金晶

【摘 要】當(dāng)前人工智能作為熱點(diǎn)持續(xù)被人們關(guān)注。《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》指出，應(yīng)逐步開展全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程、逐步推廣編程教育、建設(shè)人工智能學(xué)科，培養(yǎng)復(fù)合型人才，形成我國(guó)人工智能人才高地。在這一背景下，教育如何應(yīng)變？本文嘗試以“生活中的人工智能——智能分類垃圾桶”一課為抓手，巧借項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，關(guān)注學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，探索人工智能模塊的課堂教學(xué)實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維 項(xiàng)目式學(xué)習(xí) 主題活動(dòng)課

《國(guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出：“從中小學(xué)做起，注重激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、科學(xué)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，加強(qiáng)科學(xué)方法的訓(xùn)練，逐步培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維與辯證思維的能力。研究制定中小學(xué)生科學(xué)素質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用各類社會(huì)科技教育資源，大力開展校內(nèi)外結(jié)合的科技教育活動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、信息素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?！边@就要求中小學(xué)教育要關(guān)注學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。計(jì)算思維貫穿了問題解決的過程，應(yīng)包含以下特點(diǎn)：（1）提出問題；（2）組織和分析數(shù)據(jù)；（3）抽象、再現(xiàn)數(shù)據(jù)；（4）通過算法思想，支持自動(dòng)化的解決方案；（5）識(shí)別、分析后，找到最有效的方案；（6）將求解過程推廣并移植到更廣泛的問題中。中科院院士陳國(guó)良則提出計(jì)算思維是以計(jì)算為核心，同時(shí)還包括抽象、設(shè)計(jì)、自動(dòng)化、通信、協(xié)作、評(píng)估、記憶等一些層次概念。計(jì)算思維能力集中體現(xiàn)了知識(shí)時(shí)代對(duì)人才素質(zhì)提出的新要求，是適應(yīng)知識(shí)時(shí)代發(fā)展的關(guān)鍵能力。

計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，要如何培養(yǎng)？它不是教師“教”出來的，而是學(xué)生自己“學(xué)”出來的。只有把教師“灌輸”“填鴨”式的“教”轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自己的“學(xué)”，通過自我構(gòu)建，深度學(xué)習(xí)才會(huì)發(fā)生，計(jì)算思維才能得到發(fā)展。如何將這些要求落實(shí)到日常教學(xué)之中，這需要找到一個(gè)合適的抓手，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)應(yīng)運(yùn)而生。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以高階目標(biāo)為導(dǎo)向，通過在真實(shí)的情境中開展一系列活動(dòng)，讓學(xué)生親歷問題解決的整個(gè)流程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。因此，筆者基于蘇科版信息技術(shù)六年級(jí)教材中人工智能模塊，梳理重構(gòu)教材內(nèi)容，以“生活中的人工智能——智能分類垃圾桶”這一主題活動(dòng)課為例，通過雙師課堂的形式，開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐研究。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)包含教師活動(dòng)、項(xiàng)目實(shí)踐、學(xué)生活動(dòng)以及思維活動(dòng)四個(gè)模塊，具體流程如圖1所示。

一、創(chuàng)設(shè)生活情境：營(yíng)造計(jì)算思維生發(fā)的場(chǎng)域

信息技術(shù)課程內(nèi)容應(yīng)該具有綜合性，能夠超越封閉的單一學(xué)科知識(shí)體系和固定的課堂教學(xué)時(shí)空局限，與其他學(xué)科課程融合起來，面向?qū)W生的生活，幫助學(xué)生建構(gòu)對(duì)世界的完整認(rèn)識(shí)。能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力的情境應(yīng)當(dāng)源于真實(shí)世界中存在的問題，這種情境可能會(huì)涉及多學(xué)科領(lǐng)域的內(nèi)容，觸發(fā)學(xué)生使用信息技術(shù)手段解決生活中存在的問題，在解決問題的過程中鍛煉思維、提升能力。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是基于真實(shí)情境和問題的，“垃圾分類”就是現(xiàn)實(shí)世界中的問題，且與學(xué)生生活密切相關(guān)。學(xué)生在這節(jié)課的收獲是直接鏈接生活的，屬于有意義的學(xué)習(xí)，也是本節(jié)課項(xiàng)目設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。在前面的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)初步掌握了一種人工智能平臺(tái)軟件的使用，并可以進(jìn)行簡(jiǎn)易的程序搭建。以智能分類垃圾桶的物化為載體，對(duì)這個(gè)實(shí)例進(jìn)行分析實(shí)踐，可以幫助學(xué)生將對(duì)人工智能的感受上升為真正的認(rèn)識(shí)。

基于此，教師設(shè)計(jì)“垃圾分類收集前期調(diào)查表”，學(xué)生通過分組活動(dòng)選擇身邊常見的場(chǎng)景，如學(xué)校、社區(qū)、公園，觀察其中存在的問題，并初步提出可行的解決方案。在調(diào)查中學(xué)生發(fā)現(xiàn)了不少問題：“許多人不知道自己扔的垃圾是哪一類?！薄靶^(qū)的垃圾桶只有可回收和不可回收兩種，不符合標(biāo)準(zhǔn)……”“有的人會(huì)隨意把垃圾扔進(jìn)垃圾桶！”隨著垃圾分類進(jìn)入“強(qiáng)制”時(shí)代，每一個(gè)人都不可能置身事外，每一個(gè)人都要承擔(dān)起相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任。在“生活即教育”的教育理念指導(dǎo)下，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)際情況，借助信息技術(shù)，通過“智能分類垃圾桶”產(chǎn)品項(xiàng)目的實(shí)踐過程，讓學(xué)生體驗(yàn)計(jì)算思維的工作方式，掌握基礎(chǔ)性人工智能產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計(jì)、創(chuàng)作物化的過程途徑，感受人工智能技術(shù)給生活帶來的改變和便利。

“最近發(fā)展區(qū)”理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)與發(fā)展是一種社會(huì)和合作活動(dòng)，它們是永遠(yuǎn)不能被教給某個(gè)人的。學(xué)生要在自己的頭腦中構(gòu)筑屬于自己的理解。而在這一過程中，教師則扮演著促進(jìn)者和幫助者的角色，指導(dǎo)、激勵(lì)、幫助學(xué)生全面發(fā)展。在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中教師需要轉(zhuǎn)換自己的角色與身份，如本項(xiàng)目，為了更好地推動(dòng)項(xiàng)目的開展，課堂中出現(xiàn)了兩位教師：一位教師扮演項(xiàng)目指導(dǎo)，帶領(lǐng)學(xué)生歸納梳理前調(diào)結(jié)果，引入項(xiàng)目情境，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題提出解決方案，進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃；另一位教師的身份則是技術(shù)指導(dǎo)，負(fù)責(zé)在學(xué)生具體實(shí)施的過程中幫助學(xué)生梳理流程圖、完成算法設(shè)計(jì)和實(shí)物搭建。最后，再由項(xiàng)目指導(dǎo)負(fù)責(zé)評(píng)價(jià)、總結(jié)，并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行迭代和反思。

二、搭建學(xué)習(xí)支架：助推學(xué)生思維的持續(xù)發(fā)展

在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，借由一個(gè)完整的項(xiàng)目將細(xì)化的碎片活動(dòng)串聯(lián)成一個(gè)層次分明、循序漸進(jìn)的過程，通過創(chuàng)建學(xué)習(xí)共同體的形式，兼顧個(gè)性與共性，照顧到不同層次學(xué)生的需求，從而實(shí)現(xiàn)從低階思維到計(jì)算思維的進(jìn)階。由于真實(shí)情境中的問題一般由多種要素組成，相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于六年級(jí)學(xué)生而言具有一定的難度，為了使學(xué)生的計(jì)算思維能力在項(xiàng)目活動(dòng)的開展中得到持續(xù)發(fā)展，教師在開發(fā)與設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)，還需要考慮項(xiàng)目的可實(shí)施性，因此學(xué)習(xí)支架必不可少。

例如，在本項(xiàng)目中，教師為學(xué)生提供了一份長(zhǎng)達(dá)8頁(yè)的詳細(xì)“項(xiàng)目書”，其中包含6個(gè)模塊的內(nèi)容：封面、前期調(diào)查表、項(xiàng)目說明、項(xiàng)目規(guī)劃、項(xiàng)目實(shí)施指南（包含小組成員分工說明、教師提供資料說明、算法流程圖三個(gè)子目錄）、項(xiàng)目評(píng)價(jià)與總結(jié)。項(xiàng)目模擬了一家科技環(huán)保公司，其承擔(dān)了“南京市垃圾分類收集項(xiàng)目”的開發(fā)和建設(shè)任務(wù)，現(xiàn)邀請(qǐng)同學(xué)們參與項(xiàng)目模型的設(shè)計(jì)。項(xiàng)目書的“規(guī)劃”與“實(shí)施”部分是學(xué)生成功完成項(xiàng)目的關(guān)鍵所在，“規(guī)劃”部分中學(xué)生要對(duì)自己即將制作的產(chǎn)品進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、材料選擇和人員分工，這是后續(xù)所有操作的前提。人員到底如何分工，每個(gè)成員負(fù)責(zé)什么，則在“實(shí)施指南”中給出明確的界定，每個(gè)學(xué)生根據(jù)自己的特點(diǎn)進(jìn)行選擇，發(fā)揮眾人之長(zhǎng)，有效的分工合作為后續(xù)的具體操作提供了保障。具體內(nèi)容如表1、表2所示。

好的學(xué)習(xí)支架，還需要對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行細(xì)化，將每一個(gè)目標(biāo)與項(xiàng)目活動(dòng)一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)活動(dòng)要有明確的活動(dòng)名稱、任務(wù)目標(biāo)、活動(dòng)要求、評(píng)價(jià)方式等。在本項(xiàng)目中，學(xué)生活動(dòng)一共包含多個(gè)子活動(dòng)，起于課前，行于課內(nèi)，止于課后。課前要實(shí)地走訪調(diào)查、學(xué)習(xí)垃圾分類知識(shí)；課內(nèi)通過思考、討論、分析確定方案，開展功能設(shè)計(jì)，根據(jù)分工說明完成項(xiàng)目規(guī)劃，動(dòng)手實(shí)踐制作智能分類垃圾桶，反思活動(dòng)中存在的問題并提出改進(jìn)意見；課后完成詳細(xì)的項(xiàng)目評(píng)價(jià)與總結(jié)報(bào)告，探索、拓展學(xué)習(xí)資源。

以“實(shí)物制作”這一活動(dòng)為例，活動(dòng)名稱是“搭建智能分類垃圾桶”，對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)有：（1）從生活需求出發(fā)，在對(duì)實(shí)際問題的求解中體驗(yàn)人工智能的用途、原理、算法等；（2）學(xué)會(huì)使用思維導(dǎo)圖、流程圖等認(rèn)知工具進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)、解析程序過程，并進(jìn)行活動(dòng)項(xiàng)目實(shí)踐；（3）結(jié)合人工智能平臺(tái)的常規(guī)模塊，嘗試進(jìn)行創(chuàng)新數(shù)字化作品的創(chuàng)作。

任務(wù)要求有：（1）拿出材料，完成垃圾桶模型搭建和連接；（2）打開人工智能平臺(tái)軟件，完成項(xiàng)目書第六頁(yè)中的流程圖，編寫程序；（3）測(cè)試與調(diào)試程序。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是：（1）基于場(chǎng)景，垃圾桶分配合理；（2）垃圾桶蓋開和關(guān)穩(wěn)固流暢；（3）垃圾桶智能功能成功實(shí)現(xiàn)。本次活動(dòng)教師提供給學(xué)生的輔助資料有半成品流程圖及5個(gè)指導(dǎo)微視頻。對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有：（1）合理選擇垃圾桶數(shù)量，合理利用提供的材料且沒有浪費(fèi)損壞；（2）舵機(jī)擺臂連接穩(wěn)固，角度設(shè)置合理；（3）腳本運(yùn)行流暢。

通過上述細(xì)致劃分，有效地引導(dǎo)學(xué)生參與到項(xiàng)目活動(dòng)之中，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)新知的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，助推學(xué)生思維的持續(xù)發(fā)展。

三、分組合作實(shí)踐：聚焦算法，親歷問題解決過程

信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“計(jì)算思維”是指能夠?qū)⒁粋€(gè)復(fù)雜的問題，利用計(jì)算思維的獨(dú)特過程，分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的小問題，通過分析，借助一定的工具如思維導(dǎo)圖、流程圖等，將思維的過程可視化，找出其中的規(guī)律，并據(jù)此培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。計(jì)算思維的終點(diǎn)是問題解決，側(cè)重通過問題分解來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。聚焦算法可以引導(dǎo)學(xué)生在分解問題、設(shè)計(jì)算法的過程中親歷問題解決的過程，在優(yōu)化算法、迭代反思的過程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

在本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要關(guān)注兩個(gè)層面的算法，第一個(gè)層面是完成人工智能程序腳本，控制對(duì)應(yīng)垃圾桶蓋開關(guān)。算法設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的核心內(nèi)容，學(xué)生將之前提出的解決思路用程序語言表達(dá)出來，在不斷調(diào)試代碼的過程中，使計(jì)算機(jī)能夠順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行。在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生將實(shí)現(xiàn)從自然語言到程序語言的轉(zhuǎn)化，教師要做的就是引導(dǎo)他們利用所學(xué)知識(shí)和已經(jīng)掌握的方法，借助項(xiàng)目書和學(xué)具，進(jìn)行自主探究和小組合作，在流程圖的基礎(chǔ)上完成算法設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整與程序調(diào)整的同時(shí)，還可以提出對(duì)程序功能進(jìn)行迭代的設(shè)計(jì)思路。本項(xiàng)目中程序流程圖如圖2所示。

對(duì)于學(xué)生而言，技術(shù)實(shí)現(xiàn)部分是整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施中的難點(diǎn)。因此，在項(xiàng)目制作階段，教師應(yīng)作為技術(shù)指導(dǎo)給予幫助。在這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生先初步嘗試，因?yàn)樗麄冊(cè)凇坝^察、搭建、操作、實(shí)踐”的時(shí)候，也是在經(jīng)歷思維活動(dòng)的過程。在此基礎(chǔ)上，教師提醒、引導(dǎo)學(xué)生先思考再實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)生加深對(duì)知識(shí)技能的理解，提升思維水平。

第二個(gè)層面則是通過項(xiàng)目書的輔助和項(xiàng)目實(shí)施的過程，歸納得出設(shè)計(jì)開發(fā)簡(jiǎn)易人工智能產(chǎn)品的一般流程：需求（前期調(diào)研、發(fā)現(xiàn)問題）—設(shè)想（初步設(shè)想）—規(guī)劃（功能設(shè)計(jì)、材料選擇、人員分工）—物化（實(shí)物制作、功能測(cè)試）—迭代（完善改進(jìn)）。 “智能分類垃圾桶”產(chǎn)品項(xiàng)目的實(shí)踐過程可以讓學(xué)生體驗(yàn)計(jì)算思維的工作方式，掌握基礎(chǔ)性人工智能產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計(jì)、創(chuàng)作物化的過程途徑，感受人工智能技術(shù)給生活帶來的改變和便利。

整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，包括教學(xué)流程、板書設(shè)計(jì)、項(xiàng)目書、學(xué)件等都以指導(dǎo)問題解決為目標(biāo)，緊密圍繞著算法思維展開，以完成“智能分類垃圾桶”這一產(chǎn)品為任務(wù)線，以問題解決、計(jì)算思維的培養(yǎng)為素養(yǎng)線，以敢于質(zhì)疑權(quán)威、勇于迎難而上為情感線，三條線索交織穿插，共同推動(dòng)項(xiàng)目的開展，拓展思維的深度。項(xiàng)目階段劃分如圖3所示，板書設(shè)計(jì)如圖4所示。

另外，總結(jié)與反思也是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，持續(xù)的過程性評(píng)價(jià)和全面的總結(jié)性評(píng)價(jià)相輔相成。及時(shí)開展反饋和評(píng)價(jià)可以讓學(xué)生及時(shí)掌握自己的學(xué)習(xí)狀況，并對(duì)小組活動(dòng)做出有針對(duì)性的調(diào)整。學(xué)生在對(duì)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行自我監(jiān)控的同時(shí)，可以鍛煉和提升計(jì)算思維。從本案例最終的課堂反饋來看，這種以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為載體，在解決問題的過程中引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的方式能取得較好的教學(xué)效果。

培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維不是讓學(xué)生像計(jì)算機(jī)一樣思考，而是讓學(xué)生學(xué)會(huì)像科學(xué)家一樣進(jìn)行科學(xué)、深入、有效的思考，最終提升解決問題的能力。計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的關(guān)鍵能力，對(duì)學(xué)生的個(gè)體發(fā)展有著重大意義，作為一線教師，我們還需不斷努力，提高自身水平以滿足時(shí)代的需求。

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