项目式教学中对学生计算思维的培养策略研究

张兰

摘要：新一轮课改对提高学生信息素养提出了更深层次的要求，高中信息技术课堂更是如此，如今随着新教材中python教学的开展，信息素养的要求更偏向于对学生计算思维的培养，本文针对核心素养中对培养学生计算思维的要求，结合目前高中信息技术新教材改革的现状，意图通过在校本课程、课外实践、社团活动等教学中推进项目式教学，积累经验，反思教学方式，研究培养学生计算思维的一些有效策略，从而打造一个跟互联网时代接轨的信息技术课堂。

关键词：项目式教学;计算思维;人工智能

信息技术学科是以技术性实践性为主导的学科，近几年大家对学生计算思维的培养关注度很高，而信息技术学科因为其实践操作的特殊性，特别是因其先进的技术手段、高效的技术平台更是学生计算思维培养的主战场，教师可以借助小的实践活动的设计，也可以设计大的项目，只要达成目标都算殊途同归。我所在的信息技术组顺应教改潮流，走在创新前列，目前手头各有一个项目式教学区级课题和人工智能区级课题，因为掌握了第一手的研究资料，所以笔者想展示我校开展项目式教学中的一些典型案例，试图归纳实践教学中对培养学生计算思维有效的规律和策略。

一、基本背景

计算思维是随着计算机科学的兴起而流行的，其实在传统的数学学科中早就有它的雏形，它要求我们对具体的问题给出步骤性的说明，不仅需要描述解决问题的算法，更要求让计算解决问题的实践方案和程序代码等。它其实是将项目中的总问题分解成一个个子问题，尝试归纳找出层层解决相似性问题的方法。许多学生包括老师都会疑惑为什么培养计算思维？网上相关的理论很多，一致的共识有：计算思维是人工智能时代的大势所趋，它能培养我们像计算机一样分析解决问题的能力等。不言而喻计算思维已经带动了神经科学、生物科学等各领域的发展，同时也给人文社会学、文学艺术等各层面带来了全新的技术。总之它早已融入我们的生活，润物细无声的伴随着我们的生活。

项目式可以从学习和教学两方面阐述。项目式学习主要针对学生层面，要求教师具有深厚的设计能力，起好引领的作用。课堂教学中首先要设计接地气的实践项目，引导学生多从身边的小问题出发，能借助手头现有资源就可以开展探究活动的项目是最佳，一切以学生为主体，要求学生在规定时间解决项目中分层级的子问题，并能发布相应的研究结果，这种学习方式称为项目式学习。项目式教学主要针对教师层面，一般是师生共同协作完成项目，教师起主导作用，分配项目分工和需求，在项目实施过程中教师要具备课堂动态规划和调整的能力，“遇到问题-解决问题-调整策略”这是一个不断重复的过程，同时还要求师生不断学习，扩充知识库，在项目实践中培养学生解决问题的能力。总之开展项目式教学的价值在于让学生能分析实际问题，融合各学科知识，综合运用等方面的能力，最终能够适应日新月异的信息化社会。

二、如何开展以培养学生计算思维为目的的项目式教学

计算机、互联网、大数据及人工智能技术的出现，改变了人们思考问题的理念和解决问题的方式。信息技术学科跟以上技术的联系可以说是最紧密的，在诸多教学方法中项目式教学又具有独特的优势，学生通过一个完整的项目研发，能够激发创新能力。我们的目标是通过项目式教学让学生能够参与到每一个设计环节，在实践中具备分析、解决问题的能力，教会学生透过现象看本质。作为工作在一线20多年的教师，其实在项目式教学开始流行之前，我们已经在日常教学中无数次使用，比如在旧教材中设计到多媒体制作的一些内容，我校都是以项目的方式开展，要求学生以小组的形式申报项目，项目形式分别有海报图像制作、音视频制作、网站制作等，一般给足学生一个月的制作时间，最后进行评比和点评，并选择优秀作品参加上一级的多媒体作品比赛。这些就是项目式教学的雏形，只是没有将理论与实践结合，上升到理论研究的层次。在新教材改革的背景下，教材重点偏向了python程序设计，这更是开展项目式教学的最佳契机，众所周知程序设计项目特别要求团队协作，这就要求教师在日常教学中要以项目研究为抓手，巧设情境，培养学生学会利用算法与计算思维的方式，提升分析问题、转化问题、分解问题、解决问题的能力。下面笔者列举具体教学中开展的几个项目：

1.通过人工智能校本课程项目式教学培养学生计算思维

随着信息教材中python教学的推广，人工智能教学的开展有了广阔的舞台和技术支撑。众所周知python这门编程语言其实早就诞生了，但直到现在才开始在国内流行，流行的原因之一就是它庞大的开放的库，特别是用于人工智能的numpy科学计算、结巴中文分词、wordcloud词云、pybrain机器学习等常用库等。因此python是适合人工智能开发的编程语言之一。目前，人工智能课程在中学的开设还处于探究阶段，当前主要是要解决教什么和怎么教的问题。我校主要通过校本课程的形式开展。首先是设置课程目标，有了目标，课程的内容、模式才有方向。经过资料收集、邀请专家指导、聘请第三方阿波罗等公司以及对学生的问卷调查等，我们制定了本校开设人工智能课程的目标：初步体验和了解人工智能技术的基本概念和原理;体验人工智能在学习、生活等方面的应用;激发学生学习的兴趣和对今后职业规划的方向。

具体的课程实施过程如下：以逐渐走进我校的人工智能技术为载体开展项目式教学。人工智能是一门通过计算机来模拟“人的思维”的技术，而所谓“学习人工智能”其实是学习“计算思维”。人工智能的核心内容其实是计算和思维两方面，因此学习人工智能技術可以让学生感同身受计算思维的原理，从而体验人工智能与计算思维间的联系。下面以校本课程《初识人工智能》的设计与实施过程为例。

这节课是面向高一零基础但是对课程感兴趣的新生，我是这样设计的：首先播放一段关于人工智能的英文无翻译视频，在学生疑惑的目光中通过手机投屏演示讯飞翻译app的应用，然后让学生对着中文去理解视频内容，分析为何同样的单词软件给出的翻译不一样？为了解释这个问题自然引入人工智能原理。

本课旨在通过实践的操作和理论的学习理解什么叫计算思维，我们能用它解决什么样的问题。当前的信息技术软硬件资源条件都已经基本满足，欠缺的是一套完善的致力于计算思维培养的教学方案。因此我们首先从硬件的展示和使用入手，借助学校新引进的门禁系统、食堂人脸识别技术、阿波罗人工智能教具等的使用，让学生感受身边的人工智能技术，从而激起深入研究的热情。

然后教师展示学校中的各种智能识别技术，如：门禁系统中的指纹识别系统、食堂的人像识别技术、手机NFC无线技术、报名系统中照片识别技术……在学生的惊叹中教师顺理成章的引入人工智能的原理和计算机解决问题的思维方式。从学生的反馈来看，学生折服于智能机器思维的高效性，效果明显。

2.通过社会实践活动项目培养学生计算思维

丰富多彩的社会实践活动是我校五育并举的特色之一，每年我校都会组织学生校外实践，本项目以学生社会实践项目“恐龙园一日游”为契机，设计“利用地图软件查询规划从学校到恐龙园的最佳路线”项目。首先请学生们设计规划去恐龙园的最佳路线方案，这里要引导大家讨论何为最佳？是路线最短还是话费最少？然后选择恰当的导航工具验证自己的猜想。比较导航给出的路线和自己设计的路线的区别，从而理解人的思维和机器思维方式的不同。

目前的课程改革对教师的要求主要是由传统的讲解式教学转变为创设情境、制定项目化任务等新的教学过程。此案例通过创设生活实例情境，给出任务，让学生在完成项目的过程中体验人工思维和计算思维的区别，让学生感受计算机解决问题的过程。本案例的项目设计关键就是如何在传统和创新中找到平衡点，如何在设计教会学生体验最优路径的选择等人工智能技术，将计算思维巧妙融入学习过程中。

3.通过多样化的社团活动项目培养学生计算思维

丰富多彩的社团活动也是我校一直堅持的传统，借助我们信息组开设的智能硬件趣味编程、校园电视台社团、创客、智能机器人、多媒体处理等社团，通过完成一系列项目培养学生计算思维。这类课程对算法和编程的教学更为集中和深入。日常社团教学中教师可以找一些日常生活的案例来帮助学生理解计算思维，比如在80周年校庆活动中启用机器人迎宾、校园电视台的项目设计前期的调查工作等。教师指导这些项目时可以让学生运用计算思维模式，假设自己计算机程序如何解决这一问题？写出如何采集学生建议的算法：一种方法是人工询问采集;另一种方法是使用数据分析软件和社交网站平台提供的小程序，这样学生就会比较处计算思维在解决问题中的优势。

三、研究心得

以上案例都是基于学生现实的学习与生活需求，创设真实的问题情境，将学科知识与技能的学习和运用融入现实问题的解决中去，使学生获得完整的数字化学习活动过程体验，锻炼了其在数字化环境中创造性解决问题的能力。计算思维培养的更深层次要求是通过学习人工智能的深度学习原理，培养学生通过现象看本质的能力。面对一个具体项目，如果学生用计算思维写出算法就能高效的获得结果，这样就能将注意力放在对数据后期的深入研究上，而是不放在简单的收集上面。

兴趣是最好的老师，学生生活在一个由真实和虚幻数字交融的环境中，这个环境复杂而多变，面对的问题也往往更丰富多元，即使面对同一个问题，学生思考的方向、解决问题的方式也不尽相同。通过一系列实践应用，最后学生不自觉得就进入到研究的第三步，开始思考这些技术都是如何实现的？我们能否像计算机一样去思考解决问题？……这些人工智能技术的应用改变了学生原有的知识结构，潜移默化也改变着学生的思维模式。学生由被动转为主动，不仅要学习知识，还要掌握“如何学”的能力。相信如果我们能在新课标核心素养的引领下，坚持在实践中不断摸索、创新，总有一天会离教育改革的目标越来越近。

参考文献：

[1]陈菲菲.项目式教学在培养学生计算思维中的作用[J].好家长，2017（47）：1.