利用图形化人工智能编程培养初中生计算思维的研究
——以慧编程图形化编程教学为例

郭晓苓

天津市武清区教师发展中心 天津 301700

引言

随着信息技术的飞速发展，移动互联网、大数据、人工智能等新理论新技术推动了社会信息化、智能化的建设与发展，构建出现实空间与虚拟空间并存的智慧型信息社会。在智慧社会大背景下，计算思维能力将成为学生在智慧型信息社会中必备的关键能力之一。《普通高中信息技术课程标准（2017版）》将计算思维纳入信息技术学科核心素养的四要素之中[1]。因此，在信息技术课中如何更好地培养学生的计算思维已经成为信息技术教师关注的焦点之一，也是信息技术教师急需解决的教学关键问题之一。本文分析了初中学生计算思维能力现状，分析了利用图形化人工智能编程培养初中生计算思维的优势，并提出了利用图形化人工智能编程培养初中生计算思维的指导策略。

1 初中生计算思维现状分析

1.1 初中生对计算思维概念的理解程度分析

经过笔者对本地初中生调查得知，初中生对计算思维的认识大多比较陌生，知道这个概念的学生微乎其微，从这一点来看，大部分学生潜意识里没有计算思维这个词，所以他们也没有意识到计算思维在自身成长过程中的重要作用。

1.2 初中生计算思维发展程度现状分析

英国BBC概括总结了计算思维的四大组成部分：分解、模式识别、抽象与算法。下面就从这四个方面来分析初中生计算思维发展的程度。

在对学生进行题目测试的过程中，笔者发现，初中生具有一定的计算思维发展，但是却是基于表面的比较浅显的思维。这种浅层次的计算思维的形成主要是学生从长期数学学科的学习中习得的。首先，初中生具有一定的分解思维能力，他们能够利用分解思维的思想将一些题目分解并求解，但这种分解思维仅限于数学学科问题，在其他问题的解决中必须通过应用、迁移才能达到培养目标；其次，初中生具有一定的抽象思维能力，在解决数学问题时，他们能够根据已知的数据，通过公式等工具分析出最终的结果[2]；再次，初中学生具有一定的算法和评估思维能力，比如在处理“猜价格”的问题时，学生能够利用“二分法”将问题划分为两个区间，然后根据“高或低”的信息提示，继续利用“二分法”把问题范围不断缩小，最终快速猜出商品价格。在这个过程中，学生可以反思和判断自己的算法是否合理或者最佳。可见，在初中阶段，学生已经具有了一定的算法和评估思维。最后，初中生具有一定的模式识别能力，学生们可以利用“二分法”的规律技巧来解决上述“猜价格”问题，即便他们不知道什么是“二分法”，也已经足以证明他们具有一定规律总结、概括、迁移能力，即他们具有一定的模式识别能力。

从上述分析中，我们可以看出，初中生由于长期学习数学学科而具有一定的计算思维，但是缺少在计算机领域的科学实践，还不能很好地在信息活动中采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型以及合理组织数据；判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案的能力比较弱；总结利用计算机解决问题的过程与方法的能力以及信息的迁移能力还比较弱。

2 利用图形化人工智能编程培养初中生计算思维的优势分析

2.1 易于激发初中生编程兴趣，为计算思维的培养和发展奠定深厚的情感基础

兴趣是一切创新思维形成、发展及灵感迸发的源泉。图形化人工智能编程规避了枯燥、烦琐、抽象的程序语法，将学生带入一个可以看得见、摸得着的虚实结合的情境世界。比如，慧编程中简洁、直观的图形操作界面，集设备、角色、场景于一身，丰富的角色、场景可以随意选择，而且还可以尽展学生的绘画设计才能，自主设计角色、场景，使学生尽情创作有趣的故事、游戏、动画等，在创作中不断习得和发展计算思维能力。慧编程中的“设备”元素，能够对接Makeblock体系、micro:bit等很多物联网、人工智能硬件设备，给学生提供足够的空间去探究、实践，让学生在真实的情境中，尽情体验人工智能编程的乐趣。

2.2 便于构建自主探究的学习环境，为计算思维的培养和发展提供广阔的空间

图形化人工智能编程大大降低了应用技术上的难度，形象直观的图形界面，使教师能够轻松构建自主探究的学习环境，每个学生会“拖拽”这种简单的技术操作，就可以进行编程设计了。可见，教师和学生都会把大部分的精力由原来的“学技术”转移到“思维”的创新培养，而这种思维体现更多的便是计算思维。在这一过程中，学生将逐渐形成用计算机可以处理的方式进行问题分解、算法设计以及建立结构模型的能力。

2.3 便于开展主题式学习，为计算思维的培养和发展提供更为有效的途径

图形化人工智能编程教学中，知识、技能被融入动画、游戏、情境故事等主题作品中，使学生在特定的主题问题或任务中逐渐习得各模块功能的作用，理解计算机解决问题的过程，形成算法思维[3]。可见，在整个主题教学的实施过程中，强化了对学生计算思维的培养。

3 利用图形化人工智能编程培养初中生计算思维的策略

下面分别从分解、算法、模式识别、抽象这四个方面，以慧编程图形化人工智能编程工具为例，总结如何利用图形化人工智能编程培养初中生的计算思维。

3.1 巧设主题问题，强化图形对象建模，培养学生问题分解能力

主题问题的设计要根据教学内容和教学目标，结合学生的实际生活，提出教学主题大问题。然后引导学生对教学主题大问题进行系统的、整体的分析，从角色、模块、功能等多角度对主题大问题进行分解，分解出便于解决的分问题，分问题解决了，主题大问题就解决了。

例如：利用慧编程图形化人工智能编程软件（虚拟）和光环板设备（现实），实现虚实结合人工智能设计案例。教师设计的主题是《我帮爸爸开汽车》，其大问题描述为：今天，爸爸生病了，他要开车去医院看病。可是他的头很晕，不能开车了，你能以司机的身份帮爸爸完成开车任务吗？

教师引导学生对这个主题问题进行分析和分解：

角色是载人汽车；场景有两个，分别是家和医院；需要的外部控制设备是光环板。

主题大问题分解为三个功能问题：①车动：载人汽车沿直线左右移动；②变换场景：用左、右方向键实现场景切换；③光环板控制车动：当按下光环板按钮，光环板向左动，小车向左走，光环板向右动，小车向右走。

通过对这个主题问题进行分析，学生们对问题的分析过程和思路就会有一个初步的了解，逐渐养成分解问题的能力。

3.2 强化图形脚本设计，培养学生的算法思维

在问题分解后，教师可以利用图形脚本帮助学生描述和理解解决问题的方法，即算法。在慧编程人工智能编程软件中，教师可以采用两种方式来设计图形脚本：一种是算法流程图，另一种是图形积木有序组合图。算法流程图，可以帮助学生描述问题解决过程和方法，这也是在编程教学中常用的方法。图形积木有序组合图，是慧编程这类图形化人工智能编程软件中特有的功能，教师可以针对不同的角色、背景、外部设备直接拖拽选好的图形积木指令，在不断尝试各类指令的有序组合、修改指令参数的过程中，完成慧编程脚本设计。例如上述案例《我帮爸爸开汽车》，其流程图和积木块有序组合图分别见流程图1、流程图2、流程图3和积木图1、积木图2、积木图3。

图1 流程图1

图2 流程图2

图3 流程图3

图4 积木图1

图5 积木图2

图6 积木图3

脚本设计有助于对象模型建构，能够让学生从问题的整体和本质上找到解决思路，明确主题问题解决所需要的设备、角色以及背景，弄清设备与角色之间、设备与背景之间、角色与背景之间等的相互关系，为设计设备、角色、背景的指令、参数、执行顺序提供思路，有效培养学生的计算思维。

3.3 强化规律总结、问题迁移，培养学生模式识别能力

模式识别能力是计算思维的重要组成部分之一，是在分解的基础上，对相似的事物或者经历进行分析，找到其规律的过程，并对规律与趋势进行预测。例如上述案例《我帮爸爸开汽车》中，在认识光环板这一环节，教师可以通过介绍光环板的构成，引导学生进行模式识别，分析出因为光环板中集成了速度传感器，所以可以用光环板来控制虚拟小车的运动；在主题大问题分解这一环节，教师引导学生进行模式识别，根据主题大问题的叙述，分析识别出小车运动和已经学过的角色运动程序有关联，引导学生分析总结已经学过的知识和本节课要解决的问题的异同。学生的问题迁移、规律总结过程促进了学生积极思考，打开了学生的思维空间，增强了模式识别能力，培养了学生的计算思维。

3.4 强化清障优化意识，培养学生的抽象能力

抽象能力是计算思维的又一重要组成部分，抽象过程是一个舍弃的过程，在程序设计中，我们抽取有利于问题解决的已知因素，通过清障、优化完成新问题对的解决。例如上述案例《我帮爸爸开汽车》中，角色移动的程序设计学生已经学过，学生只需对之前所学的程序进行优化，思考如何将光环板控制和背景控制和角色运动连接起来。所以在教学环节设计的过程中，教师设计了清障环节，将角色运动的源程序直接拷贝过来，运行后没有出现主题大问题的预设效果，引导学生思考、分析为什么没有出现预期效果。此时，学生的探究积极性被调动，分析出原因，并对源程序进行清障、优化，最终解决问题。通过“清障”、“优化”，学生对程序设计的各个环节理解更加深入，整个程序设计更加合理，学生的抽象思维能力不断提升。

4 结束语

计算思维是信息社会学生解决问题的关键素养之一，培养和发展学生的计算思维也是落地信息技术学科核心素养关键因素之一，借助图形化人工智能编程，能够有效融合计算思维思想，培养和发展学生的计算思维。