摘要：本文以人工智能課程內(nèi)容為載體，以計(jì)算思維、項(xiàng)目式教學(xué)為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了人工智能課程教學(xué)的一般教學(xué)過(guò)程，并以《人臉識(shí)別機(jī)器人》為例進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，基于人工智能課程的一般教學(xué)過(guò)程，能夠有效促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；人工智能；項(xiàng)目式教學(xué)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”）強(qiáng)調(diào)了計(jì)算思維的重要性。那么，計(jì)算思維是什么？計(jì)算思維的定義可分為一般定義與操作定義，前者注重描述計(jì)算思維的基本特征，后者強(qiáng)調(diào)問(wèn)題解決過(guò)程中的一些基本認(rèn)知能力。一般定義認(rèn)為，計(jì)算思維是將人腦的思考過(guò)程步驟化，通過(guò)應(yīng)對(duì)一系列計(jì)算機(jī)的執(zhí)行操作的方式，來(lái)設(shè)定不同問(wèn)題的應(yīng)對(duì)方案。而操作定義認(rèn)為，計(jì)算思維是一種解決問(wèn)題的流程，需要使用步驟化的方法將具體的場(chǎng)景結(jié)構(gòu)化，從而設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)的模型、編寫(xiě)相應(yīng)的邏輯、設(shè)計(jì)解決方法以及歸納總結(jié)該方法運(yùn)用到的類(lèi)似場(chǎng)景。在新課標(biāo)中，計(jì)算思維被定義為：在個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)基本概念解決問(wèn)題的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。該定義強(qiáng)調(diào)的是在計(jì)算機(jī)學(xué)科中的解決問(wèn)題的方法和思考方式，強(qiáng)調(diào)的是將這些方法和思考方式遷移到實(shí)際問(wèn)題的解決中。筆者認(rèn)為這與計(jì)算思維的操作定義理念是一致的。那么，作為一名一線(xiàn)的高中信息技術(shù)教師，應(yīng)貫徹落實(shí)新課標(biāo)的核心理念，應(yīng)在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維?；诖?，筆者通過(guò)在教學(xué)實(shí)踐中不斷思考、總結(jié)，認(rèn)為人工智能課程或可成為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的載體。因此，筆者嘗試以人工智能課程為例，探究計(jì)算思維培養(yǎng)的可行性。

基于人工智能課程培養(yǎng)計(jì)算思維的可行性

人工智能是未來(lái)教育發(fā)展的趨勢(shì)，也是新課標(biāo)的重要組成部分。新課標(biāo)明確了人工智能的地位，同時(shí)也要求學(xué)生掌握基本的人工智能技術(shù)與知識(shí)。那么，如何將新課標(biāo)的理念落地？如何在教學(xué)實(shí)踐中開(kāi)展人工智能課程？這些問(wèn)題成為廣大一線(xiàn)教師關(guān)注的熱點(diǎn)。自2019年起，筆者所在學(xué)校建設(shè)了人工智能實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)發(fā)了人工智能課程體系，常規(guī)化開(kāi)展了人工智能校本課程。作為課程開(kāi)發(fā)者與實(shí)踐者，筆者通過(guò)反復(fù)實(shí)踐，認(rèn)為基于人工智能培養(yǎng)計(jì)算思維具有一定的可行性，具體原因如下：

其一，理論可行性。計(jì)算思維作為新課標(biāo)的四大核心素養(yǎng)之一，具有一定的指導(dǎo)性和引領(lǐng)性。人工智能作為新課標(biāo)的重要組成部分，必然遵循計(jì)算思維的理論內(nèi)涵與實(shí)施策略。立足新課標(biāo)視角，計(jì)算思維與人工智能應(yīng)屬于上位理念與下位載體的邏輯關(guān)系。因此以人工智能課程為載體，嘗試培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，理論上是可行的。

其二，環(huán)境實(shí)踐可行性。人工智能課程的開(kāi)設(shè)須具備一定的軟硬件，需要有體系化的課程內(nèi)容，以降低非課程設(shè)計(jì)因素對(duì)研究結(jié)論的影響。在軟硬件設(shè)備方面，筆者所在學(xué)校的人工智能實(shí)驗(yàn)室具備較為完整的軟硬件設(shè)備。

其三，教學(xué)操作實(shí)踐可行性。當(dāng)計(jì)算思維作為具體教學(xué)工具時(shí)，其基本步驟為：對(duì)問(wèn)題的描述→對(duì)解決方案的設(shè)計(jì)→對(duì)實(shí)施方案的介紹、落地與評(píng)價(jià)。這與計(jì)算思維的操作定義基本一致。當(dāng)人工智能課程作為實(shí)踐類(lèi)課程時(shí)，其基本過(guò)程為：面對(duì)真實(shí)情境→提出解決方案→解決真實(shí)問(wèn)題。筆者認(rèn)為作為教學(xué)工具的計(jì)算思維的基本流程，符合人工智能課程教學(xué)實(shí)踐的基本邏輯，因此嘗試以計(jì)算思維為工具的人工智能課程教學(xué)實(shí)踐，是具有可行性的。

面向計(jì)算思維的高中人工智能課程設(shè)計(jì)

計(jì)算思維作為教學(xué)工具，雖然其基本步驟及內(nèi)涵對(duì)教學(xué)具有指導(dǎo)性，但對(duì)教學(xué)過(guò)程組織的啟發(fā)性不足，因此筆者引入了項(xiàng)目式教學(xué)理論?！绊?xiàng)目式學(xué)習(xí)”是以學(xué)生為中心，從真實(shí)情境出發(fā)，圍繞動(dòng)態(tài)的劣構(gòu)問(wèn)題或模擬現(xiàn)實(shí)的決策問(wèn)題，通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作進(jìn)行開(kāi)放性探究，并發(fā)布成果，最終達(dá)到知識(shí)構(gòu)建與自身能力提高的學(xué)習(xí)模式。因此結(jié)合新課標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容，項(xiàng)目式教學(xué)應(yīng)包含如下階段：①準(zhǔn)備階段，包含確定主題、制訂目標(biāo)、確定項(xiàng)目實(shí)施流程、厘清問(wèn)題本質(zhì)、組建團(tuán)隊(duì)等；

②實(shí)施階段，包含對(duì)問(wèn)題循環(huán)探究、提出問(wèn)題解決方案、實(shí)施問(wèn)題解決方案等；③評(píng)價(jià)階段，包含學(xué)生展示成果與評(píng)價(jià)、總結(jié)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)、項(xiàng)目匯總與反思等。

在該教學(xué)理論的基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合人工智能課程內(nèi)容，以計(jì)算思維培養(yǎng)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的一般教學(xué)過(guò)程。

該教學(xué)過(guò)程分為設(shè)計(jì)、搭建、編程、匯報(bào)四個(gè)環(huán)節(jié)，即四個(gè)課時(shí)。

①設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)包括問(wèn)題呈現(xiàn)、小組組建、問(wèn)題解決方案設(shè)計(jì)三個(gè)部分。其一，問(wèn)題呈現(xiàn)。需要結(jié)合真實(shí)的問(wèn)題情境，給學(xué)生呈現(xiàn)生活化、趣味化的情境性問(wèn)題，并引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納出問(wèn)題本質(zhì)。其二，小組組建。根據(jù)問(wèn)題，學(xué)生自發(fā)組織小組，原則上小組有四名成員，應(yīng)分別具有組織能力、較強(qiáng)的動(dòng)手能力、較強(qiáng)的代碼編寫(xiě)能力、演講匯報(bào)能力。該方法組建的小組，能夠更有效地激發(fā)學(xué)生個(gè)人主觀能動(dòng)性。其三，問(wèn)題解決方案設(shè)計(jì)。根據(jù)呈現(xiàn)的問(wèn)題，小組內(nèi)部展開(kāi)頭腦風(fēng)暴，結(jié)合教學(xué)任務(wù)單中的提示，設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案。最后，各小組總結(jié)匯報(bào)自己的問(wèn)題解決方案，并在課后修改完善。

②搭建環(huán)節(jié)。搭建環(huán)節(jié)的理論基礎(chǔ)是項(xiàng)目式教學(xué)中的實(shí)施環(huán)節(jié)和計(jì)算思維中的“對(duì)實(shí)施方案的落地”?；趩?wèn)題解決方案的設(shè)計(jì)，學(xué)生可以選擇不同的設(shè)備，如可以選擇XF的未來(lái)派II、YBX等半開(kāi)放平臺(tái)，也可以選擇樹(shù)莓派、Arduinouno板等全開(kāi)放平臺(tái)。不同平臺(tái)的硬件設(shè)備不同，搭建方案也不同，但都能實(shí)現(xiàn)理想效果，因此在實(shí)踐過(guò)程中可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整問(wèn)題解決方案。

③編程環(huán)節(jié)。編程環(huán)節(jié)的理論基礎(chǔ)與搭建環(huán)節(jié)相同?，F(xiàn)行主流編程方式為模塊化編程，該方法具有高效、簡(jiǎn)單、易懂的特點(diǎn)。但在新課標(biāo)的指導(dǎo)下，高中信息技術(shù)以Python語(yǔ)言為主。因此在此環(huán)節(jié)需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生基本情況等來(lái)選擇編程方式，在實(shí)施過(guò)程中可以按需調(diào)整問(wèn)題解決方案與模型。

④匯報(bào)環(huán)節(jié)。匯報(bào)環(huán)節(jié)的理論基礎(chǔ)是項(xiàng)目式教學(xué)的評(píng)價(jià)階段和計(jì)算思維中的“對(duì)實(shí)施方案的介紹、落地與評(píng)價(jià)”。各小組根據(jù)設(shè)想、準(zhǔn)備、過(guò)程、結(jié)果、反思、效果等六個(gè)方面制作匯報(bào)方案，其余小組依據(jù)評(píng)分細(xì)則進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)施過(guò)程中的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，并發(fā)布成果。

面向計(jì)算思維的高中人工智能課程教學(xué)實(shí)踐

人臉識(shí)別技術(shù)是人工智能的核心技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用廣泛，貼近生活。學(xué)生對(duì)該技術(shù)比較熟悉，容易理解該技術(shù)的原理。因此筆者選取《人臉識(shí)別機(jī)器人》一節(jié)為例，展開(kāi)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，具體活動(dòng)過(guò)程如下。

第一課時(shí)：設(shè)計(jì)

①呈現(xiàn)問(wèn)題。遵循情境性、真實(shí)性原則，筆者以學(xué)校人臉識(shí)別驗(yàn)證閘機(jī)為背景設(shè)計(jì)問(wèn)題。教師提問(wèn)：“同學(xué)們，每天早上你們進(jìn)校門(mén)時(shí)，閘機(jī)會(huì)通過(guò)人臉識(shí)別驗(yàn)證判定你是不是本校學(xué)生，如果是，就開(kāi)門(mén)放行。請(qǐng)大家討論如何搭建一個(gè)簡(jiǎn)易版閘機(jī)?！睂W(xué)生通過(guò)頭腦風(fēng)暴，對(duì)問(wèn)題展開(kāi)了討論，在此情境下，筆者不斷提問(wèn)引導(dǎo)，幫助學(xué)生深挖問(wèn)題本質(zhì)。

②小組組建。通過(guò)對(duì)問(wèn)題的了解，給出組隊(duì)原則，要求同學(xué)們組建隊(duì)伍，并進(jìn)一步討論問(wèn)題。

③問(wèn)題解決方案設(shè)計(jì)。在完成組隊(duì)后，小組應(yīng)依據(jù)任務(wù)單要求完成問(wèn)題解決方案設(shè)計(jì)。任務(wù)單包括組名、組員、選題、設(shè)想、可預(yù)見(jiàn)問(wèn)題與解決方案設(shè)想、器材需求、遇到的困惑與問(wèn)題、總結(jié)反思等。

另外，筆者會(huì)從方案設(shè)計(jì)、時(shí)間、匯報(bào)內(nèi)容、匯報(bào)格式、匯報(bào)時(shí)間等方面給出具體要求，在本課時(shí)最后，各小組進(jìn)行簡(jiǎn)要匯報(bào)，小組之間相互評(píng)價(jià)。

第二課時(shí)：搭建

①選擇主板。筆者合理化利用已有資源，選擇了XF的主板套裝。

②選擇搭建材料。為學(xué)生提供主板套裝、搭建指導(dǎo)手冊(cè)、工具清單、工具使用注意事項(xiàng)等材料。

③匯報(bào)成效。各小組依次簡(jiǎn)要介紹自己的搭建進(jìn)度，未完成的學(xué)生可以在課后繼續(xù)搭建完成。需要注意的是，在該環(huán)節(jié)學(xué)生參與度各不相同，因此需要組長(zhǎng)結(jié)合“組長(zhǎng)評(píng)價(jià)表”（如圖2）組織活動(dòng)。另外，組長(zhǎng)可在第三課時(shí)填寫(xiě)該表。

第三課時(shí)：編程

編程是本課程的關(guān)鍵，編程能否成功，決定了最終成效。為提高學(xué)生編程效率，筆者將本課時(shí)分為三個(gè)階段。

階段一：用流程圖描述解決方案。筆者提供了基礎(chǔ)版的問(wèn)題解決方案流程圖（如圖3），要求學(xué)生結(jié)合小組設(shè)計(jì)方案，繪制出小組的流程圖。隨后，各小組依次講解問(wèn)題解決方案流程，教師和其余小組積極討論，并給出建議，最后各小組適時(shí)采納建議，修改流程圖。

階段二：用圖形化實(shí)現(xiàn)解決方案。圖形化編程難度較低，可實(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)試，效果顯著，因此該方法為普適法，所有小組皆可用圖形化實(shí)現(xiàn)解決方案。但圖形化編程對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)模塊的功能調(diào)用有一定要求，其基本邏輯為：調(diào)用模塊-采集信息-驗(yàn)證信息-反饋結(jié)論。學(xué)生可在此基本邏輯上添加個(gè)性化動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。例如，可添加伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，改裝為移動(dòng)化人臉識(shí)別機(jī)器人。

階段三：用Python實(shí)現(xiàn)解決方案。學(xué)生在用圖形化實(shí)現(xiàn)解決方案的基礎(chǔ)上，可嘗試使用Python來(lái)實(shí)現(xiàn)解決方案。Python編程難度較高，調(diào)試復(fù)雜，特別是人臉識(shí)別模塊調(diào)用與相關(guān)函數(shù)使用的方法，對(duì)學(xué)生挑戰(zhàn)較大。為解決該問(wèn)題，筆者為學(xué)生準(zhǔn)備了實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)，該手冊(cè)內(nèi)容包括OPEN-CV的簡(jiǎn)介、調(diào)用方法、常用函數(shù)及參數(shù)設(shè)置、人臉識(shí)別的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)代碼、其余常規(guī)化操作的代碼示范等。

在此環(huán)節(jié)，學(xué)生采用的編程方法不同、各組自身情況不同等因素都會(huì)影響實(shí)際編程進(jìn)度，因此需要預(yù)留充足的課后時(shí)間，便于學(xué)生自行組織活動(dòng)。

第四課時(shí)：匯報(bào)

匯報(bào)環(huán)節(jié)是本課程成果的呈現(xiàn)，是課程的終點(diǎn)，也是新的起點(diǎn)。匯報(bào)過(guò)程要求學(xué)生以PPT形式匯報(bào)8分鐘，匯報(bào)內(nèi)容為展示小組成果及核心代碼等。各小組依次進(jìn)行展示，教師給各小組分發(fā)學(xué)生互評(píng)表、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等材料。在小組匯報(bào)完成后，教師及其余小組需進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，匯報(bào)小組可據(jù)此完善項(xiàng)目。隨后各小組填寫(xiě)相關(guān)表格，完善項(xiàng)目?jī)?nèi)容，教師匯總表格，統(tǒng)計(jì)各小組成績(jī)，對(duì)優(yōu)秀小組給予獎(jiǎng)勵(lì)，并鼓勵(lì)其余小組借鑒、完善本組問(wèn)題解決方案。最后，各小組發(fā)布本組的問(wèn)題解決方案，并嘗試模擬多個(gè)類(lèi)似真實(shí)問(wèn)題，給出問(wèn)題解決方案的遷移應(yīng)用策略。

在教學(xué)實(shí)踐后，教師要進(jìn)行總結(jié)反思。對(duì)于《人臉識(shí)別機(jī)器人》一課，筆者認(rèn)為有以下幾點(diǎn)不足：

①課程扎根于項(xiàng)目式教學(xué)、計(jì)算思維等理論基礎(chǔ)，但筆者水平有限，課程設(shè)計(jì)仍有需要完善之處。②筆者所在學(xué)校的設(shè)備單一，不能夠提供多種硬件設(shè)備，限制了學(xué)生的想象力。③筆者教學(xué)能力、教學(xué)組織能力有限，不能夠充分發(fā)揮課程、學(xué)生、設(shè)備的價(jià)值，對(duì)課程效果也有一定影響。

總體來(lái)說(shuō)，本課程以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為目標(biāo)來(lái)組織教學(xué)過(guò)程，學(xué)生能夠掌握問(wèn)題解決的基本過(guò)程，能夠發(fā)布相關(guān)的問(wèn)題解決方案，能夠遷移應(yīng)用已有成果模擬解決相似問(wèn)題，這些都是對(duì)計(jì)算思維過(guò)程的具象化顯現(xiàn)。因此，筆者認(rèn)為本研究的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程能夠在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

參考文獻(xiàn)：

[1]周延薇.面向計(jì)算思維的高中《信息技術(shù)》課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2023.

[2]張淮鑫.計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)多維課程教學(xué)體系改革研究——以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向[J].電腦知識(shí)與技術(shù).2019（30）：181-182.

[3]劉向永.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）概覽[J].中國(guó)信息技術(shù)教育.2018（05）：5-6.

[4]康曉盈.澳大利亞中學(xué)漢語(yǔ)課堂輸入輸出活動(dòng)研究[D].北京：北京外國(guó)語(yǔ)大學(xué)，2018.

[5][美]伯尼·特里林.21世紀(jì)技能[M].天津：天津社會(huì)科學(xué)院出版，2011：41-65.

[6]胡青.項(xiàng)目式教學(xué)與地理信息技術(shù)融合的高中地理信息化教學(xué)研究[D].上海：上海師范大學(xué)，2023.

[7]梁宇恩，鄒會(huì)來(lái)，戴堅(jiān)鋒.流程圖在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2018（44）：186-187.

中圖分類(lèi)號(hào)：G434"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"論文編號(hào)：1674-2117（2025）01-0066-04