陳海英

摘 要：在高中信息技術(shù)課程中，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維已成為教育的重要任務(wù)。本研究以“人工智能初步”模塊為例，探索面向計算思維培養(yǎng)的項目式教學(xué)實踐。通過創(chuàng)設(shè)情境、分解任務(wù)；分析需要、設(shè)計方案；算法建模、方案實施；檢驗成效、模擬仿真等步驟，旨在達到培養(yǎng)學(xué)生抽象分析、設(shè)計制作、批判性思維和算法思維能力的目標。

關(guān)鍵詞：高中信息技術(shù)；計算思維；項目式教學(xué)；人工智能初步

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計算思維作為一種重要的綜合素養(yǎng)逐漸受到教育界的關(guān)注。高中信息技術(shù)課程在“人工智能初步”模塊中，通過項目式教學(xué)的方式，旨在培養(yǎng)學(xué)生的抽象分析、設(shè)計制作、批判性思維和算法思維能力，以適應(yīng)未來社會的需求。

一、“人工智能初步”中計算思維的目標要求

（一）培養(yǎng)學(xué)生的抽象與分析能力

在高中信息技術(shù)課程的“人工智能初步”模塊中，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維是一個重要目標。其中，培養(yǎng)學(xué)生的抽象與分析能力是該目標的關(guān)鍵方面，通過引導(dǎo)學(xué)生理解和運用抽象概念，以及分析問題和現(xiàn)象的能力，可以幫助他們更好地理解人工智能的基本原理和應(yīng)用。假設(shè)在課程中引入一個人工智能圖像識別的案例。學(xué)生需要理解圖像識別的基本原理，即將圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化數(shù)據(jù)，并通過算法進行分析和比對，從而實現(xiàn)對圖像內(nèi)容的識別和分類。在這個過程中，培養(yǎng)學(xué)生的抽象能力即將真實世界中的圖像信息抽象為數(shù)字化的數(shù)據(jù)形式，理解圖像數(shù)據(jù)與現(xiàn)實圖像之間的對應(yīng)關(guān)系。進一步地，學(xué)生需要分析圖像識別的具體步驟和方法。他們需要掌握圖像預(yù)處理、特征提取、模型訓(xùn)練等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以及相應(yīng)的算法和技術(shù)。通過分析每個步驟的作用和原理，學(xué)生能夠逐步理解整個圖像識別過程，從而培養(yǎng)了抽象與分析的能力[1]。例如：學(xué)生可以分析在圖像預(yù)處理階段，為什么需要對圖像進行去噪或增強處理，以及如何選擇合適的算法進行處理。此外，學(xué)生還需要應(yīng)用抽象和分析能力解決與圖像識別相關(guān)的問題。例如：給定一組圖像和相應(yīng)的標簽，學(xué)生可以運用所學(xué)的抽象概念和分析方法，設(shè)計一個圖像識別模型，經(jīng)過訓(xùn)練后能夠自動判斷未標注圖像的內(nèi)容。在這個過程中，學(xué)生需要將抽象的概念和分析的方法具體應(yīng)用到實際問題中，進一步鞏固和發(fā)展他們的計算思維能力。

（二）培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計與制作能力

高中信息技術(shù)課程的“人工智能初步”模塊旨在培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計與制作能力，使他們能夠運用計算思維解決實際問題，并將其轉(zhuǎn)化為實際可操作的系統(tǒng)或應(yīng)用。通過項目式教學(xué)實踐，學(xué)生可以獲得鍛煉設(shè)計與制作能力的機會。例如：在這個模塊中，學(xué)生可以選擇一個具體的問題，如社區(qū)垃圾分類管理，然后運用計算思維進行解析和分解。學(xué)生需要首先分析社區(qū)內(nèi)垃圾分類存在的問題，然后設(shè)計一個基于人工智能的系統(tǒng)，能夠自動識別垃圾種類并進行分類。在這個過程中，學(xué)生需要考慮如何獲取和處理圖像數(shù)據(jù)，選擇合適的算法進行分類，設(shè)計用戶界面以及進行系統(tǒng)測試與優(yōu)化。在設(shè)計與制作的過程中，學(xué)生將運用編程、數(shù)據(jù)處理等技能，將抽象的問題轉(zhuǎn)化為具體的應(yīng)用。例如：學(xué)生可以使用編程語言創(chuàng)建圖像識別算法，編寫代碼實現(xiàn)用戶界面，搭建數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理等。通過這些實際操作，學(xué)生將不僅加深對計算思維的理解，還能夠培養(yǎng)出系統(tǒng)設(shè)計、編程和實際操作的能力[2]。

（三）強化學(xué)生的批判性思維能力

高中信息技術(shù)課程的“人工智能初步”模塊旨在強化學(xué)生的批判性思維能力，使他們能夠?qū)θ斯ぶ悄茴I(lǐng)域的現(xiàn)象、觀點和信息進行深入分析和評價，從而培養(yǎng)他們的邏輯思辨能力和判斷能力。在項目式教學(xué)實踐中，學(xué)生可以通過設(shè)計一個人工智能應(yīng)用來展現(xiàn)批判性思維的培養(yǎng)。例如：學(xué)生可以選擇一個當前熱門的人工智能應(yīng)用，如人臉識別技術(shù)，在這個項目中，學(xué)生需要不僅了解該技術(shù)的工作原理和應(yīng)用場景，還需要對其中可能涉及的倫理、隱私和安全問題進行深入思考和分析。在設(shè)計過程中，學(xué)生需要考慮人臉識別技術(shù)可能存在的偏見、誤識別等問題，以及其在社會中的潛在影響。他們可以從不同的角度出發(fā)，如法律、倫理、社會影響等，對這些問題展開討論，并提出自己的看法和解決方案。通過這個過程，學(xué)生不僅能夠理解技術(shù)本身，還能夠意識到其背后可能存在的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。

（四）提升學(xué)生的算法思維能力

高中信息技術(shù)課程中的“人工智能初步”模塊旨在提升學(xué)生的算法思維能力，使他們能夠深入理解和應(yīng)用各種算法解決實際問題。通過項目式教學(xué)實踐，學(xué)生能夠在具體問題中運用算法思維進行分析和解決。例如：在這個模塊中，學(xué)生可以選擇一個實際場景，如智能交通系統(tǒng)，然后運用算法思維設(shè)計一個智能路線規(guī)劃系統(tǒng)。學(xué)生需要首先分析交通流量、道路擁堵情況等因素，然后選擇適合的算法，如Dijkstra算法或A*算法，來實現(xiàn)最優(yōu)路線的規(guī)劃。在這個過程中，學(xué)生需要考慮算法的效率和準確性，以及如何將算法與實際地圖數(shù)據(jù)進行結(jié)合[3]。在提升算法思維的過程中，學(xué)生將學(xué)會分析問題的結(jié)構(gòu)和特點，選擇合適的算法來解決問題。例如：他們需要分析交通網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，確定節(jié)點和邊的關(guān)系，然后應(yīng)用圖論中的算法來進行路線規(guī)劃。

二、面向計算思維培養(yǎng)的項目式教學(xué)實踐

（一）創(chuàng)設(shè)情境、分解任務(wù)

面向計算思維培養(yǎng)的項目式教學(xué)實踐在“人工智能初步”模塊中具有重要意義，通過創(chuàng)設(shè)情境和分解任務(wù)，可以有效激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)他們運用所學(xué)知識解決實際問題，培養(yǎng)計算思維能力。教師在項目啟動階段要精心選擇或創(chuàng)設(shè)一個真實情境的問題，使學(xué)生能夠感受到問題的現(xiàn)實意義。以“用人工智能技術(shù)解決衛(wèi)生防疫中機器人自動送餐”的項目為例，通過播放集中隔離點隔離人員急需送餐的微視頻，可以讓學(xué)生深刻理解自動送餐對于疫情防控的重要性，激發(fā)他們的使命感和責(zé)任感。學(xué)生需要根據(jù)項目情境，確定問題的目標和范圍。在這一階段，學(xué)生需要運用所學(xué)的人工智能相關(guān)知識，分析問題，并將復(fù)雜的問題進行抽象和分解，將其簡化為幾個具體的任務(wù)模塊。例如：學(xué)生可以確定“任務(wù)響應(yīng)”“道路選定”“通知送達”等任務(wù)模塊，每個模塊都是解決問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。接著，學(xué)生將每個任務(wù)模塊進一步分解為具體的步驟和操作，從而形成一個完整的任務(wù)流程。例如：在“道路選定”任務(wù)模塊中，學(xué)生可以分解為“地圖數(shù)據(jù)獲取”“路徑規(guī)劃算法選擇”“路徑規(guī)劃實施”等步驟，每個步驟都需要運用不同的技術(shù)和方法。在實施這些任務(wù)模塊的過程中，學(xué)生將鍛煉抽象化和分析能力，將復(fù)雜問題逐步細化，將任務(wù)模塊化，有助于學(xué)生更好地理解和解決問題。同時，學(xué)生也需要學(xué)習(xí)并應(yīng)用人工智能的基礎(chǔ)知識和技能，如路徑規(guī)劃算法、數(shù)據(jù)獲取和處理等，從而培養(yǎng)設(shè)計與制作能力。為了幫助學(xué)生克服在任務(wù)實施過程中可能遇到的困難，教師可以利用微教學(xué)視頻等方式，為學(xué)生提供指導(dǎo)和解答。這種個性化的輔導(dǎo)可以幫助學(xué)生在不同層次的問題上進行自主探究，促進他們的自主學(xué)習(xí)和問題解決能力的提升[4]。

（二）分析需要、設(shè)計方案

在面向計算思維培養(yǎng)的項目式教學(xué)實踐中，階段二——分析需要和設(shè)計方案，是項目啟動階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在這個階段，學(xué)生小組合作，通過討論和分析來確定項目的需求，并制訂解決問題的方案。這一過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生的程序性思維和信息素養(yǎng)，還強化了他們的知識建構(gòu)和思維養(yǎng)成能力。教師在這一階段起到引導(dǎo)和監(jiān)督的作用，鼓勵學(xué)生小組積極參與討論，共同分析問題，找出解決方案。以解決學(xué)生用手機掃碼簽到的問題為例，學(xué)生小組首先可以討論如果沒有手機如何進行簽到，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度思考問題。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生深入分析人工智能的識別模式，比較指紋識別與人臉識別等多種方案的優(yōu)缺點，幫助學(xué)生理解各種技術(shù)的應(yīng)用場景和限制。然后，學(xué)生小組根據(jù)討論結(jié)果，整理出各自的實施方案。各小組的方案可以涵蓋技術(shù)實現(xiàn)、操作流程、數(shù)據(jù)管理等方面，從而確保問題得到全面解決。例如：針對手機掃碼簽到問題，學(xué)生小組可以設(shè)計出使用人臉識別技術(shù)的方案，包括采集學(xué)生照片、建立人臉識別模型、設(shè)計簽到系統(tǒng)等。最后，各小組對制訂的方案進行可行性評估，學(xué)生需要思考方案的實際可行性，包括技術(shù)實現(xiàn)的難易程度、所需資源、可能遇到的問題等，這有助于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，使他們能夠全面考慮問題，預(yù)測可能的挑戰(zhàn)并制訂解決方案。項目分析階段是項目式學(xué)習(xí)中較為復(fù)雜和關(guān)鍵的一環(huán)。在這個過程中，學(xué)生不僅需要運用所學(xué)的知識和技能，還需要培養(yǎng)系統(tǒng)性思維，將問題從多個角度進行分析和解決，教師需要密切關(guān)注學(xué)生的項目進展，及時提供指導(dǎo)和反饋，幫助他們克服難題，同時也為學(xué)生提供學(xué)案和學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)他們在項目分析階段的學(xué)習(xí)進程。

（三）算法建模、方案實施

在面向計算思維培養(yǎng)的項目式教學(xué)實踐中，階段三——算法建模和方案實施，是項目教學(xué)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，在這個階段，學(xué)生將設(shè)計的方案付諸實踐，通過在真實環(huán)境或虛擬仿真環(huán)境中開展實際操作，解決問題，達成教學(xué)目標。這一階段不僅是學(xué)生計算思維能力的中高級階段，也是培養(yǎng)學(xué)生合作探究能力的重要時期。學(xué)生在這個階段通過實際操作和探究，將設(shè)計的方案轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。例如：在人工智能初步的教學(xué)實踐中，可以設(shè)計校園智能導(dǎo)游系統(tǒng)，讓學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)中的圖像識別、文本識別等知識應(yīng)用到實際場景中，實現(xiàn)校園導(dǎo)游的功能。在這個過程中，學(xué)生需要編寫代碼、調(diào)試程序，運用算法建模的知識來解決實際問題，從而深入理解和應(yīng)用所學(xué)的內(nèi)容。教師在這個階段扮演著引導(dǎo)和指導(dǎo)的角色。學(xué)生在實際操作中可能會遇到問題和困難，教師要及時引導(dǎo)，提供幫助和解答，幫助學(xué)生克服難題。教師可以組織討論和分享會，讓學(xué)生小組之間相互學(xué)習(xí)，共同解決問題，培養(yǎng)合作探究的能力，通過合作解決問題，學(xué)生可以互相啟發(fā)，共同進步，實現(xiàn)計算思維能力的提升。在項目實施的過程中，學(xué)生需要運用算法建模來解決復(fù)雜的問題。他們需要將問題分解為多個小任務(wù)，為每個小任務(wù)設(shè)計相應(yīng)的算法和程序，然后將這些小任務(wù)組合起來，完成整個項目的實施。例如：在垃圾分類電子指導(dǎo)員的項目中，學(xué)生可以將識別不同垃圾種類的任務(wù)分解為圖像識別、特征提取等小任務(wù)，然后設(shè)計相應(yīng)的算法來完成每個小任務(wù)，最終實現(xiàn)垃圾分類指導(dǎo)員的功能。

（四）檢驗成效、模擬仿真

面向計算思維培養(yǎng)的項目式教學(xué)實踐，涵蓋了項目作品或設(shè)計方案的檢驗與測試，以及模擬仿真的環(huán)節(jié)，通過模擬運行、仿真實踐，學(xué)生對項目的成效進行檢驗與驗證，同時也有助于促進學(xué)生的計算思維能力的進一步發(fā)展。學(xué)生在這一階段通過模擬運行或仿真實踐來測試他們的項目作品或設(shè)計方案。例如：在機器人智能巡線的項目中，學(xué)生可以使用虛擬仿真軟件模擬機器人行走的過程，觀察機器人是否能夠按照預(yù)期路徑行走，是否能夠正確識別巡線的標志等。通過實際操作，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)項目中存在的問題或不足之處，從而為進一步改進和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。學(xué)生在模擬仿真的過程中需要分析項目的流程和算法，進行反思和調(diào)試。他們需要仔細檢查每個環(huán)節(jié)的設(shè)計和實現(xiàn)，確認是否存在邏輯錯誤或漏洞。例如：在車牌識別應(yīng)用的項目中，學(xué)生需要檢查識別算法是否能夠準確識別不同車牌的字符，是否能夠應(yīng)對各種光照和角度變化等情況。通過這種分析和反思，學(xué)生可以進一步完善項目的功能和性能。同時，這個階段也促使學(xué)生從最初的設(shè)計方案出發(fā)，進行檢驗和驗證。學(xué)生可以根據(jù)實際模擬結(jié)果，對最初的設(shè)計進行評估，看是否達到了預(yù)期的效果。如果存在不足或問題，學(xué)生需要針對性地進行改進和優(yōu)化，以提高項目的質(zhì)量和實用性。在項目實踐中，人工智能技術(shù)的應(yīng)用實例能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的算法抽象分解與概括的思維能力。例如：在搭建路徑搜索應(yīng)用的項目中，學(xué)生需要將復(fù)雜的路徑搜索問題分解成多個子問題，設(shè)計相應(yīng)的算法來解決每個子問題，然后將這些算法整合起來，實現(xiàn)完整的路徑搜索功能。通過這個過程，學(xué)生不僅鍛煉了算法思維，還培養(yǎng)了對問題的分析和解決能力。

（五）展示評估、優(yōu)化遷移

面向計算思維培養(yǎng)的項目式教學(xué)實踐，即展示評估和優(yōu)化遷移階段，是整個項目學(xué)習(xí)過程的收尾和總結(jié)階段，在這個階段，學(xué)生通過展示自己的學(xué)習(xí)成果，進行作品的評估和優(yōu)化，進一步培養(yǎng)了綜合實踐和高階思維能力。學(xué)生通過展示自己的項目作品，將他們的解決方案和成果展示給其他小組成員。例如：對于一個校園智能導(dǎo)游的項目，學(xué)生可以扮演游客和導(dǎo)游的角色，演示導(dǎo)游機器人如何根據(jù)游客的需求提供信息和導(dǎo)航，展示項目的功能和實用性，其他小組成員可以提出問題，進行互動，從不同角度評價作品的優(yōu)劣和創(chuàng)新之處。這種展示和評估的過程促進了學(xué)生之間的交流和合作，同時也讓學(xué)生將他們的想法和成果呈現(xiàn)給更廣泛的受眾。學(xué)生在接受其他小組的評價和建議后，可以針對性地進行調(diào)整和完善，以提升項目的質(zhì)量和效果。例如：如果其他小組提出了關(guān)于機器人導(dǎo)游語音交互的建議，學(xué)生可以在項目中加入更多的語音交互功能，使導(dǎo)游機器人能夠更好地與游客進行溝通。這種反饋和改進的過程培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和問題解決能力。

結(jié)束語

學(xué)生通過創(chuàng)設(shè)情境、分析需要、設(shè)計方案、算法建模等環(huán)節(jié)，不僅掌握了相關(guān)知識和技能，還培養(yǎng)了解決問題的能力和創(chuàng)新思維。因此，項目式教學(xué)在高中信息技術(shù)課程中具有重要意義，有望在推動計算思維教育方面發(fā)揮更大的作用。

參考文獻

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