芮清

摘要：表征，是指用某一種形式（物理的或者心理的），將一種事、物、知識或者想法表現(xiàn)出來。數(shù)據(jù)表征是指用數(shù)據(jù)的形式，來呈現(xiàn)問題解決中的思維過程。數(shù)據(jù)表征能力作為計算思維能力的重要組成部分，能夠引領(lǐng)人工智能“強(qiáng)認(rèn)知”領(lǐng)域的認(rèn)知，是一種面向未來的關(guān)鍵能力。作者提出，通過項目式學(xué)習(xí)設(shè)計不同情境和任務(wù)的驅(qū)動，讓思維過程可視，以“小數(shù)據(jù)、大任務(wù)”的方式提升學(xué)生的數(shù)據(jù)表征能力，是小學(xué)人工智能教學(xué)研究的新亮點。

關(guān)鍵詞：計算思維;數(shù)據(jù)表征能力;項目式學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）05-0008-03

當(dāng)前，信息技術(shù)教學(xué)越來越注重學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，為了更好地提升信息技術(shù)學(xué)科的育人價值，促進(jìn)學(xué)生計算思維中數(shù)據(jù)表征能力的培養(yǎng)，筆者通過項目式學(xué)習(xí)的方式，積極開展教學(xué)實踐探索。

● 相關(guān)概念的內(nèi)涵與價值

1.小學(xué)生計算思維

小學(xué)生計算思維包括“利用信息技術(shù)解決問題的能力”和“將利用信息技術(shù)解決問題的能力遷移至其他領(lǐng)域”。生活中的問題往往是復(fù)雜的問題和非良構(gòu)的問題，需要學(xué)生能夠提取問題關(guān)鍵點，能夠?qū)?fù)雜問題分解和細(xì)化，敏銳地捕捉到哪些問題能夠通過計算思維來解決。學(xué)生的計算思維解決的過程基本可以分為分解與抽象—建立模型—數(shù)據(jù)表征—算法設(shè)計—執(zhí)行與優(yōu)化—應(yīng)用遷移六個步驟。

2.項目式學(xué)習(xí)

項目式學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為中心、以項目為載體的問題驅(qū)動和基于成果的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)問題，以解決問題為導(dǎo)向開展方案設(shè)計、知識和技能學(xué)習(xí)、素養(yǎng)提升和實踐探索，具有實踐性、過程性、創(chuàng)新性特點的學(xué)習(xí)活動。它一般包含素養(yǎng)目標(biāo)、驅(qū)動性問題、持續(xù)探究和全程評估等要素，可以概括為情境、內(nèi)容、活動和成果等四個模塊。

3.項目式學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)表征

數(shù)據(jù)表征主要有列表法、作圖法和方程式法三種方式，教師需要在項目的開發(fā)設(shè)計、學(xué)習(xí)內(nèi)容選擇、活動開展、成果制作、評價和分享等環(huán)節(jié)中有意識地培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)表征能力，在項目的不同階段通過核心問題驅(qū)動、高階思維培養(yǎng)等方式，不斷提升學(xué)生的數(shù)據(jù)表征能力。

● 小學(xué)生數(shù)據(jù)表征能力進(jìn)階的實踐探索

1.立足學(xué)生生活體驗，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)共鳴

在真實的生活情境中，對生活中問題的明確界定是困難的，這就需要在討論、辨析和獨立思考的基礎(chǔ)上，提取其中與問題有關(guān)的關(guān)鍵信息。所以，項目的選定是項目式學(xué)習(xí)是否能夠成功實施的前提與關(guān)鍵，不僅影響著學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還影響著計算思維的發(fā)展程度。教師要引導(dǎo)學(xué)生從復(fù)雜的真實問題中提取關(guān)鍵信息，從計算思維的角度來分析問題和描述問題，遵循有效性和實用性價值的原則選定項目。

例如，在“智能投喂機(jī)”項目的教學(xué)中，可通過分組討論的形式，讓家里飼養(yǎng)寵物或者觀察過寵物的學(xué)生分享飼養(yǎng)寵物過程中遇到的問題，并從中提煉出與投喂有關(guān)的問題，如忘記投喂、因為疫情寵物被單獨隔離在家、家庭成員重復(fù)投喂等，通過頭腦風(fēng)暴式的討論和分享，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)共鳴，并針對問題進(jìn)行分解和問題抽象。在“智能投喂機(jī)”項目的前期規(guī)劃設(shè)計中，學(xué)生對項目的整體規(guī)劃和深入思考是項目中計算思維能力提升的關(guān)鍵。通過由淺入深、由生活中的問題聚焦到學(xué)科中的問題、由學(xué)科學(xué)習(xí)聚焦到計算思維的提升，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生的思考不斷深入，對項目實施中可能出現(xiàn)的問題的思考會越來越全面。在開放的、師生積極互動的教學(xué)環(huán)境下，學(xué)生得以循序漸進(jìn)地提升計算思維能力。

針對“智能投喂機(jī)”項目，可以使用如圖1所示的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)表征，提取關(guān)鍵信息，厘清對象間的關(guān)系。

2.提取關(guān)鍵問題，推動學(xué)生數(shù)據(jù)表征能力進(jìn)階

表征的形式直接影響對假設(shè)空間的搜索效率，任何一種表征都不能無條件、無限制地應(yīng)對所有情境。面對不同的問題，或者問題的不同階段，教師要善于引導(dǎo)學(xué)生使用不同的表征方式來應(yīng)對。在提取到關(guān)鍵問題后，教師要引導(dǎo)學(xué)生探索計算機(jī)解決問題的詳細(xì)步驟，創(chuàng)建一個精準(zhǔn)并且邏輯正確的算法，并且能在調(diào)試中不斷優(yōu)化算法，提高每一步的準(zhǔn)確性。在“智能投喂機(jī)”物聯(lián)網(wǎng)通信模塊中，可以使用如圖2所示的順序結(jié)構(gòu)的算法。

而要實現(xiàn)通過MQTT發(fā)送信息來智能投喂，則可以使用決策樹算法，通過判斷信息來實現(xiàn)。決策樹算法的核心是一種可以支持小數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的知識表征的方式——層次樹，通過“組合—分解”，將真實世界的復(fù)雜問題轉(zhuǎn)換成一系列小而簡單的問題，大大加速了問題假設(shè)的搜索速度。

本案例中的數(shù)據(jù)雖然比較簡單，但是與問題的解決密切相關(guān)，有助于學(xué)生體會、理解和內(nèi)化典型程序算法。教師要注重在問題解決過程中，提升學(xué)生的數(shù)據(jù)表征能力，使其通過項目式學(xué)習(xí)，由淺入深地感知人工智能時代“物聯(lián)萬物，感知世界”的特點。這其中還包含了計算思維中重要的網(wǎng)絡(luò)思維的能力提升，本文中的網(wǎng)絡(luò)思維，指的是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)核心的對象互動關(guān)系，在“智能投喂機(jī)”項目中，通過發(fā)送文本信息“1”來控制投喂，就是典型的網(wǎng)絡(luò)思維。計算思維中網(wǎng)絡(luò)思維能力的培養(yǎng)，不僅有助于提升學(xué)生把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)換為圖論中的經(jīng)典問題的能力，還有助于提升其將一個大問題分解成若干個小問題的能力。

3.提升數(shù)據(jù)表征能力，遷移到其他問題的解決中

“將利用信息技術(shù)解決問題的能力遷移至其他領(lǐng)域”是小學(xué)生計算思維的重要組成部分。在“智能投喂機(jī)”項目中，判斷是否投喂的決策樹算法，就可以應(yīng)用到很多項目的問題解決中去，如智能車牌識別項目，通過將識別到的車牌與列表中的車牌號進(jìn)行比對，如果相同，就語音播報“您已繳費(fèi)”。類似智能車牌識別的項目，學(xué)生雖然每天都會在生活中接觸，但對其算法和原理并不一定十分清楚，因此，教師可通過項目式學(xué)習(xí)的方式，引導(dǎo)學(xué)生圍繞項目作品的制作，從復(fù)雜的現(xiàn)實世界中抽象出特征，通過計算思維能力的遷移，用已學(xué)的算法不斷解決新的問題。

作為抽象思維能力的一種，數(shù)據(jù)表征能力是計算思維的重要組成部分，這種能力和素養(yǎng)，不僅體現(xiàn)在可視化編程、數(shù)字有形物等工具上，而且影響著學(xué)生在非計算機(jī)領(lǐng)域思考和分析問題。因此，在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中，教師要通過提升學(xué)生數(shù)據(jù)表征的能力，通過列表法、作圖法和方程式法等方式，讓學(xué)生的思維可視、可評，讓小學(xué)人工智能教育有法可依、有策可循。

參考文獻(xiàn)：

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本文系江蘇省管雪沨網(wǎng)絡(luò)名師工作室、江蘇省“十四五”教育規(guī)劃課題“小學(xué)人工智能教育的項目化學(xué)習(xí)體系建構(gòu)和實施策略研究”（編號：D/2021/2/148）階段性成果。

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