李海磊

［摘 要］目前絕大多數(shù)高中生都無法做到從人、技術(shù)、社會等角度全面系統(tǒng)地認(rèn)識信息技術(shù)，缺乏對信息行為的批判性分析能力，因此需要多維度提升學(xué)生以計(jì)算思維為代表的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)。開設(shè)創(chuàng)客校本課程是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的優(yōu)良路徑。文章從“創(chuàng)設(shè)教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建計(jì)算思維知覺場”“主動建構(gòu)，內(nèi)化計(jì)算思維”“融合項(xiàng)目學(xué)習(xí)，拓展計(jì)算思維”等方面闡述了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以期優(yōu)化校本課程建設(shè)和培養(yǎng)引領(lǐng)時(shí)代發(fā)展的一流數(shù)字人才。

［關(guān)鍵詞］計(jì)算思維；創(chuàng)客教育；項(xiàng)目學(xué)習(xí)

［中圖分類號］ ? ?G633.67 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）11-0090-04

現(xiàn)階段以移動通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等為代表的新興信息技術(shù)正以前所未有的方式和速度滲透到各個行業(yè)、領(lǐng)域中，人類社會越來越數(shù)字化、智能化。當(dāng)代高中生恰好成長于這樣的數(shù)字化時(shí)代，他們的成長過程就是一個和各種各樣數(shù)字化設(shè)備、信息化工具打交道的過程。他們使用數(shù)字化設(shè)備、信息化工具解決問題的意識普遍較強(qiáng)，信息技術(shù)基礎(chǔ)較好。但我們也應(yīng)該清楚地認(rèn)識到，高速發(fā)展的數(shù)字技術(shù)一方面孕育出了豐富的信息技術(shù)生態(tài)，是幫助高中生自主學(xué)習(xí)、開闊視野的“助力器”；另一方面它也在潛移默化地影響著學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)習(xí)理念、思維方式、行為準(zhǔn)則和道德觀念等。目前，絕大多數(shù)高中生都無法做到從人、技術(shù)、社會等角度全面系統(tǒng)地認(rèn)識信息技術(shù)，缺乏對信息行為的批判性分析能力，他們在使用信息化工具解決問題的過程中容易被信息技術(shù)所“控制”。因此，高中階段的信息技術(shù)教育亟須從信息技術(shù)知識與技能的傳授向注重培養(yǎng)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的方向轉(zhuǎn)變，深挖信息技術(shù)學(xué)科的潛在功能和方法特征，幫助學(xué)生從深層次上認(rèn)識信息技術(shù)工具，知道它們的內(nèi)涵本質(zhì)、工作方法和應(yīng)用流程，同時(shí)強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)學(xué)科特有的理念以及運(yùn)用信息技術(shù)知識解決問題的思維和能力，即發(fā)展計(jì)算思維。計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，計(jì)算思維的培養(yǎng)是信息技術(shù)教育的重中之重。下面筆者結(jié)合多年來在創(chuàng)客校本課程開發(fā)建設(shè)方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維談?wù)勛约旱恼J(rèn)識。

一、計(jì)算思維的含義

計(jì)算思維是美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授于2006年提出的。計(jì)算思維是指個體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動。具備良好計(jì)算思維的個體，在面對問題時(shí)能主動采用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的思想方法界定問題、抽象與建模、設(shè)計(jì)問題解決的算法并綜合利用各種資源去解決問題。在這個過程中，個體會進(jìn)行一系列的思維活動，從而內(nèi)化思維方式，提升思維品質(zhì)。

二、計(jì)算思維培養(yǎng)的著力點(diǎn)

將計(jì)算思維納入信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)是《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的重大創(chuàng)新之一，這不僅是國家和社會發(fā)展的需要，更是建立、健全學(xué)生人格和促進(jìn)學(xué)生終身發(fā)展的需要。學(xué)校、課程是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的主陣地。結(jié)合多年來在信息技術(shù)課程、創(chuàng)客校本課程開發(fā)建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為可以從以下幾個方面落實(shí)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

（一）創(chuàng)設(shè)教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建計(jì)算思維知覺場

現(xiàn)代教學(xué)理念認(rèn)為，無論是物理環(huán)境還是心理環(huán)境，都是影響學(xué)習(xí)者認(rèn)知能力的重要因素。理論的提出者梅洛·龐蒂認(rèn)為，知識是學(xué)習(xí)者在已有知識、經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建構(gòu)而來的，是學(xué)習(xí)者和認(rèn)知對象、認(rèn)知環(huán)境在相互作用的過程中完成建構(gòu)的。因此，創(chuàng)設(shè)適宜的教學(xué)環(huán)境對高中生認(rèn)知能力的提升具有重要意義。

在多年的創(chuàng)客校本課程開發(fā)建設(shè)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，大型多媒體互動設(shè)備、3D打印、虛擬現(xiàn)實(shí)等數(shù)字化工具、設(shè)備能有效幫助師生構(gòu)建情境、項(xiàng)目，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更加立體的感知環(huán)境、實(shí)現(xiàn)“身”與“心”的多元融合。在教學(xué)過程中，教師充分運(yùn)用這些數(shù)字化工具可以幫助學(xué)生在知識、技能的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練中達(dá)到事半功倍的效果，幫助學(xué)生更快、更準(zhǔn)確地認(rèn)識概念的內(nèi)涵、事物運(yùn)動發(fā)展的本質(zhì)，持續(xù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，減緩學(xué)生的學(xué)習(xí)疲勞感?；诖?，在學(xué)校的大力支持下，筆者為創(chuàng)客校本課程創(chuàng)設(shè)了基于計(jì)算機(jī)教室（多媒體機(jī)房）的教學(xué)環(huán)境，其基本架構(gòu)如圖1所示。通過創(chuàng)設(shè)教學(xué)環(huán)境，可為學(xué)生構(gòu)建思維知覺場。

（二）主動建構(gòu)，內(nèi)化計(jì)算思維

計(jì)算思維是一種思維方式，指導(dǎo)著個體的行為，而個體的行為又反過來強(qiáng)化思維方式和行為習(xí)慣，使得思維更深刻。選擇優(yōu)秀的教育理念對計(jì)算思維的培養(yǎng)有重要意義。建構(gòu)主義認(rèn)為，知識的獲取不是簡單的“傳遞”而是個人的“建造”，強(qiáng)調(diào)“制作中學(xué)習(xí)”，提倡在設(shè)計(jì)和制作中獲取知識、技能。因此，好的計(jì)算思維培養(yǎng)策略應(yīng)當(dāng)是鼓勵個體在探索實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)思維自動提升和內(nèi)化。

創(chuàng)客教育尤其強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決問題的“綜合力”“創(chuàng)造力”“勝任力”，即讓學(xué)生通過親自動手實(shí)踐把自己的創(chuàng)意、想法以項(xiàng)目作品（包括數(shù)字式的項(xiàng)目）、實(shí)物等方式呈現(xiàn)出來。學(xué)生在借助各種資源進(jìn)行設(shè)計(jì)、創(chuàng)造的過程中獲得的知識和體驗(yàn)是最為深刻的。學(xué)生在造“物”的過程中會自動提升自己的各種能力，實(shí)現(xiàn)包括計(jì)算思維在內(nèi)的多種思維的內(nèi)化。筆者曾開展過有關(guān)“python編程”的創(chuàng)客教學(xué)實(shí)踐。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者特別重視學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維習(xí)慣的養(yǎng)成。以講授“二分查找算法”為例，二分查找算法是一種非常優(yōu)美、高效的算法，但是它只適用于具有單調(diào)性序列的場景。如果按照傳統(tǒng)的思路，一般會結(jié)合“猜數(shù)字”“猜價(jià)格”等情境開展教學(xué)，這些案例大部分學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中已經(jīng)聽過、見過，比較熟悉。雖然引用這些案例能夠降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，但是難以激發(fā)他們的探究欲望和學(xué)習(xí)興趣，還會使得課堂教學(xué)退化到知識機(jī)械講授、技能簡單操練的模式上，學(xué)生主動思考、主動構(gòu)建的活動比較少，使得計(jì)算思維培養(yǎng)工作不能充分開展。對此，筆者試著從其他角度選擇素材，創(chuàng)設(shè)不一樣的情境。筆者注意到，學(xué)生在日常學(xué)習(xí)與生活中經(jīng)常玩一種“諧音?！庇螒?，比如“瀚海闌干百丈冰”“酸脫羥基醇脫氫”等，筆者由此獲得靈感，設(shè)計(jì)了一個名為“紙條兒的秘密” 的解密游戲，并在其中嵌入了二分查找算法。這個游戲設(shè)計(jì)的基本思路如下：制作兩本小冊子，在第一本小冊子中的每一頁設(shè)有密文字符，且密文字符的ASCII碼值隨著頁碼的增大而增大；在第二本小冊子中的每一頁設(shè)有明文字符。確保第一本小冊子中的密文通過頁碼和第二本小冊子中的明文形成一一對應(yīng)關(guān)系。對于要解密的字符，先在第一本小冊子中以“二分法”快速翻到密文所在頁，求得頁碼，然后在第二本小冊子中也以“二分法”快速翻到對應(yīng)頁碼處，求得明文字符。這個游戲激起了學(xué)生濃厚的興趣，學(xué)生在探索解密方法的過程中完成了對“二分查找”算法的思想、算法表達(dá)、算法實(shí)現(xiàn)路徑等方面的探究學(xué)習(xí)。整個學(xué)習(xí)過程以學(xué)生對游戲產(chǎn)生濃厚興趣、萌發(fā)解決問題的強(qiáng)烈欲望為起點(diǎn)，以完成項(xiàng)目表達(dá)、評價(jià)反饋為終點(diǎn)，學(xué)生小組討論、自主學(xué)習(xí)、主動思考的學(xué)習(xí)活動多，教師主動講授、學(xué)生被動接受的活動少。該過程提高了學(xué)生的思辨能力和思維能力?！岸植檎宜惴ā钡恼n堂教學(xué)的簡要實(shí)現(xiàn)路徑如圖2所示。

（三）融合項(xiàng)目學(xué)習(xí)，拓展計(jì)算思維

項(xiàng)目學(xué)習(xí)是基于真實(shí)生活情境發(fā)現(xiàn)問題、界定問題、抽象建模、形成問題解決方案并最終解決問題的一系列研究性學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、提升學(xué)生綜合素養(yǎng)的良好途徑。計(jì)算思維不僅適用于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，還能提供一種廣泛應(yīng)用于工作、生活、學(xué)習(xí)的分析問題的視角。計(jì)算思維是項(xiàng)目學(xué)習(xí)能夠正常推進(jìn)的重要保證，同時(shí)，項(xiàng)目學(xué)習(xí)也能有效提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。下面以筆者在高二年級開設(shè)的《初識人工智能》創(chuàng)客校本課程中的“走進(jìn)智能圖像識別”為例，闡述在這項(xiàng)課程實(shí)踐中開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)、培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的具體做法。

（1）明確項(xiàng)目目標(biāo)。現(xiàn)階段的高中學(xué)生絕大多數(shù)都有使用智能設(shè)備進(jìn)行圖片識別的經(jīng)歷，但對于“圖片識別涉及哪些算法？”“這些算法的原理是怎樣的？”“如何搭建屬于自己的、個性化的智能圖像識別系統(tǒng)？”等問題，大多數(shù)學(xué)生不能很快地給出清晰、準(zhǔn)確的答案。因此，教師需要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷一次完整的智能圖像識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)過程，由此幫助學(xué)生對智能圖像識別形成深刻的認(rèn)識和理解，真正促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維、工程思維、創(chuàng)新能力的提升。

（2）選擇開源資源。秉持開放、共享理念的開源資源，這些年來有了長足的發(fā)展。在教學(xué)中，教師適當(dāng)借助開源資源，可以使學(xué)生把主要精力放在重點(diǎn)關(guān)注問題的提出、界定、抽象建模以及解決方案的設(shè)計(jì)等方面，而不是耗費(fèi)在繁雜的技術(shù)細(xì)節(jié)上。比如，在建設(shè)“智能文字識別”系統(tǒng)的過程中，學(xué)生搜索相關(guān)資源，翻看社區(qū)評論，查閱大量資料，最終確定以開源資源“easyOCR”為基礎(chǔ)完成項(xiàng)目建設(shè)。這種第三方開源資源的引入，使學(xué)生節(jié)省了大量的時(shí)間，大幅度降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度，使得項(xiàng)目學(xué)習(xí)能落在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)，保證了項(xiàng)目建設(shè)的完整性。

（3）項(xiàng)目實(shí)施過程。智能圖像識別系統(tǒng)內(nèi)容繁雜，涉及的算法大都艱深難懂，而高中生又課業(yè)壓力大，難以有充裕的時(shí)間細(xì)致研究這些技術(shù)細(xì)節(jié)。基于此，筆者首先帶領(lǐng)學(xué)生研讀人工智能的發(fā)展史，厘清智能圖像識別的分類和發(fā)展脈絡(luò)；然后將整個項(xiàng)目工程拆分為若干個子項(xiàng)目，如“文字識別”“物品識別”“人臉識別”“車牌號碼識別”，分而治之、逐一突破，降低了項(xiàng)目實(shí)施的難度，保證了項(xiàng)目的順利實(shí)施。

這種把整個大項(xiàng)目分解為幾個子項(xiàng)目的過程本身就是計(jì)算思維中迭代、分治等算法思想的實(shí)踐應(yīng)用。該階段的實(shí)踐能夠綜合鍛煉和提升學(xué)生的整體規(guī)劃能力、辯證思維、統(tǒng)籌規(guī)劃思維、矛盾主次方面的把握等多方面的能力。

因?yàn)槲淖肿R別系統(tǒng)相對簡單，所以第一個子項(xiàng)目就確定為實(shí)現(xiàn)“光學(xué)字符識別OCR”系統(tǒng)的搭建。在經(jīng)歷了軟件安裝、系統(tǒng)配置、算法設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)等環(huán)節(jié)的實(shí)踐后，學(xué)生打造的文字識別系統(tǒng)能夠成功地識別出中文簡體字符。在這個子項(xiàng)目的建設(shè)過程中，學(xué)生學(xué)會了如何借助、使用第三方資源，并學(xué)會了使用Python編程語言修改代碼段，把原始系統(tǒng)構(gòu)建成符合自我創(chuàng)意的個性化信息系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了文字識別系統(tǒng)的個性化表達(dá)。該項(xiàng)目的主要實(shí)施過程如表1所示。

這個子項(xiàng)目的成功實(shí)施給了學(xué)生巨大的鼓舞，極大地激發(fā)了他們繼續(xù)探索的熱情，而且這個項(xiàng)目實(shí)踐過程的很多策略、方法、做法都可以遷移到其他子項(xiàng)目中，大大增強(qiáng)了學(xué)生挑戰(zhàn)難度更大、復(fù)雜程度更高的項(xiàng)目的信心，因此余下的幾個子項(xiàng)目的構(gòu)建就相對順利得多。

在整個項(xiàng)目實(shí)施的過程中，需要學(xué)生使用工程思維、計(jì)算思維抽象出項(xiàng)目的主次方面，每一次問題的提出、探索與解決都是一個算法的設(shè)計(jì)、實(shí)施、評估、反饋的過程。這樣的過程不是一次性就完結(jié)了的，而是常常需要往復(fù)很多次。在這樣不斷迭代、優(yōu)化的過程中，學(xué)生的計(jì)算思維得到了不斷內(nèi)化和提升。

三、結(jié)語

在這樣一個高度數(shù)字化、信息化的環(huán)境中，計(jì)算思維已經(jīng)成為和閱讀、寫作、算術(shù)等同等重要的元認(rèn)知能力，是高素質(zhì)數(shù)字化人才必備的核心素養(yǎng)之一，而創(chuàng)客教育是公認(rèn)的、實(shí)現(xiàn)學(xué)生高階思維培養(yǎng)的良好途徑。每個信息技術(shù)教育工作者都應(yīng)基于學(xué)?，F(xiàn)有的信息技術(shù)軟硬件課程實(shí)施環(huán)境，主動構(gòu)建、自主創(chuàng)新，探索適合自己學(xué)校條件的、個性化的創(chuàng)客教育內(nèi)容與方法，提升學(xué)生適應(yīng)未來社會發(fā)展的核心素養(yǎng)，努力培養(yǎng)能夠適應(yīng)未來社會、引領(lǐng)時(shí)代發(fā)展的一流數(shù)字人才，助力我國在第四次工業(yè)革命的征途中率先搶占人工智能高地。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

［1］ ?任友群，黃榮懷.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版2020年修訂）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2020：41.

［2］ ?呂琳，余峻展，鐘柏昌.面向計(jì)算思維培養(yǎng)的跨學(xué)科教育項(xiàng)目設(shè)計(jì)：以STEAM教育項(xiàng)目“模擬投籃游戲”為例［J］.中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2022（11）：10-14.

（責(zé)任編輯 黃春香）