指向计算思维培养的项目式学习实践研究

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）将计算思维列为信息科技学科核心素养之一。课标还提倡真实性学习，以真实问题或者项目驱动，注重创设真实情境。可见，智能时代，培养学生的计算思维越来越重要。如何培养学生计算思维成为研究热点。笔者结合人工智能校本课程“设计智能房间系统”教学，融合项目式学习理念，按照创设情境、提出问题，认知原理、分析项目，梳理导图、设计项目，探究合作、实现项目，提升思维、优化项目，展示作品、评价项目的流程，探索培养学生计算思维的路径。一、计算思维与项目式学习的内涵计算思维指运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等一系列思维活动[2]。课标指出：具备计算思维的学生，能对问题进行抽象、分解、建模，并通过设计算法形成解决方案；能尝试模拟、仿真、验证解决问题的过程，反思、优化解决问题的方案，并将其迁移运用于解决其他问题。经过分析，笔者认为思维过程包括六大要素：问题界定、特征抽象、模型建立、算法设计、算法实施、迁移应用[3]。项目式学习（PBL）是以学习者为中心，教师提供丰富的脚手架，让学生围绕真实有趣并有挑战性的项目主动探究，在深度探究及合作交流的过程中进行分析、设计、优化、展示、评价，最终形成成果，从而提升学生多元能力的一种教学模式。二、以项目式学习模式培养计算思维的优势项目式学习注重实践性与参与性，注重问题的解决，从真实情境出发，以学生为中心开展教学[4]——教师引导学生解决复杂问题，从而提升学生核心素养。在以往的教学中，学生参与项目活动，往往缺乏主动性，通常是按部就班地完成任务，缺乏自主设计、主动思考、解决问题、创新设计等过程。项目式学习在培养学生计算思维方面具有明显优势：一是师生参与的积极性高。教师精选符合学生思维特征的项目，创设的情境通常来源于学生的学习生活，或来源于热点问题，都是跟生活紧密联系，也是学生非常感兴趣的，学生学习的主动性、主体性易被调动。二是项目除了具有趣味性外，一般还具有复杂性、挑战性。学生要认真分析、梳理、讨论研究。学生在解决问题的过程中，需要充分运用抽象、分解等思维方法，而抽象、分解正是计算思维的特点，因此解决问题的过程就是学生思维不断提升的过程。三是项目式学习可以给学生带来满足感、成就感。项目式学习注重过程性评价和成果展示交流，在探究合作中，学生取得成绩会获得积极评价，公开展示成果得到大家的肯定，使其以饱满的热情投入项目学习中。三、指向计算思维培养的项目式学习流程结合项目式学习的特点，笔者以计算思维的六大过程要素为切入点，梳理研究，构建了基于项目式学习的计算思维培养模式（如图1），并以“设计智能房间系统”项目式教学为例进行实践。（一）创设情境，提出问题好的项目既能激发学生的学习兴趣，又能唤醒学生的经验认知。教师要精选与学生认知水平匹配的项目主题，巧妙地创设情境，激发学生的兴趣，引导学生想象、讨论，选定项目并提出方案，确保项目顺利推进。本项目教学中，笔者提出问题：“我们身边有很多人工智能的产品，如车牌识别、刷脸支付、智能音箱。随着人工智能的普及，我们房间也变得越来越智能化。我们一起畅想未来智能房间。它究竟会是什么样子呢？”继续引发学生思考，“你希望设计一个怎么样的智能房间系统”。此时，笔者提供相关项目案例、视频资料供学生参考。设计意图：设计项目式学习活动让学生在真实情境中主动学习，巧妙有效地创设真实趣味又有挑战性的情境，使情境跟学生的生活、学习相关联，能极大地激发学生的学习兴趣，从而以饱满的热情投入活动中。（二）认知原理，分析项目课标明确了任务实施的目的、内容和要求，建议从信息科技实践应用出发，帮助学生理解基本概念和基本原理，引导学生认识信息科技对人类社会的贡献与挑战，提升学生知识迁移能力和学科思维水平，体现“科”与“技”并重[5]。因此，在学生确定了项目主题后，教师应该引导学生分析其中蕴含的科学原理。学生只有了解原理，才能对问题进行抽象、分解、建模。例如，在确定了项目主题后，笔者提出问题：“人和智能家电又是如何交互的呢？带着这个问题，我们一起来看个短片。尝试在小组里说一说或画一画示意图。”设计意图：学生了解了人和智能家电交互的方式（如图2），为设计智能房间控制系统做铺垫。学生熟悉信息及其呈现与传递方式，进而合理利用信息进行表达，并理解智能家居系统的工作原理。（三）梳理導图，设计项目做好项目设计是关键，设计过程也是学生条理性思维、逻辑思维、信息意识养成的过程。分解和抽象是计算思维的关键特征。学生面对一个复杂的项目或者问题，首先要能读懂问题，然后进行科学合理的分解，抽象出事物的本质，进而逐步解决问题。学生参与项目式学习活动有利于培养其使用思维工具解决问题的能力。教师可以让学生借助思维导图软件，对项目或问题进行分析、梳理，将真实的现实问题转化为抽象的编程问题；也可以让学生设计流程图，将自然语言转化为图表或符号语言。例如，在学生准备设计智能房间控制系统时，笔者提醒学生借助思维导图软件对项目及程序进行分析（如图3），并用自然语言或者流程图，描述程序的执行步骤。学生上台展示思维导图并描述算法（如图4）。设计意图：借助思维导图引导学生分析项目，使他们在研讨的过程中对整个项目形成整体认识，提高计算思维能力。学生应用前面学过的开灯、关灯程序，进行知识迁移，用流程图描述算法，进一步提高思维能力。（四）探究合作，实现项目教师搭建好脚手架是项目式学习中重要的环节之一。此环节，教师放手让学生自主探究和实践，在不断地试错中反思，提高能力与思维水平。同时，每个小组要根据组员的特点进行分工（填写分工表），以充分发挥个人优势。既要分工明确、具体到人，又要注意协助，共同探究解决问题。本课教学中，笔者引导学生实现项目功能：“我们已经明白了系统的原理及程序的实现方式，请根据思维导图和学案，进行小组分工合作，动手设计、实现吧。”设计意图：学生在理解了智能房间的原理和程序的算法流程后，对智能家居场景进行程序模拟、验证。学生在实践中提高编程能力和计算思维能力，理解测试的重要性，提升工程思维与意识。（五）提升思维，优化项目最有效的学习是想方设法达到最近发展区。在学生完成项目基本功能的基础上，教师积极引导，激发学生的潜能，让他们发散思维，进行思维碰撞，不断优化作品，提高创新能力。例如，在学生搭建智能房间系统后，笔者带领学生进行系统测试。学生试着输入“打开灯吧！”，程序没有反应。“为什么？”（因为程序里面触发开灯事件的命令是：开灯）。“这样的设计能叫智能系统吗？”接着，笔者让学生观看另一个系统（用了自然语言处理技术），输入：天太黑了，有点黑，我看不清楚……“为什么输入这些命令，计算机能听懂呢？”通过思考、观察、交流、讨论，学生明白了：如果用日常的语言来发布指令控制系统，这样简单的程序完全无能为力。要使计算机理解人类的日常语言，需要应用自然语言处理技术，这样才能实现人与计算机之间用自然语言有效通信。笔者为学生搭建脚手架，借助微视频、学案等让学生了解神奇的工具——儿童机器学习网站，引导他们学习资料、互帮互助、动手实践，将自然语言处理技术运用到智能房间系统中，不断地优化项目功能。设计意图：主要任务完成后，教师设计情境，引导学生进行思维碰撞、交流，进而提出优化方案。教师带领学生初步了解机器学习的实现方式，体验自然语言处理在人机交互中的作用。学生掌握用机器学习的方式训练AI的方法，重在体验、感受。有能力的学生可以尝试根据学案、微视频改善项目功能，实现再利用、再创造，快速成长。（六）展示作品，评价项目完成项目任务不是终点。教师可提供评价标准，引导学生展示汇报，描述自己的作品，并从多方面进行评价。教师设计评价量规要立足核心素养，根据项目的内容、目标细化指标，重点关注学生项目的达成度、反思力，促进学生自主成长。例如：笔者采用分享式课堂的方式进行展示和评价：“我有夸奖，你的作品很有创意……”“我有建议，你的作品可从以下几方面完善……”“我有疑问，你是通过什么方式来解决的？”“我有不同……”“我有补充，你的作品给了我很大的启发，但是……”等。笔者及时进行小结、评价，并对学生进行鼓励。在展示作品和交流评价的过程中，学生实现思维能力的提升，其信息意识和信息社会责任也得以增强。设计意图：分享作品时，引导学生互相评价；让学生从学习态度、学习参与程度、学习内容掌握程度、学习能力和认知能力的发展等方面进行自评（见表1），