指向計算思維培養的項目式學習實踐研究

饒崇茂

周以真教授在2006年提出計算思維的概念，她認為“計算思維是21世紀中期所有人類都需要具備的基本技能”^[1]?！读x務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）將計算思維列為信息科技學科核心素養之一。課標還提倡真實性學習，以真實問題或者項目驅動，注重創設真實情境?？梢?，智能時代，培養學生的計算思維越來越重要。如何培養學生計算思維成為研究熱點。筆者結合人工智能校本課程“設計智能房間系統”教學，融合項目式學習理念，按照創設情境、提出問題，認知原理、分析項目，梳理導圖、設計項目，探究合作、實現項目，提升思維、優化項目，展示作品、評價項目的流程，探索培養學生計算思維的路徑。

一、計算思維與項目式學習的內涵

計算思維指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等一系列思維活動^[2]。課標指出：具備計算思維的學生，能對問題進行抽象、分解、建模，并通過設計算法形成解決方案；能嘗試模擬、仿真、驗證解決問題的過程，反思、優化解決問題的方案，并將其遷移運用于解決其他問題。經過分析，筆者認為思維過程包括六大要素：問題界定、特征抽象、模型建立、算法設計、算法實施、遷移應用^[3]。

項目式學習（PBL）是以學習者為中心，教師提供豐富的腳手架，讓學生圍繞真實有趣并有挑戰性的項目主動探究，在深度探究及合作交流的過程中進行分析、設計、優化、展示、評價，最終形成成果，從而提升學生多元能力的一種教學模式。

二、以項目式學習模式培養計算思維的優勢

項目式學習注重實踐性與參與性，注重問題的解決，從真實情境出發，以學生為中心開展教學^[4]——教師引導學生解決復雜問題，從而提升學生核心素養。在以往的教學中，學生參與項目活動，往往缺乏主動性，通常是按部就班地完成任務，缺乏自主設計、主動思考、解決問題、創新設計等過程。項目式學習在培養學生計算思維方面具有明顯優勢：一是師生參與的積極性高。教師精選符合學生思維特征的項目，創設的情境通常來源于學生的學習生活，或來源于熱點問題，都是跟生活緊密聯系，也是學生非常感興趣的，學生學習的主動性、主體性易被調動。二是項目除了具有趣味性外，一般還具有復雜性、挑戰性。學生要認真分析、梳理、討論研究。學生在解決問題的過程中，需要充分運用抽象、分解等思維方法，而抽象、分解正是計算思維的特點，因此解決問題的過程就是學生思維不斷提升的過程。三是項目式學習可以給學生帶來滿足感、成就感。項目式學習注重過程性評價和成果展示交流，在探究合作中，學生取得成績會獲得積極評價，公開展示成果得到大家的肯定，使其以飽滿的熱情投入項目學習中。

三、指向計算思維培養的項目式學習流程

結合項目式學習的特點，筆者以計算思維的六大過程要素為切入點，梳理研究，構建了基于項目式學習的計算思維培養模式（如圖1），并以“設計智能房間系統”項目式教學為例進行實踐。

（一）創設情境，提出問題

好的項目既能激發學生的學習興趣，又能喚醒學生的經驗認知。教師要精選與學生認知水平匹配的項目主題，巧妙地創設情境，激發學生的興趣，引導學生想象、討論，選定項目并提出方案，確保項目順利推進。

本項目教學中，筆者提出問題：“我們身邊有很多人工智能的產品，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。它究竟會是什么樣子呢？”繼續引發學生思考，“你希望設計一個怎么樣的智能房間系統”。此時，筆者提供相關項目案例、視頻資料供學生參考。

設計意圖：設計項目式學習活動讓學生在真實情境中主動學習，巧妙有效地創設真實趣味又有挑戰性的情境，使情境跟學生的生活、學習相關聯，能極大地激發學生的學習興趣，從而以飽滿的熱情投入活動中。

（二）認知原理，分析項目

課標明確了任務實施的目的、內容和要求，建議從信息科技實踐應用出發，幫助學生理解基本概念和基本原理，引導學生認識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰，提升學生知識遷移能力和學科思維水平，體現“科”與“技”并重^[5]。因此，在學生確定了項目主題后，教師應該引導學生分析其中蘊含的科學原理。學生只有了解原理，才能對問題進行抽象、分解、建模。

例如，在確定了項目主題后，筆者提出問題：“人和智能家電又是如何交互的呢？帶著這個問題，我們一起來看個短片。嘗試在小組里說一說或畫一畫示意圖?！?/p>

設計意圖：學生了解了人和智能家電交互的方式（如圖2），為設計智能房間控制系統做鋪墊。學生熟悉信息及其呈現與傳遞方式，進而合理利用信息進行表達，并理解智能家居系統的工作原理。

（三）梳理導圖，設計項目

做好項目設計是關鍵，設計過程也是學生條理性思維、邏輯思維、信息意識養成的過程。分解和抽象是計算思維的關鍵特征。學生面對一個復雜的項目或者問題，首先要能讀懂問題，然后進行科學合理的分解，抽象出事物的本質，進而逐步解決問題。學生參與項目式學習活動有利于培養其使用思維工具解決問題的能力。教師可以讓學生借助思維導圖軟件，對項目或問題進行分析、梳理，將真實的現實問題轉化為抽象的編程問題；也可以讓學生設計流程圖，將自然語言轉化為圖表或符號語言。

例如，在學生準備設計智能房間控制系統時，筆者提醒學生借助思維導圖軟件對項目及程序進行分析（如圖3），并用自然語言或者流程圖，描述程序的執行步驟。學生上臺展示思維導圖并描述算法（如圖4）。

設計意圖：借助思維導圖引導學生分析項目，使他們在研討的過程中對整個項目形成整體認識，提高計算思維能力。學生應用前面學過的開燈、關燈程序，進行知識遷移，用流程圖描述算法，進一步提高思維能力。

（四）探究合作，實現項目

教師搭建好腳手架是項目式學習中重要的環節之一。此環節，教師放手讓學生自主探究和實踐，在不斷地試錯中反思，提高能力與思維水平。同時，每個小組要根據組員的特點進行分工（填寫分工表），以充分發揮個人優勢。既要分工明確、具體到人，又要注意協助，共同探究解決問題。

本課教學中，筆者引導學生實現項目功能：“我們已經明白了系統的原理及程序的實現方式，請根據思維導圖和學案，進行小組分工合作，動手設計、實現吧?！?/p>

設計意圖：學生在理解了智能房間的原理和程序的算法流程后，對智能家居場景進行程序模擬、驗證。學生在實踐中提高編程能力和計算思維能力，理解測試的重要性，提升工程思維與意識。

（五）提升思維，優化項目

最有效的學習是想方設法達到最近發展區。在學生完成項目基本功能的基礎上，教師積極引導，激發學生的潛能，讓他們發散思維，進行思維碰撞，不斷優化作品，提高創新能力。

例如，在學生搭建智能房間系統后，筆者帶領學生進行系統測試。學生試著輸入“打開燈吧！”，程序沒有反應?！盀槭裁?？”（因為程序里面觸發開燈事件的命令是：開燈）?！斑@樣的設計能叫智能系統嗎？”接著，筆者讓學生觀看另一個系統（用了自然語言處理技術），輸入：天太黑了，有點黑，我看不清楚……“為什么輸入這些命令，計算機能聽懂呢？”通過思考、觀察、交流、討論，學生明白了：如果用日常的語言來發布指令控制系統，這樣簡單的程序完全無能為力。要使計算機理解人類的日常語言，需要應用自然語言處理技術，這樣才能實現人與計算機之間用自然語言有效通信。筆者為學生搭建腳手架，借助微視頻、學案等讓學生了解神奇的工具——兒童機器學習網站，引導他們學習資料、互幫互助、動手實踐，將自然語言處理技術運用到智能房間系統中，不斷地優化項目功能。

設計意圖：主要任務完成后，教師設計情境，引導學生進行思維碰撞、交流，進而提出優化方案。教師帶領學生初步了解機器學習的實現方式，體驗自然語言處理在人機交互中的作用。學生掌握用機器學習的方式訓練AI的方法，重在體驗、感受。有能力的學生可以嘗試根據學案、微視頻改善項目功能，實現再利用、再創造，快速成長。

（六）展示作品，評價項目

完成項目任務不是終點。教師可提供評價標準，引導學生展示匯報，描述自己的作品，并從多方面進行評價。教師設計評價量規要立足核心素養，根據項目的內容、目標細化指標，重點關注學生項目的達成度、反思力，促進學生自主成長。

例如：筆者采用分享式課堂的方式進行展示和評價：“我有夸獎，你的作品很有創意……”“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……”“我有補充，你的作品給了我很大的啟發，但是……”等。筆者及時進行小結、評價，并對學生進行鼓勵。在展示作品和交流評價的過程中，學生實現思維能力的提升，其信息意識和信息社會責任也得以增強。

設計意圖：分享作品時，引導學生互相評價；讓學生從學習態度、學習參與程度、學習內容掌握程度、學習能力和認知能力的發展等方面進行自評（見表1），實施多元評價，體現了教學評的一致性。

總之，項目式學習注重真實情境，注重激發學生的興趣，注重對問題的分析解決，注重學生成果的展示交流，注重過程性評價和終結性評價，注重自評、互評、師評，具有真實性、趣味性、參與性、實踐性。項目式學習真正體現了以學生為本，以項目為基。教師要精選主題項目，精心搭建腳手架，精準設計評價量規，精細做好學生的指導，有效促進學生計算思維能力發展。

參考文獻

[1] 王珊.面向計算思維培養的游戲化教學研究[D].青島：青島大學，2023.

[2] 壽新煥.計算機程序設計中的思維能力訓練[J].信息與電腦（理論版），2016（3）：44-45.

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[4] 張加莎.項目式學習在中小學人工智能課程中的實踐：以“人臉識別智能門”為例[J].中小學信息技術教育，2021（9）：65-67.

[5] 張利波，羅婉慶.重視技術原理 凸顯科學價值：數字技術賦能信息科技原理教學的路徑與策略[J].中小學數字化教學，2022（8）：14-18.