摘要： 計(jì)算思維已成為當(dāng)今國際學(xué)術(shù)界多學(xué)科領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)議題，隨著人工智能等新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算思維培養(yǎng)需要全新的教學(xué)策略框架。本文基于美國k-12人工智能教學(xué)指南，提出了人工智能時(shí)代培養(yǎng)計(jì)算思維的四類七種教學(xué)策略框架，并結(jié)合案例闡述七種教學(xué)策略及實(shí)施。文章基于我國計(jì)算思維教育的發(fā)展實(shí)際，提出中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)的若干實(shí)施建議，以供學(xué)校和教師開展計(jì)算思維教育參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;教學(xué)策略;人工智能;翻轉(zhuǎn)教學(xué);支架式教學(xué)

自周以真教授2006年在ACM通訊上提出計(jì)算思維的概念以來，計(jì)算思維逐步滲透到各級各類教學(xué)體系，并成為人工智能時(shí)代個體必備的基本素質(zhì)。世界各國都在加快步伐開展培養(yǎng)計(jì)算思維的相關(guān)課程，以幫助學(xué)生更好地適應(yīng)未來。英國皇家學(xué)會在《停止還是重啟：英國學(xué)校計(jì)算教育的前進(jìn)方向》報(bào)告中就強(qiáng)調(diào)了計(jì)算思維對于學(xué)生認(rèn)識世界的重要性，并主要在計(jì)算機(jī)科學(xué)中實(shí)施了一整套計(jì)算思維課程^[1]。我國《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也將計(jì)算思維列為信息技術(shù)課程的核心素養(yǎng)之一^[2]。如今，在大數(shù)據(jù)和人工智能的推動下，計(jì)算思維被賦予新的內(nèi)涵，進(jìn)一步深化了計(jì)算思維在科學(xué)與社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的意義和價(jià)值^[3]，人工智能時(shí)代中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)需要全新的策略框架。

一、人工智能時(shí)代計(jì)算思維培養(yǎng)的策略框架

人工智能時(shí)代的個體核心能力體現(xiàn)在以計(jì)算思維為代表的高級思維能力。然而，中小學(xué)校現(xiàn)有的計(jì)算思維教育理念沿襲了“計(jì)算機(jī)能力—編程能力—計(jì)算思維”的線性思維，高度依賴計(jì)算機(jī)學(xué)科教育或編程教育，忽視了計(jì)算思維培養(yǎng)的其他路徑。隨著人工智能技術(shù)的快速普及，嵌入人工智能系統(tǒng)的大量算法模式豐富了人類對算法的認(rèn)知，也豐富了計(jì)算思維的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略，更有助于提升學(xué)生的問題解決能力，培養(yǎng)他們的計(jì)算思維。基于此，美國人工智能促進(jìn)協(xié)會聯(lián)合美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會和卡梅隆大學(xué)研制了K-12人工智能教學(xué)指南^[4]。該指南不僅設(shè)計(jì)了從小學(xué)到高中開展人工智能教學(xué)的目標(biāo)與內(nèi)容，還對中小學(xué)階段該如何教人工智能課程給出了具體清晰、可操作性強(qiáng)且符合學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律的教學(xué)策略與活動建議。我們發(fā)現(xiàn)這些策略和活動也特別有利于對學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，受此啟發(fā)，本文立足我國中小學(xué)技術(shù)類相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)際，結(jié)合具體案例，闡述中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)的四類七種策略（見表1）。

二、解析中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)策略

（一）實(shí)驗(yàn)探究

教師組織學(xué)生使用各種類型的人工智能軟硬件資源，通過實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生體驗(yàn)和理解人工智能，在實(shí)驗(yàn)中提高計(jì)算思維能力。

策略1：游戲化教學(xué)

游戲化教學(xué)包括數(shù)字化游戲和游戲活動兩類。有學(xué)者以Blockly游戲?yàn)槠脚_對學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維訓(xùn)練，證實(shí)了教育機(jī)器人可提高學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的獲取能力，同時(shí)促進(jìn)計(jì)算思維的培養(yǎng)。Garneli等人將學(xué)生分為兩組，一組通過包含科學(xué)內(nèi)容的電子游戲情境，另一組通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)捻?xiàng)目來學(xué)習(xí)相同的科學(xué)和計(jì)算課程。結(jié)果表明，游戲情境更有助于學(xué)生獲得計(jì)算思維技能^[5]。這種跨學(xué)科的游戲化教育情境可以應(yīng)用在典型的學(xué)校情境中，以促進(jìn)學(xué)生獲得更多計(jì)算思維技能和學(xué)科內(nèi)容。此外，AI機(jī)器人課程是游戲化教學(xué)應(yīng)用最多的學(xué)科，在利用人工智能技術(shù)提高計(jì)算思維的研究中，Bers等人發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)器人課程中包含游戲化的思維訓(xùn)練，學(xué)齡前學(xué)生可通過與機(jī)器人一起學(xué)習(xí)獲得基本的計(jì)算技能^[6]。Kahoot是一個基于游戲?qū)崿F(xiàn)課堂實(shí)時(shí)反饋的網(wǎng)絡(luò)評估平臺，是包含智能批改和排行公告榜的自動化智能系統(tǒng)。由此衍生的Kahoot教育模式十分流行，將編程中的計(jì)算思維難點(diǎn)變成一個個游戲，學(xué)生完成教師的測試題就像在游戲中升級打怪，他們的計(jì)算思維會自然養(yǎng)成。

策略2：小組學(xué)習(xí)

小組學(xué)習(xí)包括合作學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)。根據(jù)Papert的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過互動和合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)，能有效提高學(xué)生的社會互動、認(rèn)知、高階思維和計(jì)算思維。Wilkerson構(gòu)建了一個協(xié)作學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)如何計(jì)算面積。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，學(xué)生通過主導(dǎo)和分配角色合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)，所得到的學(xué)習(xí)效果是最好的。計(jì)算思維是一種問題求解思維，它將問題求解的過程用“程序化”或“機(jī)械化”的方式表示出來?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》設(shè)立了“人工智能初步”選修模塊。其中，探究“機(jī)器人巡線問題”是使用機(jī)器人完成各種任務(wù)的一個重要環(huán)節(jié)。學(xué)生可通過小組合作探究，分析實(shí)際問題，提出解決問題的方法和步驟（算法），再通過流程圖轉(zhuǎn)化為實(shí)際程序編寫的過程。這一過程中，學(xué)生需要運(yùn)用合理的算法形成各個小組的問題解決方案，由此鍛煉和提升了學(xué)生的計(jì)算思維。

策略3：翻轉(zhuǎn)教學(xué)

人工智能為翻轉(zhuǎn)教學(xué)注入了新的動力。一方面，基于語音識別、自然語言處理等技術(shù)的教學(xué)測評系統(tǒng)和智能問答系統(tǒng)，可以將教師從重復(fù)性、程序性的工作中解放出來;另一方面，人工智能技術(shù)為學(xué)生提供了更為精準(zhǔn)、個性化的指導(dǎo)，凸顯了教學(xué)中學(xué)生的主體地位，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。例如，在以“計(jì)算機(jī)科學(xué)”為教學(xué)內(nèi)容的翻轉(zhuǎn)課堂中，學(xué)生3/4的課程時(shí)間花在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，用以學(xué)習(xí)教師在學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)中預(yù)先發(fā)布的學(xué)習(xí)材料，并通過個人實(shí)踐與線上測評等活動消化和吸收相關(guān)知識。剩下的1/4時(shí)間，教師引導(dǎo)學(xué)生討論學(xué)習(xí)的關(guān)鍵概念和技能，加強(qiáng)對所學(xué)和所實(shí)踐內(nèi)容的理解^[7]。研究表明，翻轉(zhuǎn)教學(xué)不僅提升了學(xué)生的計(jì)算思維技能，還激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)動機(jī)，改善了他們的學(xué)習(xí)策略。

（二）不插電編程

算法是計(jì)算思維中必不可少的核心內(nèi)容。通常情況下，算法與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)緊密相關(guān)，而不插電編程則讓學(xué)生不再依賴計(jì)算機(jī)設(shè)備開展開放性活動，是一種幫助學(xué)生理解問題解決思路與技術(shù)手段的新形式。

策略4：基于任務(wù)的教學(xué)

不插電編程就是通過各種生動有趣的任務(wù)活動或者開放式的學(xué)習(xí)環(huán)境，將編程知識和計(jì)算思維融入其中，讓學(xué)生不用電腦就能學(xué)習(xí)到計(jì)算機(jī)科學(xué)知識^[8]。Havva等人在Bebras國際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽基礎(chǔ)上開發(fā)了不插電編程任務(wù)，包括簡單、中等、困難三個水平，讓學(xué)生在經(jīng)歷抽象、分解、算法和泛化的思維過程中解決問題^[9]。研究表明，不插電編程任務(wù)同樣可以提高學(xué)生的計(jì)算思維技能，當(dāng)然，它也要求教師教學(xué)時(shí)緊扣知識內(nèi)容與計(jì)算思維的內(nèi)在銜接關(guān)系。在不插電編程的社區(qū)網(wǎng)站上經(jīng)常更新一些與計(jì)算思維概念緊密相關(guān)的教學(xué)案例。例如，在“分解”活動中，學(xué)生得到的任務(wù)是將情景問題（如種樹）分解，并寫出解決問題的必要步驟;在“莫妮卡地圖”活動中，學(xué)生需要在一張地圖中使用上下左右（即↑，↓，←，→）找到兩個物體之間的最短路徑。之后，學(xué)會使用乘數(shù)（即→→→→=4x→）來表示解決問題過程。學(xué)生在完成這些任務(wù)的過程中，深入理解分解算法、模式識別、抽象等計(jì)算思維概念。

（三）設(shè)計(jì)類活動

在活動設(shè)計(jì)教學(xué)中，教師為學(xué)生提供不同形式的支架，引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生設(shè)計(jì)出自己的作品，在設(shè)計(jì)和實(shí)踐中促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。

策略5：隱喻教學(xué)

隱喻作為常見的修辭術(shù)語被大家所熟知，而在教學(xué)中，隱喻往往是用具體可感的事物來類比抽象的事物，避免了純粹的概念和枯燥的邏輯帶來的教學(xué)困難。Diana等人使用隱喻和圖形化編程軟件相結(jié)合的方式向小學(xué)生教授編程，即在教學(xué)過程中用學(xué)生可以理解的事物類比概念性較強(qiáng)的指令，如變量和輸入輸出指令、條件指令、循環(huán)指令。學(xué)生在理解了基本概念后，再用圖形化編程軟件練習(xí)并設(shè)計(jì)出一件作品。結(jié)果證明，隱喻和圖形化編程軟件相結(jié)合的方式有利于培養(yǎng)小學(xué)生的計(jì)算思維，并且更適合10～11歲的學(xué)生^[10]。這是因?yàn)榻處熆梢酝ㄟ^隱喻形象地呈現(xiàn)邏輯關(guān)系，清晰具體地描述問題，圖形化編程不強(qiáng)調(diào)復(fù)雜的代碼編寫功能，能夠降低學(xué)生的記憶難度。

策略6：支架式教學(xué)

人工智能技術(shù)能幫助教師更好地構(gòu)建支架和創(chuàng)設(shè)情境，從而將復(fù)雜的問題分解，引導(dǎo)學(xué)生逐步發(fā)現(xiàn)和解決學(xué)習(xí)中的問題。北京大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室提出以培養(yǎng)計(jì)算思維為核心開展人工智能教學(xué)的理念，其中，“AI積木編程”系列課程采用了AISpark人工智能編程實(shí)驗(yàn)平臺的人工智能功能模塊。人工智能的基本原理是晦澀難懂的，該平臺卻以智能語音、智能翻譯等技術(shù)構(gòu)建的支架緊扣學(xué)習(xí)主題，并要求學(xué)生以小組協(xié)作的方式設(shè)計(jì)出一個創(chuàng)意作品，為學(xué)生對人工智能原理的學(xué)習(xí)鋪設(shè)了階梯。計(jì)算思維測評結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在智能技術(shù)的支持下，學(xué)生的計(jì)算思維技能有了明顯提高^[11]。還有研究者關(guān)注性別差異，在基于人工智能的教學(xué)中使用了兩種不同形式的記憶系統(tǒng)作為腳手架，并發(fā)現(xiàn)男生更多地受益于個人主義、動覺空間導(dǎo)向和基于操縱的腳手架活動，而女生更多地受益于小組協(xié)作的腳手架活動^[12]。

（四）案例研究

學(xué)習(xí)是一種復(fù)雜的心智活動，涉及背景和社會文化因素、學(xué)習(xí)者及其周圍環(huán)境，強(qiáng)調(diào)知識的主要來源是社會實(shí)踐活動。學(xué)習(xí)常常發(fā)生在學(xué)生為達(dá)到某種目標(biāo)或解決某個現(xiàn)實(shí)問題而進(jìn)行的活動中。教師可通過綜合性的社會實(shí)踐案例，引導(dǎo)學(xué)生從多個角度探索和解決問題，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目的。

策略7：社會文化教學(xué)

編程被認(rèn)為是教授計(jì)算思維的最佳方法，但實(shí)際上，部分學(xué)生面臨著學(xué)習(xí)編程語言的挑戰(zhàn)。在編程學(xué)習(xí)困難者面前，編程不一定能有效地培養(yǎng)他們的計(jì)算思維。社會文化教學(xué)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一套復(fù)雜的活動，涉及背景、社會文化因素、學(xué)習(xí)者及其周圍環(huán)境^[13]。因此，計(jì)算思維的發(fā)展可以被描述為一個學(xué)生進(jìn)入實(shí)踐社區(qū)的過程，其中專家位于社區(qū)的中心。在這個過程中，學(xué)生能夠分享經(jīng)驗(yàn)、概念、情境和實(shí)踐，積極參與并解決問題;學(xué)生能夠基于PBL練習(xí)開發(fā)解決方案，將與計(jì)算思維技能相關(guān)的概念轉(zhuǎn)換為經(jīng)驗(yàn)^[14]。例如，有教師通過智能機(jī)器人模擬購物環(huán)境培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維——他創(chuàng)設(shè)了生活化的虛擬超市環(huán)境，提供智能機(jī)器人的視頻資料，引導(dǎo)學(xué)生思考并繪制出機(jī)器人的購物路線和流程圖。學(xué)生以小組為單位編寫機(jī)器人購物的程序，交流展示作品，在反思經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上優(yōu)化作品，將所學(xué)應(yīng)用于實(shí)際生活中解決現(xiàn)實(shí)問題。這也表明，計(jì)算思維符合維果茨基提出的社會文化教育愿景，使學(xué)生能夠在PBL情境下積極參與社會互動^[15]。

三、中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)施建議

（一）構(gòu)建具有普適性和跨學(xué)科性的計(jì)算思維課程體系

如前文所述，培養(yǎng)計(jì)算思維不局限于編程一種方法，教師還可以與科學(xué)和數(shù)學(xué)等多學(xué)科融合，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯概念、計(jì)算思維、解決問題的能力。換句話說，計(jì)算機(jī)編程是運(yùn)用計(jì)算思維通過計(jì)算機(jī)解決問題的過程，而不是依賴于計(jì)算機(jī)的活動。美國IEEE計(jì)算機(jī)學(xué)會前任主席David Grier認(rèn)為，未來10～15年，計(jì)算機(jī)教育面臨的挑戰(zhàn)是，如何構(gòu)建一個課程體系來幫助人們更清晰地思考計(jì)算。Weintrop討論了將計(jì)算思維嵌入數(shù)學(xué)和科學(xué)語境中的方法，認(rèn)為其有三個益處：①它建立在計(jì)算思維與數(shù)學(xué)、科學(xué)的相互學(xué)習(xí)關(guān)系之上;②它解決了觸及所有學(xué)生和擁有熟練教師的實(shí)際問題;③它使科學(xué)和數(shù)學(xué)教育更符合這些領(lǐng)域當(dāng)前的專業(yè)實(shí)踐^[16]。采用跨學(xué)科教學(xué)模式，使學(xué)生能夠通過計(jì)算思維來管理和分析各個學(xué)科的材料，從而加深他們對跨學(xué)科知識的理解，體驗(yàn)跨學(xué)科知識和計(jì)算思維在解決現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜問題中所起的作用。交叉創(chuàng)新是普適性計(jì)算思維發(fā)展的根本途徑，將計(jì)算思維跨越計(jì)算機(jī)科學(xué)邊界應(yīng)用于多學(xué)科領(lǐng)域（如STEM），是目前眾多計(jì)算思維教育研究者所尋求的實(shí)踐路徑。將計(jì)算思維發(fā)展與學(xué)科內(nèi)容相結(jié)合，設(shè)置一套完整的計(jì)算思維培養(yǎng)課程體系，將有助于學(xué)習(xí)者了解計(jì)算思維的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

（二）建設(shè)人工智能技術(shù)賦能的、友好的計(jì)算思維教學(xué)環(huán)境

國內(nèi)外研究表明，教育機(jī)器人作為一個積極的輔助工具，正越來越多地出現(xiàn)在教育環(huán)境中，用以培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知技能和計(jì)算思維。從本質(zhì)上說，人工智能可以作為新興的教育技術(shù)，優(yōu)化和改進(jìn)傳統(tǒng)的信息技術(shù)課程。同時(shí)，嵌入人工智能系統(tǒng)的大量算法模式能增強(qiáng)學(xué)生對于算法的認(rèn)知，豐富了計(jì)算思維的內(nèi)容。當(dāng)前，針對大數(shù)據(jù)分析以及各種人工智能體的研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用，產(chǎn)生了許多新的計(jì)算模型、算法形式和計(jì)算技術(shù)。這些進(jìn)展推動了人們對計(jì)算思維更加系統(tǒng)和深刻的認(rèn)識。在教學(xué)實(shí)踐中，教師可利用這些技術(shù)和資源，建設(shè)一個規(guī)模適當(dāng)?shù)挠?jì)算思維實(shí)踐基地，針對學(xué)生不同的學(xué)習(xí)需求，采取相應(yīng)的教學(xué)策略，在實(shí)訓(xùn)中提升學(xué)生提出問題、分析問題和合作探究的能力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

（三）完善具有動態(tài)適應(yīng)性的計(jì)算思維評價(jià)指標(biāo)體系

計(jì)算思維是一個抽象的術(shù)語。“讓學(xué)生像計(jì)算機(jī)專家那樣思考”，實(shí)際上就是讓他們盡可能充分地從計(jì)算機(jī)學(xué)科的視角思考。如何發(fā)展以“形式化思考、模塊化建構(gòu)、自動化處理、系統(tǒng)化實(shí)現(xiàn)”為指向的計(jì)算思維教育，是目前困擾教育研究者的最大問題。要測評計(jì)算思維教學(xué)成果，這一維度又恰恰最為關(guān)鍵。國內(nèi)外研究者采用了不同的方法和工具來評估教學(xué)策略對提升計(jì)算思維技能的效果，如測試、問卷、訪談等。但目前來說，大部分計(jì)算思維測評研究關(guān)注的是算法、模式、抽象、綜合、評估和自動化等計(jì)算機(jī)概念。在進(jìn)一步的研究中，需要將數(shù)字素養(yǎng)、創(chuàng)新性思維等核心素養(yǎng)納入整體視野，并從思維的一般過程和思維的具體行為表現(xiàn)來構(gòu)建測評體系，建立測評框架。

（四）提升教師計(jì)算思維素養(yǎng)與教學(xué)能力

計(jì)算思維可以在生活中被廣泛應(yīng)用，而不僅限于被計(jì)算機(jī)工程師使用。然而，一些教師僅從表面理解了計(jì)算思維概念，不能設(shè)計(jì)出有意義的課程，將計(jì)算思維的概念和工具與學(xué)科內(nèi)容或教學(xué)方法結(jié)合起來。為此，Bower等人舉辦了一系列k-8年級教師計(jì)算思維研討會。他們用實(shí)例說明，通過有針對性的專業(yè)學(xué)習(xí)，教師的計(jì)算思維理解、教學(xué)能力、技術(shù)知識和自信心可以在較短時(shí)間內(nèi)得到提高^[17]。教師在教學(xué)時(shí)需要考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，或?qū)Σ煌膶W(xué)生提供適當(dāng)?shù)膸椭蚍答?，引?dǎo)學(xué)生通過學(xué)習(xí)教師設(shè)計(jì)的相關(guān)課程培養(yǎng)計(jì)算思維。

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（作者尹以晴、李寧宇系溫州大學(xué)大數(shù)據(jù)與智慧教育研究中心碩士研究生;柳晨晨系溫州大學(xué)教育技術(shù)系副教授;王佑鎂系溫州大學(xué)教育技術(shù)系教授、博士生導(dǎo)師，溫州大學(xué)大數(shù)據(jù)與智慧教育研究中心主任）

責(zé)任編輯：牟艷娜