金晶

【摘 要】当前人工智能作为热点持续被人们关注。《新一代人工智能发展规划》指出，应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育、建设人工智能学科，培养复合型人才，形成我国人工智能人才高地。在这一背景下，教育如何应变？本文尝试以“生活中的人工智能——智能分类垃圾桶”一课为抓手，巧借项目式学习，关注学生计算思维的培养，探索人工智能模块的课堂教学实践。

【关键词】计算思维 项目式学习 主题活动课

《国家教育事业发展“十三五”规划》指出：“从中小学做起，注重激发学生学习兴趣、科学兴趣和创新意识，加强科学方法的训练，逐步培养学生逻辑思维与辩证思维的能力。研究制定中小学生科学素质标准，充分利用各类社会科技教育资源，大力开展校内外结合的科技教育活动，加强对学生科学素质、信息素养和创新能力的培养。”这就要求中小学教育要关注学生计算思维的培养。计算思维贯穿了问题解决的过程，应包含以下特点：（1）提出问题；（2）组织和分析数据；（3）抽象、再现数据；（4）通过算法思想，支持自动化的解决方案；（5）识别、分析后，找到最有效的方案；（6）将求解过程推广并移植到更广泛的问题中。中科院院士陈国良则提出计算思维是以计算为核心，同时还包括抽象、设计、自动化、通信、协作、评估、记忆等一些层次概念。计算思维能力集中体现了知识时代对人才素质提出的新要求，是适应知识时代发展的关键能力。

计算思维作为信息技术学科的核心素养之一，要如何培养？它不是教师“教”出来的，而是学生自己“学”出来的。只有把教师“灌输”“填鸭”式的“教”转变为学生自己的“学”，通过自我构建，深度学习才会发生，计算思维才能得到发展。如何将这些要求落实到日常教学之中，这需要找到一个合适的抓手，项目式学习应运而生。项目式学习以高阶目标为导向，通过在真实的情境中开展一系列活动，让学生亲历问题解决的整个流程，从而实现对学生计算思维的培养。因此，笔者基于苏科版信息技术六年级教材中人工智能模块，梳理重构教材内容，以“生活中的人工智能——智能分类垃圾桶”这一主题活动课为例，通过双师课堂的形式，开展项目式学习实践研究。本项目的设计包含教师活动、项目实践、学生活动以及思维活动四个模块，具体流程如图1所示。

一、創设生活情境：营造计算思维生发的场域

信息技术课程内容应该具有综合性，能够超越封闭的单一学科知识体系和固定的课堂教学时空局限，与其他学科课程融合起来，面向学生的生活，帮助学生建构对世界的完整认识。能够激发学生学习内驱力的情境应当源于真实世界中存在的问题，这种情境可能会涉及多学科领域的内容，触发学生使用信息技术手段解决生活中存在的问题，在解决问题的过程中锻炼思维、提升能力。

项目式学习是基于真实情境和问题的，“垃圾分类”就是现实世界中的问题，且与学生生活密切相关。学生在这节课的收获是直接链接生活的，属于有意义的学习，也是本节课项目设计的出发点。在前面的学习中，学生已经初步掌握了一种人工智能平台软件的使用，并可以进行简易的程序搭建。以智能分类垃圾桶的物化为载体，对这个实例进行分析实践，可以帮助学生将对人工智能的感受上升为真正的认识。

基于此，教师设计“垃圾分类收集前期调查表”，学生通过分组活动选择身边常见的场景，如学校、社区、公园，观察其中存在的问题，并初步提出可行的解决方案。在调查中学生发现了不少问题：“许多人不知道自己扔的垃圾是哪一类。”“小区的垃圾桶只有可回收和不可回收两种，不符合标准……”“有的人会随意把垃圾扔进垃圾桶！”随着垃圾分类进入“强制”时代，每一个人都不可能置身事外，每一个人都要承担起相应的社会责任。在“生活即教育”的教育理念指导下，教师引导学生结合实际情况，借助信息技术，通过“智能分类垃圾桶”产品项目的实践过程，让学生体验计算思维的工作方式，掌握基础性人工智能产品规划设计、创作物化的过程途径，感受人工智能技术给生活带来的改变和便利。

“最近发展区”理论认为，学习与发展是一种社会和合作活动，它们是永远不能被教给某个人的。学生要在自己的头脑中构筑属于自己的理解。而在这一过程中，教师则扮演着促进者和帮助者的角色，指导、激励、帮助学生全面发展。在项目式学习中教师需要转换自己的角色与身份，如本项目，为了更好地推动项目的开展，课堂中出现了两位教师：一位教师扮演项目指导，带领学生归纳梳理前调结果，引入项目情境，根据发现的问题提出解决方案，进行项目规划；另一位教师的身份则是技术指导，负责在学生具体实施的过程中帮助学生梳理流程图、完成算法设计和实物搭建。最后，再由项目指导负责评价、总结，并引导学生对本项目进行迭代和反思。

二、搭建学习支架：助推学生思维的持续发展

在项目式学习中，借由一个完整的项目将细化的碎片活动串联成一个层次分明、循序渐进的过程，通过创建学习共同体的形式，兼顾个性与共性，照顾到不同层次学生的需求，从而实现从低阶思维到计算思维的进阶。由于真实情境中的问题一般由多种要素组成，相对复杂，对于六年级学生而言具有一定的难度，为了使学生的计算思维能力在项目活动的开展中得到持续发展，教师在开发与设计项目时，还需要考虑项目的可实施性，因此学习支架必不可少。

例如，在本项目中，教师为学生提供了一份长达8页的详细“项目书”，其中包含6个模块的内容：封面、前期调查表、项目说明、项目规划、项目实施指南（包含小组成员分工说明、教师提供资料说明、算法流程图三个子目录）、项目评价与总结。项目模拟了一家科技环保公司，其承担了“南京市垃圾分类收集项目”的开发和建设任务，现邀请同学们参与项目模型的设计。项目书的“规划”与“实施”部分是学生成功完成项目的关键所在，“规划”部分中学生要对自己即将制作的产品进行功能设计、材料选择和人员分工，这是后续所有操作的前提。人员到底如何分工，每个成员负责什么，则在“实施指南”中给出明确的界定，每个学生根据自己的特点进行选择，发挥众人之长，有效的分工合作为后续的具体操作提供了保障。具体内容如表1、表2所示。

好的学习支架，还需要对学习活动进行细化，将每一个目标与项目活动一一对应，每个活动要有明确的活动名称、任务目标、活动要求、评价方式等。在本项目中，学生活动一共包含多个子活动，起于课前，行于课内，止于课后。课前要实地走访调查、学习垃圾分类知识；课内通过思考、讨论、分析确定方案，开展功能设计，根据分工说明完成项目规划，动手实践制作智能分类垃圾桶，反思活动中存在的问题并提出改进意见；课后完成详细的项目评价与总结报告，探索、拓展学习资源。

以“实物制作”这一活动为例，活动名称是“搭建智能分类垃圾桶”，对应的学习目标有：（1）从生活需求出发，在对实际问题的求解中体验人工智能的用途、原理、算法等；（2）学会使用思维导图、流程图等认知工具进行规划设计、解析程序过程，并进行活动项目实践；（3）结合人工智能平台的常规模块，尝试进行创新数字化作品的创作。

任务要求有：（1）拿出材料，完成垃圾桶模型搭建和连接；（2）打开人工智能平台软件，完成项目书第六页中的流程图，编写程序；（3）测试与调试程序。验收标准是：（1）基于场景，垃圾桶分配合理；（2）垃圾桶盖开和关稳固流畅；（3）垃圾桶智能功能成功实现。本次活动教师提供给学生的辅助资料有半成品流程图及5个指导微视频。对应的评价标准有：（1）合理选择垃圾桶数量，合理利用提供的材料且没有浪费损坏；（2）舵机摆臂连接稳固，角度设置合理；（3）脚本运行流畅。

通过上述细致划分，有效地引导学生参与到项目活动之中，促进学生建构新知的内在结构，助推学生思维的持续发展。

三、分组合作实践：聚焦算法，亲历问题解决过程

信息技术学科核心素养中的“计算思维”是指能够将一个复杂的问题，利用计算思维的独特过程，分解为多个简单的小问题，通过分析，借助一定的工具如思维导图、流程图等，将思维的过程可视化，找出其中的规律，并据此培养学生解决问题的能力。计算思维的终点是问题解决，侧重通过问题分解来实现目标。聚焦算法可以引导学生在分解问题、设计算法的过程中亲历问题解决的过程，在优化算法、迭代反思的过程中培养学生的计算思维能力。

在本项目的学习中，学生需要关注两个层面的算法，第一个层面是完成人工智能程序脚本，控制对应垃圾桶盖开关。算法设计是培养学生计算思维的核心内容，学生将之前提出的解决思路用程序语言表达出来，在不断调试代码的过程中，使计算机能够顺利实现自动执行。在这一环节中，学生将实现从自然语言到程序语言的转化，教师要做的就是引导他们利用所学知识和已经掌握的方法，借助项目书和学具，进行自主探究和小组合作，在流程图的基础上完成算法设计和优化，在进行数据调整与程序调整的同时，还可以提出对程序功能进行迭代的设计思路。本项目中程序流程图如图2所示。

对于学生而言，技术实现部分是整个项目实施中的难点。因此，在项目制作阶段，教师应作为技术指导给予帮助。在这个环节，学生先初步尝试，因为他们在“观察、搭建、操作、实践”的时候，也是在经历思维活动的过程。在此基础上，教师提醒、引导学生先思考再实践，促进学生加深对知识技能的理解，提升思维水平。

第二个层面则是通过项目书的辅助和项目实施的过程，归纳得出设计开发简易人工智能产品的一般流程：需求（前期调研、发现问题）—设想（初步设想）—规划（功能设计、材料选择、人员分工）—物化（实物制作、功能测试）—迭代（完善改进）。 “智能分类垃圾桶”产品项目的实践过程可以让学生体验计算思维的工作方式，掌握基础性人工智能产品规划设计、创作物化的过程途径，感受人工智能技术给生活带来的改变和便利。

整个项目的设计，包括教学流程、板书设计、项目书、学件等都以指导问题解决为目标，紧密围绕着算法思维展开，以完成“智能分类垃圾桶”这一产品为任务线，以问题解决、計算思维的培养为素养线，以敢于质疑权威、勇于迎难而上为情感线，三条线索交织穿插，共同推动项目的开展，拓展思维的深度。项目阶段划分如图3所示，板书设计如图4所示。

另外，总结与反思也是项目式学习的重要环节，持续的过程性评价和全面的总结性评价相辅相成。及时开展反馈和评价可以让学生及时掌握自己的学习状况，并对小组活动做出有针对性的调整。学生在对学习过程进行自我监控的同时，可以锻炼和提升计算思维。从本案例最终的课堂反馈来看，这种以项目式学习为载体，在解决问题的过程中引导学生自主学习的方式能取得较好的教学效果。

培养学生的计算思维不是让学生像计算机一样思考，而是让学生学会像科学家一样进行科学、深入、有效的思考，最终提升解决问题的能力。计算思维作为信息技术学科核心素养之一，是学生通过学科学习而逐步形成的关键能力，对学生的个体发展有着重大意义，作为一线教师，我们还需不断努力，提高自身水平以满足时代的需求。

【参考文献】

[1]余燕芳，李艺.基于计算思维的项目式教学课程构建与应用研究——以高中信息技术课程《人工智能初步》为例[J].远程教育杂志，2020， 38 （1）.

[2]田陆萍.基于高阶思维培育的信息技术学科教学策略[J].教育理论与实践，2020（35）.