结合人工智能课程培养学生计算思维的教学实践

黎尚斌

摘要：大数据与人工智能的融合催生了社会发展新样态，对教育领域如何适应时代发展，培养现代化人才也提出了新要求。在此背景下，以人工智能课程为载体，培养学生计算思维成为了教育发展新潮流。计算思维涵盖了合作能力、算法思维、问题解决能力、创造能力与批判思维等维度能力，各维度能力发展相辅相成。怡乐路小学教师紧扣现代人才培养的新需求，在人工智能课程“智慧的交通”教学中，通过设置“分享交流—通识学习—体验学习—实践探究—评价总结”等环节，促进学生多维度能力发展，有效培养其计算思维。

关键词：人工智能课程;计算思维;教学策略。

教育部于2018年发布的《教育信息化2.0行动计划》明确指出，要“促进教育信息化从融合应用向创新发展的高阶演进”，从此，我国教育信息化步入融合创新、智能引领的时代，同时赋予教育以新的使命与走向。能够适应人工智能时代、善于运用人工智能的人才是当今以及未来社会所需要的人才，而计算思维作为一种适应数智时代的综合能力，无疑是现代化人才培养的重点之一。教育也应与时俱进创设新课程、寻找新策略，以培养学生的计算思维，为社会培养适应其高速发展的人才。

对此，笔者通过分析计算思维的能力结构，选择合适的人工智能课程，实施有效的课程教学策略等途径，积极探索、创新人工智能课程的计算思维的培养路径。

一、分析计算思维的能力结构

随着相关理论的研究与应用，计算思维由狭义的学科思维扩展至广义的基本技能，即每个人都必须具备的以解决实际问题的思维能力。在此基础上，计算思维构建了较为全面的能力框架，包括合作能力、问题解决能力、创造能力、算法思维与批判思维。

合作能力是指学生在参与小组合作式问题探究时，所表现出的合作意识、合作能力以及人际交往技能。算法思维是学生在解决问题时所形成的对于问题本身的具体化认知，以及基于对数据的分析与研究，而形成的问题解决思维模型或方法论。问题解决能力是指学生利用计算思维理解问题、分析问题、处理问题等方面的能力。创造能力是指学生对问题解决产生新想法，并在实践探究中进一步扩展思维与想法，检验与优化问题解决的想法或方案。批判思维重点在于对现有想法进行推理、归纳、评价与分析，从而更加准确、全面地认知问题本质。在實际教学中，教师应该重视对上述五大能力的培养，从而整体提升学生的计算思维。

二、选择合适人工智能课程

大数据为人工智能提供了与社会生活相关联的数据支撑与发展动力，而人工智能为数据的智能化应用与处理提供了关键性的技术支持，两者之间互为融合，相互促进。鉴于此，人工智能课程的选择应满足两方面要求，一是以学生为中心的课程生活化，即在满足学生发展需求的同时，激发学生的生活情感体验，培养学生数智融合时代下的社会当担意识、思维能力等;二是以数据为支撑的课程智能化，即基于大数据的采集、存储、管理等功能，充分利用大数据的高精准度与决策性等优势，在课程建设中有效融入智能技术。通过分析研究可知，“智慧的交通”便是数智融合背景下的人工智能课程。该课程不仅贴近学生的生活实际，有助于培养学生良好的团队合作能力、社会责任意识、计算思维等，还在课程的开发与建设中，有效应用了“行讯通”等人工智能技术，推动了数智融合背景下的教育智慧化发展。

三、实施有效课堂教学策略

小学阶段的人工智能课程旨在通过系统的课程内容设计及合理的教学流程引导，让学生理解人工智能技术的基本原理，并发展其解决问题的思维与能力。笔者在“智慧的交通”人工智能课程中设置了分享交流、通识学习、体验学习、实践探究、评价总结等教学环节，引导学生理解“智慧交通”的应用技术，并在此基础上，培养学生良好的计算思维。

（一）分享交流——合作能力

合作能力作为小组活动中的关键能力，在计算思维中也占据着重要地位，其培育与发展主要依赖于团队式系列活动的推进。因此，教师在发展学生计算思维结构下的合作能力时，可结合课程内容，设计团队合作学习任务或小组探究式活动，引导学生在与小组成员的分享交流中，发展良好的合作意识、合作态度及合作技能，提升自身的人际交往能力及合作能力。

笔者在“智慧的交通”教学中，设置了以发展学生计算思维合作能力维度为目标的分享交流环节。在该环节中，笔者主要采用了小组合作学习形式，并设置了具体的团队学习任务，包括让学生回顾与梳理前期有关于交通信号灯的学习内容，以及探究智能信息号灯的工作原理与使用价值等。学生围绕具体的学习任务，积极以团队合作形式展开了分享交流，并将组内的交流与讨论结果，在课堂上与其他同学进行了分享。由此一来，该环节不仅实现了学习成效的最大化，还在有益的分享交流中发展了学生的合作能力，培养了基本的社交技能。

（二）通识学习——算法思维

算法思维是计算思维中的重要维度，其着力于学生在解决问题中的认知过程，强调学生在基于对复杂数据的整理、对比与分析上，形成数据处理的方法论或模型。针对小学高年级的学龄特征，算法思维关注学生对人工智能数据处理及人工智能算法的理解与把握，侧重于学生认知体系的建设与思维能力的完善。因此，教师在学生算法思维的建设中，可结合相关的通识学习内容，帮助学生形成认知规律以及解决问题的思维模型。

结合“智慧交通”课程内容，笔者设置了通识学习教学环节，以促使学生形成对智能交通系统的初步认知，理解大数据和人工智能算法在智能交通系统中的关键作用及应用规律。在教学中，笔者先是播放了智能信号灯有关视频，并链接相关权威资料对智能交通系统进行阐释，帮助学生初步建立智能交通系统的基本概念。接着，笔者利用视频引入了绿波速度的概念，并以此为楔子，带领学生梳理与总结大数据支撑下智能交通保障技术的产生背景及应用价值，让学生通过自主思考，掌握大数据应用的基本方法与规律，逐步发展以智能交通认知体系为内核的算法思维。

（三）体验学习——问题解决

问题解决能力是计算思维能力的关键能力，也是一个人计算思维形成过程的关键一环。问题解决能力的维度，主要在于学习者能否运用计算思维的特征理解问题，并运用计算思维的方法解决问题。因此教师在教学中应引导学生认识、探索其中规律，并将其合理应用到实际问题的解决中。

对此，笔者通过“体验学习”环节，引导学生在交流和体验中构建其问题解决能力。其一，笔者先设置“探究和交流”教学步骤，学生在观看教师手机操作演示搜索路线后，了解了导航软件对于合理规划出行路线的作用，并通过小组交流，初步认识了导航软件通过数据采集、计算评估、优化算法从而给用户推荐路线，学生便从中理解问题的关键。其二，笔者再设置“操作和体验”教学步骤，引导学生使用“行讯通”查询公交车到站时间。学生通过实际操作，不仅加深对智能交通系统的认识，从中理解了大数据和人工智能的优化算法如何解决实际问题，还从中感受人工智能技术如何服务社会发展，在体验学习中培养其服务社会的责任意识。

（四）实践探究——创造力

计算思维不是计算机的思维，而是人的思维，是具有创造力的思维，且计算思维形成过程本身就是一项创造性的活动。因此，在计算思维的创造力维度的培养上，教师应关注如何引导学生针对某一问题产生新想法，并在实践中通过与新想法的结合优化已有方案。笔者针对计算思维创造力维度的这两个方面，在“实践探究”环节中培养学生创造力。

在这个教学环节，教师可先借助问题引发学生思考，激发学生产生创造性的想法，再设置模拟的实践应用，引导学生在实践中检验、优化自己的创造性想法。比如笔者先设置问题——“智能交通信号灯系统通过什么进行灯号设计”，学生结合前面学到的知识点，纷纷提出智能交通信号灯是在大数据的基础上，通过一定的算法进行信号灯设置，力求车辆在“绿波速度”下畅行。 然后笔者再通过《智能交通灯实验报告单》带领学生模拟智能交通信号灯，动手体验“信号灯系统如何设置灯号切换”，并思考“还有什么地方可以优化”。在“实践探究”环节中，学生通过思考并体验模拟智能交通信号灯，不仅能充分理解人工智能技术在智慧交通的设置逻辑和使用原理，同时激发了计算思维创造力，强化了运用人工智能解决生活中实际问题的意识。

（五）评价总结——批判思维

批判思维是计算思维的另一个重要维度，对于小学高年级学生而言，批判思维主要表现为推理、归纳能力和评价、分析能力。故此，教师可通过相关的总结塑造学生的推理、归纳能力，通过多方互动评价塑造学生的评价、分析能力。

在本课教学中，笔者通过总结和评价两个小环节构建学生的批判思维。在总结中，笔者开展小组小结、小组代表发言以及老师总结。小組小结以反馈收获为主，学生谈感受、说想法，初步塑造一定的综合归纳能力;在小组代表发言中，学生通过聆听和汇报，评估自己的想法，形成自己的思考，进一步强化总结能力。最后通过教师的总结整体梳理所学知识，继续深化自身的归纳能力。在评价这一环节，笔者设置了教师评价和生生互评。教师评价侧重于学生在本课学习中如何发现问题、寻找真相、解决问题、优化方案，是否在这一过程中形成较系统化计算思维能力;生生互评旨在引导学生正确看待人工智能技术的发展，树立利用人工智能技术优化生活和学习的积极态度。

现在，人工智能以其强大的发展势头走进我们生活的方方面面，也走进了基础教育的课堂。在课程的开展中，教师应充分把握计算思维能力结构，从合作能力、算法思维、问题解决、创造力、批判思维等方面促进计算思维的全面培养，以满足数智融合时代学生全面发展及个性化成长需求，从而科学有效落实现代化人才培养任务。