馬瑞　江恩祈

計(jì)算思維作為一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維方式，是國內(nèi)外教育領(lǐng)域關(guān)注的重要議題，也是基礎(chǔ)教育課程改革的重要突破口。計(jì)算思維的培養(yǎng)不能陷入知識(shí)灌輸?shù)哪嗄?，而是需要通過小組協(xié)作完成項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生邏輯思維、問題解決、協(xié)作學(xué)習(xí)等能力的培養(yǎng)。然而，實(shí)際的協(xié)作學(xué)習(xí)過程中還存在一些問題：協(xié)作學(xué)習(xí)中未能充分發(fā)揮學(xué)生的主體性；學(xué)生與小組成員的深度討論、評(píng)價(jià)反思的活動(dòng)較少，缺乏核心素養(yǎng)的提升。如何在信息技術(shù)支持下構(gòu)建協(xié)作學(xué)習(xí)路徑，實(shí)現(xiàn)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

一、研究基礎(chǔ)

計(jì)算思維的培養(yǎng)注重學(xué)生通過問題迭代建構(gòu)，在小組協(xié)作、深度學(xué)習(xí)過程中促進(jìn)思維的培養(yǎng)。這要求小組成員之間通過共同協(xié)商、分解任務(wù)等方式解決問題。數(shù)字化技術(shù)為協(xié)作學(xué)習(xí)創(chuàng)造了良好的環(huán)境，有助于解決協(xié)作學(xué)習(xí)中學(xué)生缺乏深度討論、未能體現(xiàn)主體性的問題，促進(jìn)深層次協(xié)作，也有助于學(xué)生應(yīng)用技術(shù)更好地思考、分析和解決問題，逐步形成計(jì)算思維。

不少學(xué)者已經(jīng)對(duì)技術(shù)支持下的協(xié)作學(xué)習(xí)流程做了梳理。謝幼如教授提出了包括“共享—論證—協(xié)商—?jiǎng)?chuàng)作—反思”五個(gè)部分的基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作知識(shí)建構(gòu)模型；黃雪嬌等人認(rèn)為，信息化環(huán)境下的協(xié)作學(xué)習(xí)包括知識(shí)共享、知識(shí)協(xié)商、知識(shí)建構(gòu)、知識(shí)集成幾個(gè)部分，構(gòu)建了“四段式”協(xié)作知識(shí)建構(gòu)學(xué)習(xí)流程；江毅等人也構(gòu)建了包括共享觀點(diǎn)、論證協(xié)商、成果展示、課內(nèi)小結(jié)四個(gè)部分的翻轉(zhuǎn)課堂協(xié)作學(xué)習(xí)流程。

綜上所述，技術(shù)支持下的協(xié)作學(xué)習(xí)活動(dòng)需要經(jīng)歷以下階段：共享觀點(diǎn)階段，學(xué)生在組內(nèi)彼此分享觀點(diǎn)；論證協(xié)商階段，學(xué)生對(duì)不同的觀點(diǎn)進(jìn)行提問、協(xié)商、論證；意義建構(gòu)階段，各小組利用組員共同力量完成從資料的搜集到方案的設(shè)計(jì)到最終方案的實(shí)施；知識(shí)集成階段，學(xué)生對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行總結(jié)回顧，匯報(bào)交流集成知識(shí)。

二、路徑建構(gòu)

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建了信息技術(shù)支持下面向計(jì)算思維培養(yǎng)的協(xié)作學(xué)習(xí)路徑（如圖1），將計(jì)算思維的四個(gè)基本步驟（分解、識(shí)別、抽象和算法）融入?yún)f(xié)作學(xué)習(xí)的流程，以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的能力，并在深度協(xié)作中發(fā)展他們的核心素養(yǎng)。在協(xié)作學(xué)習(xí)過程中，教師需要注意從情境、評(píng)價(jià)等方面提升教學(xué)的有效性。首先，教師應(yīng)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一定的協(xié)作學(xué)習(xí)情境，將課堂生活化，為學(xué)生提供適當(dāng)?shù)闹С趾鸵龑?dǎo)；其次，教師應(yīng)當(dāng)建立相應(yīng)的規(guī)則，對(duì)小組學(xué)習(xí)活動(dòng)的順利展開進(jìn)行規(guī)范約束；最后，教師應(yīng)留給學(xué)生更多自主討論的空間，用積極的方式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，引發(fā)學(xué)生對(duì)協(xié)作學(xué)習(xí)的正向態(tài)度。

（一）組建協(xié)作小組，聚焦真實(shí)問題

教師運(yùn)用信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)情境，并提出非良構(gòu)、開放的驅(qū)動(dòng)性問題，以引導(dǎo)學(xué)生聚焦課堂任務(wù)關(guān)注的核心問題。在分析驅(qū)動(dòng)性問題后，學(xué)生需要組建協(xié)作小組，并明確角色分工和相應(yīng)規(guī)則。教師可借助智慧教學(xué)平臺(tái)來開展教學(xué)，以確保協(xié)作學(xué)習(xí)的環(huán)境和資源。

（二）觀點(diǎn)協(xié)作共享，分解項(xiàng)目問題

教師與學(xué)生一起分析項(xiàng)目相關(guān)的原理，幫助學(xué)生活化各學(xué)科相關(guān)的先前知識(shí)，以識(shí)別、分解出可解決的項(xiàng)目問題，并創(chuàng)造良好的討論氛圍，讓學(xué)生在頭腦風(fēng)暴中產(chǎn)生多樣的觀點(diǎn)。在此過程中，教師還要組織學(xué)生通過百度和知網(wǎng)等平臺(tái)協(xié)作搜集、篩選、整理信息，并在思維交流的基礎(chǔ)上制訂初步的作品方案，培養(yǎng)他們的問題解決能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

（三）分組論證協(xié)商，抽象描述問題

教師為學(xué)生提供信息化資源，并根據(jù)分組情況對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)。教師要鼓勵(lì)學(xué)生積極參與小組的協(xié)商討論，讓學(xué)生通過比較觀點(diǎn)間的異同來論證自身觀點(diǎn)。教師還應(yīng)幫助學(xué)生協(xié)商形成更完善的小組觀點(diǎn)和方案原型，并在理解原理的基礎(chǔ)上選擇合適的工具，如虛擬實(shí)驗(yàn)室或3D建模軟件等，將真實(shí)問題抽象為能使用數(shù)字化工具解決的具體問題。

（四）協(xié)作工程創(chuàng)作，協(xié)作設(shè)計(jì)算法

算法是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵，是將抽象問題轉(zhuǎn)化為程序語言自動(dòng)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)學(xué)生在協(xié)作知識(shí)的基礎(chǔ)上，選取適當(dāng)?shù)男问剑瑢⒅R(shí)和方案實(shí)現(xiàn)出來，分工完成之前分配的任務(wù)。教師則指導(dǎo)學(xué)生依據(jù)抽象問題進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，并開展實(shí)踐創(chuàng)作。小組成員之間互相交流想法，在小組的意見中不斷優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，并利用編程軟件開展實(shí)踐創(chuàng)作，共同體驗(yàn)完整的工程設(shè)計(jì)和技術(shù)制作流程。

（五）小組交流評(píng)價(jià)，匯聚群體知識(shí)

在設(shè)計(jì)算法并制作作品之后，學(xué)生需要對(duì)解決方案進(jìn)行檢測和調(diào)試。該環(huán)節(jié)是聚集小組成員觀點(diǎn)、升華思維的過程。為提升學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，教師應(yīng)組織學(xué)生以數(shù)字化、可視化的形式呈現(xiàn)作品，并借助智慧教學(xué)平臺(tái)匯報(bào)作品，帶動(dòng)各組成員給出詳細(xì)的評(píng)語和修改建議。學(xué)生也可以通過觀賞他人作品獲得靈感，從而完善本組作品。

（六）總結(jié)反思升華，實(shí)現(xiàn)拓展遷移

計(jì)算思維的歸納遷移，是指概括問題解決方案并將其應(yīng)用于解決其他問題，從而培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)在不同情境中解決問題的一般思路。教師對(duì)智慧教學(xué)平臺(tái)上的過程性數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和管理，將過程性評(píng)價(jià)與總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生反思整個(gè)協(xié)作過程和結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在的問題并及時(shí)糾正。

三、課程實(shí)施

根據(jù)圖1所示的協(xié)作學(xué)習(xí)路徑，筆者設(shè)計(jì)并實(shí)施了“智能采摘”課程。該課程實(shí)施對(duì)象為六年級(jí)學(xué)生，共有5課時(shí)，旨在研究無人農(nóng)場技術(shù)，以解決農(nóng)作物采摘效率低、人力成本高等問題。教師引導(dǎo)學(xué)生以編程技術(shù)為基礎(chǔ)，以智能設(shè)備為載體，設(shè)計(jì)出不同品種蘿卜的采摘和分揀方案。在自主設(shè)計(jì)和搭建智能采摘系統(tǒng)的過程中，學(xué)生的工程思維、計(jì)算思維和設(shè)計(jì)思維得到了提升。

智慧教學(xué)平臺(tái)具有搶答、隨機(jī)挑人、分組教學(xué)、互動(dòng)提問等功能。這些功能能夠在教學(xué)全流程中幫助師生實(shí)現(xiàn)有趣的課堂互動(dòng)、及時(shí)的學(xué)情反饋、高效的交流研討。該平臺(tái)為課程的實(shí)施創(chuàng)設(shè)了協(xié)作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)的教學(xué)環(huán)境。以下是“智能采摘”課程的教學(xué)過程。

（一）真實(shí)情境引入，組建協(xié)作小組

該環(huán)節(jié)的活動(dòng)內(nèi)容是“智識(shí)農(nóng)業(yè)——農(nóng)業(yè)知識(shí)”。教師在平臺(tái)上對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組（如圖2），并提出項(xiàng)目核心問題：如何提高農(nóng)作物采摘和分揀效率，以有效降低成本。為解決這一問題，教師創(chuàng)設(shè)了農(nóng)業(yè)采摘的情境，引導(dǎo)學(xué)生了解農(nóng)業(yè)采摘行業(yè)，培養(yǎng)他們通過科技提高農(nóng)業(yè)采摘效率的意識(shí)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生組成協(xié)作小組，并通過采訪調(diào)研、實(shí)地考察等方式開展活動(dòng)，思考如何利用人工智能技術(shù)和多學(xué)科知識(shí)解決農(nóng)作物采摘效率低等問題。

（二）探究新知識(shí)，觀點(diǎn)協(xié)作共享

該環(huán)節(jié)的活動(dòng)內(nèi)容是“智學(xué)新知——圖像分類知識(shí)”，體現(xiàn)了計(jì)算思維中問題的分解與識(shí)別。

教師為學(xué)生提供微課教學(xué)視頻、網(wǎng)絡(luò)檢索工具及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源鏈接等，幫助他們將復(fù)雜問題簡化分解為容易解決的子問題。學(xué)生通過學(xué)習(xí)教師提供的視頻和網(wǎng)絡(luò)資源，了解圖像分類在農(nóng)業(yè)采摘中的應(yīng)用，借助網(wǎng)絡(luò)檢索等總結(jié)智能化采摘的優(yōu)勢(shì)，學(xué)習(xí)圖像分類的相關(guān)原理知識(shí)，并開展圖像分類小實(shí)驗(yàn)（如圖3）。之后，他們用自己的語言描述任務(wù)原理和運(yùn)行規(guī)則，為問題抽象奠定基礎(chǔ)。

教師通過平臺(tái)的搶答、隨機(jī)挑人、投票、投屏演示等功能，引導(dǎo)學(xué)生分析問題，并在小組內(nèi)分享觀點(diǎn)，從而明確小組合作要完成的任務(wù)。學(xué)生交流討論所產(chǎn)生的認(rèn)知沖突會(huì)促使他們重構(gòu)自己的觀點(diǎn)，并積極搜索更多的經(jīng)驗(yàn)和信息以完善論證。平板電腦則會(huì)實(shí)時(shí)顯示小組的討論主題，便于組內(nèi)成員快速研討分析資料信息，提高效率。

（三）作品方案設(shè)計(jì)，分組論證協(xié)商

該環(huán)節(jié)的活動(dòng)內(nèi)容是“智慧采摘——方案設(shè)計(jì)”，旨在讓學(xué)生將真實(shí)問題抽象為能夠使用數(shù)字化工具解決的問題，對(duì)方案進(jìn)行周全規(guī)劃和準(zhǔn)確描述。

在該環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過討論和嘗試，整合論證不同觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)了智能設(shè)備采摘、智能分揀方案。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生在理解項(xiàng)目原理的基礎(chǔ)上合理選擇3D建模軟件，并根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行硬件造型和場景地圖設(shè)計(jì)（如圖4）。學(xué)生在人工智能實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和體驗(yàn)人工智能技術(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，明確數(shù)據(jù)與設(shè)備之間的關(guān)系。

以采摘和分揀蘿卜（胡蘿卜和白蘿卜）為例，學(xué)生需要統(tǒng)計(jì)農(nóng)田中蘿卜的間距，借助智能設(shè)備規(guī)劃位置擺放示意圖，完成采摘蘿卜的任務(wù)；借助圖像分類和智能設(shè)備，完成分揀蘿卜的任務(wù)；在學(xué)習(xí)共同體中進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，利用Xmind、ProcessOn等工具探討采摘蘿卜和分揀蘿卜的方案，并形成思維導(dǎo)圖。教師指導(dǎo)學(xué)生在集體協(xié)同知識(shí)建構(gòu)的基礎(chǔ)上形成更為深刻的協(xié)作式知識(shí)，促進(jìn)知識(shí)意義更好地重組。

（四）作品方案實(shí)施，協(xié)作工程創(chuàng)作

該環(huán)節(jié)的活動(dòng)內(nèi)容是“智造采摘——方案實(shí)施”。學(xué)生通過梳理采摘和分揀蘿卜的流程將任務(wù)分解，根據(jù)流程分析圖搭建智能采摘系統(tǒng)，在小組交流中優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并通過圖形化編程控制智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能（如圖5）。教師幫助小組學(xué)生依據(jù)分解的任務(wù)問題和抽象的數(shù)據(jù)表達(dá)，列出問題解決的步驟，進(jìn)行邏輯組織和數(shù)據(jù)分析，在算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程實(shí)施，將抽象的問題轉(zhuǎn)化為自動(dòng)運(yùn)行的程序語言。

各小組組長按照小組的分工實(shí)施方案，觀察現(xiàn)象、記錄所需信息，形成相應(yīng)的檢測報(bào)告（包括適用性、功能性、結(jié)構(gòu)性等）。在方案實(shí)施過程中，教師利用網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)空間構(gòu)建應(yīng)用便捷、信息豐富、使用安全的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，并營造良好的團(tuán)結(jié)協(xié)作氛圍，以利于各小組通過編程實(shí)現(xiàn)智慧采摘系統(tǒng)的功能。

（五）作品成果展示與拓展，小組交流評(píng)價(jià)

該環(huán)節(jié)的活動(dòng)內(nèi)容是“智趣分享——成果展示與拓展”。學(xué)生間交流分享成果，在評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)問題，在問題抽象和算法設(shè)計(jì)之后對(duì)作品進(jìn)行迭代，反復(fù)調(diào)試和檢測解決方案。通過評(píng)價(jià)論證，學(xué)生提煉觀點(diǎn)評(píng)價(jià)作品，從而使知識(shí)建構(gòu)達(dá)到新的高度。

在教學(xué)實(shí)施的過程中，學(xué)生隨時(shí)可將過程性資料上傳到智慧教學(xué)平臺(tái)中，形成小組資料庫；教師也可在平臺(tái)中發(fā)布教學(xué)資源及指南，實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)整學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。師生在平臺(tái)中隨時(shí)調(diào)用資料庫中的資源，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自評(píng)、組內(nèi)互評(píng)、組間互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)，對(duì)各小組方案和成果進(jìn)行講解、分享、對(duì)比與互動(dòng)協(xié)作，從中了解其他小組作品的優(yōu)缺點(diǎn)、創(chuàng)新點(diǎn)、方案完成度等，促進(jìn)小組間的信息交流與成果分享，提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作交流能力、數(shù)學(xué)抽象能力和問題解決能力。

（六）制作過程回顧，總結(jié)反思升華

該環(huán)節(jié)的活動(dòng)內(nèi)容是“智學(xué)總結(jié)——總結(jié)反思與升華”。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，綜合歸納探究過程中搜集數(shù)據(jù)的過程與方法，反思自己學(xué)到的內(nèi)容、對(duì)知識(shí)內(nèi)容的新想法、存在的不足及改進(jìn)策略，概括形成問題解決方案并將其遷移到類似的問題求解中，從而培養(yǎng)學(xué)生能夠在不同情境中形成求解問題的一般思路。在教學(xué)全過程當(dāng)中，會(huì)形成多樣化的過程性數(shù)據(jù)（如圖6），有助于教師利用智慧教學(xué)平臺(tái)查看班級(jí)整體情況、班級(jí)學(xué)生的答題詳情分布，據(jù)此調(diào)整教學(xué)策略。該環(huán)節(jié)主要提升學(xué)生的表達(dá)能力、審美情趣和美術(shù)表現(xiàn)能力。

四、結(jié)語

為培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，筆者構(gòu)建了信息技術(shù)支持下的協(xié)作學(xué)習(xí)路徑，并以“智能采摘”課程的教學(xué)為例加以說明。建構(gòu)的路徑和課程能夠充分利用信息技術(shù)支持協(xié)作學(xué)習(xí)的整體流程，在智慧教學(xué)平臺(tái)和各類數(shù)字化資源的支持下，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科技、藝術(shù)學(xué)科的大融合。將計(jì)算思維方法融入?yún)f(xié)作學(xué)習(xí)的每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，能夠提高各環(huán)節(jié)的教學(xué)效果，更好地完成人工智能課程的項(xiàng)目活動(dòng)，確保學(xué)生獲得良好的學(xué)習(xí)效果。信息技術(shù)的支持打破了生生之間、師生之間的交流障礙，促進(jìn)了資源的共建共享和數(shù)據(jù)的全過程收集，達(dá)到了計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)。

計(jì)算思維是人工智能時(shí)代學(xué)生所應(yīng)具備的核心素養(yǎng)，也是學(xué)生適應(yīng)未來智能社會(huì)的關(guān)鍵能力。計(jì)算思維的培養(yǎng)離不開協(xié)作學(xué)習(xí)，而信息技術(shù)的注入和支持為協(xié)作學(xué)習(xí)營造了良好的環(huán)境與氛圍。在信息技術(shù)支持下，面向計(jì)算思維培養(yǎng)的協(xié)作學(xué)習(xí)路徑讓學(xué)生得以在特定組織內(nèi)以協(xié)作形式共同完成學(xué)習(xí)任務(wù)，最終形成某種觀點(diǎn)、思想、方法等智慧產(chǎn)品，彰顯了信息化時(shí)代學(xué)習(xí)的“創(chuàng)新能力民主化”。在信息技術(shù)支持下，面向計(jì)算思維的協(xié)作教學(xué)實(shí)踐過程集中體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，能夠有效培養(yǎng)和提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

注：本文系深圳市教育科研專家工作專項(xiàng)課題“素養(yǎng)導(dǎo)向的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例開發(fā)與評(píng)價(jià)研究”（課題編號(hào)：kyzj4p020）、深圳市教育規(guī)劃課題“面向計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能+跨學(xué)科教學(xué)模式與應(yīng)用研究”（課題編號(hào)：ybzz21073）的研究成果。

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[9] 宿慶，張文蘭，王海，等.面向高中生計(jì)算思維培養(yǎng)的信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)研究[J].電化教育研究，2022（8）：109-115.

（作者馬瑞系華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院在讀博士研究生，廣東省深圳市鹽田區(qū)教育科學(xué)研究院智慧融合部部長、信息技術(shù)教研員；江恩祈系華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院在讀碩士研究生）

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