基于人工智能背景下學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)研究

摘 要：強(qiáng)化信息意識(shí)，提高信息敏感力及甄別力;啟迪計(jì)算思維，增強(qiáng)自動(dòng)化形式化模塊化系統(tǒng)化處理能力;并通過(guò)具體實(shí)例的分析，說(shuō)明核心素養(yǎng)的培育是有徑可循的，是可以采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法、選取生動(dòng)的學(xué)習(xí)素材、調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀努力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文中除了陳述現(xiàn)有內(nèi)容的同時(shí)要體現(xiàn)這個(gè)研究目的是為了提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，其實(shí)計(jì)算思維的培養(yǎng)也是為了提高學(xué)生信息技術(shù)素養(yǎng)，提高學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)的知識(shí)和技能解決社會(huì)生活實(shí)際問(wèn)題的能力;所以作為信息技術(shù)教師有必要通過(guò)信息技術(shù)教學(xué)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，積極開(kāi)展信息技術(shù)環(huán)境下學(xué)生核心素養(yǎng)的研究，是培養(yǎng)全面發(fā)展人才的有效途徑。

關(guān)鍵詞：人工智能;計(jì)算思維;能力培養(yǎng);高中信息技術(shù)

由于前幾年我國(guó)信息技術(shù)發(fā)展較為緩慢，特別是在教育行業(yè)中，因高中生課業(yè)壓力較大，面臨升學(xué)考試等一系列的難題，所以在信息技術(shù)教育教學(xué)方面留下了很大的空白與缺口。隨著我國(guó)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是近些年迅速崛起的人工智能技術(shù)在人們生活中廣泛普及之后，高中的信息技術(shù)教育迎來(lái)了一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇。

一、 計(jì)算思維與人工智能的關(guān)系

在信息技術(shù)教學(xué)中，利用人工智能的廣大平臺(tái)可以有效提高學(xué)生對(duì)計(jì)算思維能力的養(yǎng)成，且可以讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的概念、問(wèn)題、系統(tǒng)、設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行一系列的思考與求證。而且利用人工智能還可以簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)換、解釋計(jì)算思維中所遇到的種種問(wèn)題，可以有效幫助學(xué)生提高對(duì)信息技術(shù)課程的認(rèn)識(shí)與理解。在人工智能的背景下，高中生學(xué)習(xí)信息技術(shù)課程，養(yǎng)成計(jì)算思維能力可從六個(gè)特點(diǎn)上體現(xiàn)出來(lái)。第一，關(guān)于問(wèn)題的制定，教師可以幫助學(xué)生利用外界工具，特別是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以及人工智能所設(shè)計(jì)的內(nèi)容來(lái)解決課堂上遇到的相關(guān)問(wèn)題;第二，教師要組織學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題數(shù)據(jù)的分析和討論，并且要嚴(yán)格按照信息技術(shù)課程的嚴(yán)密邏輯按步實(shí)施;第三，教師可通過(guò)模擬的方式或者抽象的方式，也可以是仿真的方式給學(xué)生重現(xiàn)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以及人工智能所承載的數(shù)據(jù);第四，要利用完整的步驟計(jì)劃引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行算法上的培養(yǎng)，讓學(xué)生在大腦里形成一種算法思想，從中尋找解決問(wèn)題的方法，逐漸形成計(jì)算思維能力的養(yǎng)成;第五，教師要教會(huì)學(xué)生辨別與分析可應(yīng)用的問(wèn)題解決方案，從中尋找最有效的關(guān)鍵點(diǎn)打通問(wèn)題脈絡(luò)，結(jié)合信息技術(shù)課程中的計(jì)算思維對(duì)問(wèn)題資源進(jìn)行處理;第六，教師要把問(wèn)題的解答過(guò)程展開(kāi)分析，同時(shí)要大力推廣，并且將之融合在其他問(wèn)題中，以促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的提前養(yǎng)成。

所以，筆者將高中信息技術(shù)課堂中利用人工智能培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的方法區(qū)分為五個(gè)方面，即算法思維、評(píng)估、分解、抽象與概括。對(duì)此，我們可以明白計(jì)算思維不僅是對(duì)信息技術(shù)的思考與分析，還是對(duì)當(dāng)今社會(huì)科技發(fā)展?fàn)顩r的參悟與理解。電子本身沒(méi)有思維，是人的智慧使之體現(xiàn)出思維的概念。

二、 在人工智能的背景下培育學(xué)生計(jì)算思維能力的方法

之前提到，計(jì)算思維的五個(gè)方面分別是算法思維、評(píng)估、分解、抽象以及概括。在高中信息技術(shù)課堂教學(xué)過(guò)程中，教師怎樣引導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生養(yǎng)成計(jì)算思維的能力，是當(dāng)前高中信息技術(shù)教師要重點(diǎn)思考的問(wèn)題。信息技術(shù)課程對(duì)于高中生的思維鍛造有很大的作用，教師在開(kāi)展教學(xué)的時(shí)候要結(jié)合程序設(shè)計(jì)教學(xué)。而且在信息技術(shù)課程大綱中明確規(guī)定，算法與程序設(shè)計(jì)是高中生學(xué)習(xí)信息技術(shù)的一大重點(diǎn)，也是必修模塊，此環(huán)節(jié)是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步感受計(jì)算思維作用的一個(gè)版塊。從根本上來(lái)分析，算法思維就是計(jì)算思維的一個(gè)分支，在高中信息技術(shù)課堂教學(xué)中，教師不但要通過(guò)算法與程序設(shè)計(jì)模塊對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)與培養(yǎng)，還要在信息技術(shù)法思維到底能給自己帶來(lái)什么。通過(guò)教師的嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)與精心組織安排，方可帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生主動(dòng)的參加到課堂活動(dòng)與學(xué)習(xí)中，而且也可以積極推動(dòng)學(xué)生計(jì)算思維能力的養(yǎng)成。這其中的關(guān)鍵在于教師是如何挖掘與分析信息技術(shù)課程內(nèi)容的，是如何將信息技術(shù)課程、人工智能時(shí)代、人工智能平臺(tái)、計(jì)算思維能力這些內(nèi)容相結(jié)合的。

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教師在進(jìn)行高中信息技術(shù)課程教學(xué)的時(shí)候，要注意課堂教學(xué)方式的設(shè)計(jì)，結(jié)合課程內(nèi)容與大綱要求對(duì)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維的引導(dǎo)與培養(yǎng)。而設(shè)計(jì)課堂教學(xué)內(nèi)容的時(shí)候，教師要多結(jié)合計(jì)算思維單個(gè)方面的思維發(fā)展進(jìn)行思考與研究。

例如：教師可以通過(guò)課堂所學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)整個(gè)課堂教學(xué)方案與活動(dòng)計(jì)劃。在開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的時(shí)候，多關(guān)注學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)知程度與理解深度，并且要及時(shí)從中尋找問(wèn)題，制定出解決方案，以求強(qiáng)化學(xué)生個(gè)人學(xué)習(xí)能力以及解決問(wèn)題的能力和計(jì)算思維能力的同步提升。

（一） 基于計(jì)算思維中分析思維培養(yǎng)的單個(gè)課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)

利用計(jì)算思維中的算法思維、分解、抽象、概括與評(píng)估等內(nèi)容，教師可在高中信息技術(shù)課堂活動(dòng)中針對(duì)算法思維中的分析思維進(jìn)行深度的闡述與解析。按照課程規(guī)定內(nèi)容進(jìn)行獨(dú)立的課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)，并且將之深刻的體現(xiàn)在分析思維上。

在高中信息技術(shù)課堂教學(xué)中，利用算法思維所打造的信息技術(shù)課堂教學(xué)活動(dòng)。例如：教師在進(jìn)行《算法與程序設(shè)計(jì)》這一模塊的教學(xué)時(shí)，可以拿出《算法的初步認(rèn)識(shí)》這一小節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行深度講解。同時(shí)，為了有效提高學(xué)生的興趣與課堂參與熱情，教師可以在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)一個(gè)“猜數(shù)字”的游戲。如計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成1～100這些數(shù)字，然后自動(dòng)選取一個(gè)數(shù)字，隨后讓用戶猜測(cè)。此時(shí)，學(xué)生自然無(wú)法猜出計(jì)算機(jī)所設(shè)定的數(shù)字是多少。此時(shí)，根據(jù)游戲規(guī)則，學(xué)生可以有20次機(jī)會(huì)向計(jì)算機(jī)發(fā)起提問(wèn)，而計(jì)算機(jī)在被學(xué)生提問(wèn)的過(guò)程中，只能體現(xiàn)出“錯(cuò)”與“對(duì)”兩種答案，且每一名學(xué)生只有一次可以提問(wèn)教師的機(jī)會(huì)。

首先，計(jì)算機(jī)在1～100中所選取的數(shù)字有很大的隨機(jī)性，此時(shí)就要求學(xué)生同樣利用隨機(jī)性來(lái)猜測(cè)數(shù)字是多少。其次，計(jì)算機(jī)在1～100中所選取的數(shù)字最直接，也是最有效的猜測(cè)方法就是讓學(xué)生從1開(kāi)始依次猜測(cè)，或者從100開(kāi)始反向猜測(cè)。這樣成功的概率自然要大于隨機(jī)猜測(cè)的概率。再次，教師可以給學(xué)生解釋，這種猜測(cè)方法為“線形查找法”。最后，計(jì)算機(jī)在1～100中所選取的數(shù)字被學(xué)生猜測(cè)時(shí)，在猜測(cè)之前學(xué)生已知的內(nèi)容是該數(shù)字大于1且小于100。所以，教師可以給學(xué)生提出一些參考意見(jiàn)，如可以讓學(xué)生像計(jì)算機(jī)發(fā)起提問(wèn)，如：“需要猜測(cè)的數(shù)字是否小于50呢？需要猜測(cè)的數(shù)字是否小于30呢？”等。此時(shí)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)會(huì)給學(xué)生進(jìn)行反饋，可能為：“需要大家猜測(cè)的數(shù)字大于25，且小于40?！蓖ㄟ^(guò)這樣的方法，計(jì)算機(jī)便幫助學(xué)生制定出來(lái)一個(gè)可猜測(cè)的半徑，在這個(gè)半徑之內(nèi)，學(xué)生會(huì)計(jì)算通過(guò)怎樣的方法才能有效提高猜測(cè)的正確率。最后，學(xué)生自然能利用有限的機(jī)會(huì)準(zhǔn)確的猜到計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)定的數(shù)字。游戲結(jié)束之后，教師可以告訴學(xué)生，第三種方法屬于“二分查找法”。

當(dāng)學(xué)生進(jìn)行完對(duì)1～100數(shù)字的三種方法猜測(cè)過(guò)后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流討論，主題為“三種猜測(cè)方法哪一種更加有效更加快捷”。經(jīng)過(guò)交流討論，學(xué)生自然會(huì)選擇第三種方法。隨后，教師可以對(duì)計(jì)算機(jī)游戲系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，擴(kuò)大數(shù)字范圍，如1～1000之間隨機(jī)選取一個(gè)數(shù)字，讓學(xué)生用同樣的方法猜測(cè)，以觀效果如何。

通過(guò)這一課堂游戲活動(dòng)，可以讓學(xué)生深刻領(lǐng)悟到利用分析思維來(lái)處理問(wèn)題可以有效降低問(wèn)題的難度，提高解決的效率。而且通過(guò)學(xué)生與計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的游戲互動(dòng)，還能讓學(xué)生明白，在解決一個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，不僅僅只有一種方法，可以將之從多個(gè)角度進(jìn)行分析，從中尋找最適合、最簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行操作。經(jīng)過(guò)學(xué)生的歸納與總結(jié)，可以讓學(xué)生自己從中摸索出計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)、人工智能、計(jì)算思維之間的相互關(guān)系與共通之處，還可以讓學(xué)生更好的了解什么是算法、什么是計(jì)算思維。

（二） 基于計(jì)算思維培養(yǎng)的課堂整體教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

三、 結(jié)束語(yǔ)

在高中信息技術(shù)教學(xué)中，教師在利用人工智能培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的時(shí)候，要注意將課堂內(nèi)容與計(jì)算機(jī)知識(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)合，把握信息技術(shù)工具的操作原則。以此為法，可有效培養(yǎng)學(xué)生的高階思維，亦可讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)到復(fù)雜多變的信息技術(shù)知識(shí)。

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作者簡(jiǎn)介：

呂綺霞，廣東省廣州市，廣東省廣州市白云藝術(shù)中學(xué)。