆者列舉具體教學(xué)中開展的幾個(gè)項(xiàng)目：

1.通過人工智能校本課程項(xiàng)目式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維

隨著信息教材中python教學(xué)的推廣，人工智能教學(xué)的開展有了廣闊的舞臺(tái)和技術(shù)支撐。眾所周知python這門編程語言其實(shí)早就誕生了，但直到現(xiàn)在才開始在國內(nèi)流行，流行的原因之一就是它龐大的開放的庫，特別是用于人工智能的numpy科學(xué)計(jì)算、結(jié)巴中文分詞、wordcloud詞云、pybrain機(jī)器學(xué)習(xí)等常用庫等。因此python是適合人工智能開發(fā)的編程語言之一。目前，人工智能課程在中學(xué)的開設(shè)還處于探究階段，當(dāng)前主要是要解決教什么和怎么教的問題。我校主要通過校本課程的形式開展。首先是設(shè)置課程目標(biāo)，有了目標(biāo)，課程的內(nèi)容、模式才有方向。經(jīng)過資料收集、邀請專家指導(dǎo)、聘請第三方阿波羅等公司以及對學(xué)生的問卷調(diào)查等，我們制定了本校開設(shè)人工智能課程的目標(biāo)：初步體驗(yàn)和了解人工智能技術(shù)的基本概念和原理;體驗(yàn)人工智能在學(xué)習(xí)、生活等方面的應(yīng)用;激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和對今后職業(yè)規(guī)劃的方向。

具體的課程實(shí)施過程如下：以逐漸走進(jìn)我校的人工智能技術(shù)為載體開展項(xiàng)目式教學(xué)。人工智能是一門通過計(jì)算機(jī)來模擬“人的思維”的技術(shù)，而所謂“學(xué)習(xí)人工智能”其實(shí)是學(xué)習(xí)“計(jì)算思維”。人工智能的核心內(nèi)容其實(shí)是計(jì)算和思維兩方面，因此學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)可以讓學(xué)生感同身受計(jì)算思維的原理，從而體驗(yàn)人工智能與計(jì)算思維間的聯(lián)系。下面以校本課程《初識人工智能》的設(shè)計(jì)與實(shí)施過程為例。

這節(jié)課是面向高一零基礎(chǔ)但是對課程感興趣的新生，我是這樣設(shè)計(jì)的：首先播放一段關(guān)于人工智能的英文無翻譯視頻，在學(xué)生疑惑的目光中通過手機(jī)投屏演示訊飛翻譯app的應(yīng)用，然后讓學(xué)生對著中文去理解視頻內(nèi)容，分析為何同樣的單詞軟件給出的翻譯不一樣？為了解釋這個(gè)問題自然引入人工智能原理。

本課旨在通過實(shí)踐的操作和理論的學(xué)習(xí)理解什么叫計(jì)算思維，我們能用它解決什么樣的問題。當(dāng)前的信息技術(shù)軟硬件資源條件都已經(jīng)基本滿足，欠缺的是一套完善的致力于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)方案。因此我們首先從硬件的展示和使用入手，借助學(xué)校新引進(jìn)的門禁系統(tǒng)、食堂人臉識別技術(shù)、阿波羅人工智能教具等的使用，讓學(xué)生感受身邊的人工智能技術(shù)，從而激起深入研究的熱情。

然后教師展示學(xué)校中的各種智能識別技術(shù)，如：門禁系統(tǒng)中的指紋識別系統(tǒng)、食堂的人像識別技術(shù)、手機(jī)NFC無線技術(shù)、報(bào)名系統(tǒng)中照片識別技術(shù)……在學(xué)生的驚嘆中教師順理成章的引入人工智能的原理和計(jì)算機(jī)解決問題的思維方式。從學(xué)生的反饋來看，學(xué)生折服于智能機(jī)器思維的高效性，效果明顯。

2.通過社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維

豐富多彩的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)是我校五育并舉的特色之一，每年我校都會(huì)組織學(xué)生校外實(shí)踐，本項(xiàng)目以學(xué)生社會(huì)實(shí)踐項(xiàng)目“恐龍園一日游”為契機(jī)，設(shè)計(jì)“利用地圖軟件查詢規(guī)劃從學(xué)校到恐龍園的最佳路線”項(xiàng)目。首先請學(xué)生們設(shè)計(jì)規(guī)劃去恐龍園的最佳路線方案，這里要引導(dǎo)大家討論何為最佳？是路線最短還是話費(fèi)最少？然后選擇恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)航工具驗(yàn)證自己的猜想。比較導(dǎo)航給出的路線和自己設(shè)計(jì)的路線的區(qū)別，從而理解人的思維和機(jī)器思維方式的不同。

目前的課程改革對教師的要求主要是由傳統(tǒng)的講解式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)設(shè)情境、制定項(xiàng)目化任務(wù)等新的教學(xué)過程。此案例通過創(chuàng)設(shè)生活實(shí)例情境，給出任務(wù)，讓學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中體驗(yàn)人工思維和計(jì)算思維的區(qū)別，讓學(xué)生感受計(jì)算機(jī)解決問題的過程。本案例的項(xiàng)目設(shè)計(jì)關(guān)鍵就是如何在傳統(tǒng)和創(chuàng)新中找到平衡點(diǎn)，如何在設(shè)計(jì)教會(huì)學(xué)生體驗(yàn)最優(yōu)路徑的選擇等人工智能技術(shù)，將計(jì)算思維巧妙融入學(xué)習(xí)過程中。

3.通過多樣化的社團(tuán)活動(dòng)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維

豐富多彩的社團(tuán)活動(dòng)也是我校一直堅(jiān)持的傳統(tǒng)，借助我們信息組開設(shè)的智能硬件趣味編程、校園電視臺(tái)社團(tuán)、創(chuàng)客、智能機(jī)器人、多媒體處理等社團(tuán)，通過完成一系列項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。這類課程對算法和編程的教學(xué)更為集中和深入。日常社團(tuán)教學(xué)中教師可以找一些日常生活的案例來幫助學(xué)生理解計(jì)算思維，比如在80周年校慶活動(dòng)中啟用機(jī)器人迎賓、校園電視臺(tái)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期的調(diào)查工作等。教師指導(dǎo)這些項(xiàng)目時(shí)可以讓學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維模式，假設(shè)自己計(jì)算機(jī)程序如何解決這一問題？寫出如何采集學(xué)生建議的算法：一種方法是人工詢問采集;另一種方法是使用數(shù)據(jù)分析軟件和社交網(wǎng)站平臺(tái)提供的小程序，這樣學(xué)生就會(huì)比較處計(jì)算思維在解決問題中的優(yōu)勢。

三、研究心得

以上案例都是基于學(xué)生現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)與生活需求，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，將學(xué)科知識與技能的學(xué)習(xí)和運(yùn)用融入現(xiàn)實(shí)問題的解決中去，使學(xué)生獲得完整的數(shù)字化學(xué)習(xí)活動(dòng)過程體驗(yàn)，鍛煉了其在數(shù)字化環(huán)境中創(chuàng)造性解決問題的能力。計(jì)算思維培養(yǎng)的更深層次要求是通過學(xué)習(xí)人工智能的深度學(xué)習(xí)原理，培養(yǎng)學(xué)生通過現(xiàn)象看本質(zhì)的能力。面對一個(gè)具體項(xiàng)目，如果學(xué)生用計(jì)算思維寫出算法就能高效的獲得結(jié)果，這樣就能將注意力放在對數(shù)據(jù)后期的深入研究上，而是不放在簡單的收集上面。

興趣是最好的老師，學(xué)生生活在一個(gè)由真實(shí)和虛幻數(shù)字交融的環(huán)境中，這個(gè)環(huán)境復(fù)雜而多變，面對的問題也往往更豐富多元，即使面對同一個(gè)問題，學(xué)生思考的方向、解決問題的方式也不盡相同。通過一系列實(shí)踐應(yīng)用，最后學(xué)生不自覺得就進(jìn)入到研究的第三步，開始思考這些技術(shù)都是如何實(shí)現(xiàn)的？我們能否像計(jì)算機(jī)一樣去思考解決問題？……這些人工智能技術(shù)的應(yīng)用改變了學(xué)生原有的知識結(jié)構(gòu)，潛移默化也改變著學(xué)生的思維模式。學(xué)生由被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)，不僅要學(xué)習(xí)知識，還要掌握“如何學(xué)”的能力。相信如果我們能在新課標(biāo)核心素養(yǎng)的引領(lǐng)下，堅(jiān)持在實(shí)踐中不斷摸索、創(chuàng)新，總有一天會(huì)離教育改革的目標(biāo)越來越近。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳菲菲.項(xiàng)目式教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維中的作用[J].好家長，2017（47）：1.