培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的“6C”模式與實(shí)踐

黃靜

[摘? ?要]在K-12教育（即從幼兒園到12年級(jí)的教育）中，計(jì)算思維被廣泛地與編程教育聯(lián)系在一起。然而，一線教師對(duì)于如何將計(jì)算思維與課堂教學(xué)相融合缺乏深入的理解，在教學(xué)實(shí)施、活動(dòng)組織方面具有很大的隨意性和盲目性。為此，研究者通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，立足基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)理念，對(duì)已有的計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)模型進(jìn)行本土化實(shí)踐，構(gòu)建基于情境感知、概念知識(shí)學(xué)習(xí)、協(xié)作方案設(shè)計(jì)、算法編程、改進(jìn)完善作品、交流與評(píng)價(jià)作品的計(jì)算思維培養(yǎng)“6C”教學(xué)模式。該模式融合計(jì)算思維的基本要素，圍繞解決真實(shí)生活情境中的問(wèn)題進(jìn)行具體的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算思維;編程教育;基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí);“6C”教學(xué)模式

一、引言

計(jì)算思維是當(dāng)今信息社會(huì)除閱讀、寫(xiě)作、計(jì)算之外，所有公民都應(yīng)熟練掌握的基本技能。2018年11月，國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（International Society for Technology in Education，ISTE）在《教育者標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算思維能力》（ISTE Standards for Educators： Computational Thinking Competencies）中，明確將計(jì)算思維列為K-12學(xué)習(xí)者必不可少的技能之一[1]。在K-12教育中，計(jì)算思維被廣泛地與編程教育聯(lián)系在一起。2017年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，全面布局我國(guó)人工智能發(fā)展戰(zhàn)略。其中，在保障措施中提及中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，實(shí)施全民智能教育[2]。

所謂計(jì)算思維，包含問(wèn)題解決能力、批判性思維、創(chuàng)造力、協(xié)作思維以及算法思維，需要借助真實(shí)的問(wèn)題情境來(lái)培養(yǎng)。而人工智能課程的綜合性與跨學(xué)科特性，使其可以擔(dān)當(dāng)發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的重任。在中小學(xué)人工智能教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在通過(guò)編程解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中可以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的思維模式，學(xué)會(huì)從計(jì)算思維的角度去分析問(wèn)題，并找出使用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的路徑。然而，如何將計(jì)算思維更好地融入K-12教學(xué)，構(gòu)建本土化的教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展，是教育工作者亟需解決的重要問(wèn)題。

二、相關(guān)研究

1.人工智能教育與基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)

在中小學(xué)開(kāi)展人工智能教育，旨在為培養(yǎng)符合智能化社會(huì)要求的、具備良好技術(shù)創(chuàng)新思維和綜合能力的新時(shí)代人才奠定基礎(chǔ)。人工智能課程作為一門(mén)前沿技術(shù)課程，對(duì)學(xué)生的相關(guān)學(xué)科知識(shí)和實(shí)踐能力都提出了較高要求。小學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)是其學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)其利用軟硬件解決實(shí)際問(wèn)題，能夠激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。教師應(yīng)帶著問(wèn)題解決的教學(xué)設(shè)計(jì)走進(jìn)課堂，而這些問(wèn)題不僅是學(xué)科知識(shí)問(wèn)題，更有可能是生活中的問(wèn)題，從而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)思考，培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力。

“基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)”（Designing Based Learning）理念來(lái)源于佐治亞理工學(xué)院教授科洛德納（Kolodner）在1997年提出的“基于案例的推理學(xué)習(xí)”（Case-Based Reasoning），即：學(xué)生在解決復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)豐富的經(jīng)驗(yàn)或參考已有案例來(lái)學(xué)習(xí);當(dāng)舊的經(jīng)驗(yàn)不能解決新問(wèn)題時(shí)，會(huì)產(chǎn)生新的解釋;基于案例推理的學(xué)習(xí)注重學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的反饋、迭代改進(jìn)，從問(wèn)題解決的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)[3]。此后，科洛德納教授立足基于案例推理的學(xué)習(xí)和基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)，提出了設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)（Learning by Design），即：建立模型并測(cè)試、分析、重新思考、修改，然后重復(fù)之前的步驟繼續(xù)前進(jìn)，直至找到解決問(wèn)題的方案;學(xué)習(xí)者在參與設(shè)計(jì)的過(guò)程中學(xué)習(xí)解決問(wèn)題所需要的知識(shí)和技能，并獲得培養(yǎng)溝通、表達(dá)、決策和協(xié)作技能的機(jī)會(huì)[4]。福特斯（Fortus）等人于2004年提出了基于設(shè)計(jì)的科學(xué)（Design-Based Science）教學(xué)模型，即：通過(guò)識(shí)別和定義情境、背景研究、設(shè)計(jì)方案、產(chǎn)品制作、反饋五個(gè)步驟，讓學(xué)生參與工藝品的設(shè)計(jì)，構(gòu)建科學(xué)理解和解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的技能[5]。

問(wèn)題解決是人工智能課程教學(xué)中的關(guān)鍵要素，而設(shè)計(jì)是解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的典型方式。一些研究發(fā)現(xiàn)，基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)對(duì)問(wèn)題解決能力、批判性思維能力、創(chuàng)造力、協(xié)作思維能力均有顯著的提升作用[6]，在編程教學(xué)中采用設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生的算法思維、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)造力[7]。因此，在人工智能課程教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生使用基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

2.計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)模型

計(jì)算思維是使用計(jì)算機(jī)和其他信息技術(shù)設(shè)計(jì)和解決問(wèn)題的一套推理技巧[8]，也是一種解決真實(shí)世界復(fù)雜問(wèn)題的能力，一種涵蓋算法思維、創(chuàng)造力、批判性思維等多元能力的高階應(yīng)用型技能[9]。計(jì)算思維問(wèn)題的解決方案包含抽象、算法、分解、數(shù)據(jù)表示、測(cè)試、評(píng)估等元素，具有普遍適用性[10]。對(duì)于年齡較小的學(xué)生來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有掌握適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)策略，會(huì)很難習(xí)得計(jì)算思維[11]。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者從關(guān)注學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)、深度學(xué)習(xí)等角度出發(fā)，構(gòu)建了面向K-12階段的計(jì)算思維培養(yǎng)模型。例如，楊文正提出了基于學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式，以設(shè)計(jì)多元情境要素為核心，在小學(xué)開(kāi)展Scratch編程教學(xué)活動(dòng)，將探究問(wèn)題的產(chǎn)生和算法思想的應(yīng)用還原到真實(shí)情境中[12]。楊伊等人建構(gòu)了“面向計(jì)算思維發(fā)展的深度學(xué)習(xí)模型”，以真實(shí)情境中的問(wèn)題為載體，以教師行為、學(xué)生行為、思維過(guò)程和評(píng)價(jià)總結(jié)四個(gè)維度為主線，對(duì)小學(xué)可視化編程教學(xué)進(jìn)行了教學(xué)實(shí)驗(yàn)[13]。

三、面向小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的“6C”教學(xué)模式

計(jì)算思維包括算法思維和基于設(shè)計(jì)的思維，其實(shí)踐包括協(xié)同設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)產(chǎn)品、制作模型，或者通過(guò)計(jì)算技術(shù)解決問(wèn)題等。由此，計(jì)算思維的培養(yǎng)可以采取多種形式，如簡(jiǎn)單的手工制作，復(fù)雜的動(dòng)畫(huà)制作、網(wǎng)站設(shè)計(jì)等。在教學(xué)中利用軟硬件資源解決生活問(wèn)題，能夠?qū)W(xué)習(xí)活動(dòng)與真實(shí)世界聯(lián)系起來(lái)，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，教師可以在人工智能課程教學(xué)中創(chuàng)設(shè)生活化的問(wèn)題情境，讓學(xué)生基于解決問(wèn)題設(shè)計(jì)產(chǎn)品，從而促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

如前所述，福特斯等人于2004年提出了基于設(shè)計(jì)的科學(xué)教學(xué)模型，該模型由識(shí)別和定義情境、背景研究、設(shè)計(jì)方案、產(chǎn)品制作、反饋五個(gè)階段組成[14]（見(jiàn)圖1），并遵循迭代循環(huán)。在第一個(gè)階段，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，幫助學(xué)生理解和觀察，了解問(wèn)題;在第二個(gè)階段，定義問(wèn)題及了解背景，幫助學(xué)生理解原理或者概念，為解決問(wèn)題和進(jìn)一步學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備;在第三個(gè)階段，學(xué)生將想法、構(gòu)思轉(zhuǎn)化為解決問(wèn)題的方案;在第四個(gè)階段，進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，實(shí)踐問(wèn)題解決方案;在第五個(gè)階段，學(xué)生反思和表達(dá)他們所完成的作品，并對(duì)解決方案的可行性和適用性進(jìn)行檢驗(yàn)。

在此，參考基于設(shè)計(jì)的科學(xué)教學(xué)模型，結(jié)合AI4K12理論框架[15]中的感知、表示與推理、人機(jī)交互、社會(huì)影響的理念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了基于設(shè)計(jì)的“情境感知（Contextual perceived）、概念知識(shí)學(xué)習(xí)（Concept knowledge learning）、協(xié)作方案設(shè)計(jì)（Collaborating design plan）、算法編程（Computing and programming learning）、改進(jìn)完善作品（Correcting and optimizing product）、交流與評(píng)價(jià)作品（Communicating and evaluating product）”的“6C”教學(xué)模式（見(jiàn)圖2），幫助學(xué)生開(kāi)展人工智能課程的學(xué)習(xí)。

所謂情境感知，是指教師以真實(shí)的與生活息息相關(guān)的情境知識(shí)為核心，利用人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)整體教學(xué)主題，讓學(xué)生在鑒定真實(shí)的情境問(wèn)題后明確學(xué)習(xí)任務(wù)，并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分解。概念知識(shí)學(xué)習(xí)則旨在使學(xué)生了解解決問(wèn)題所需的基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理，為解決問(wèn)題打好基礎(chǔ)。協(xié)作方案設(shè)計(jì)則表現(xiàn)在通過(guò)頭腦風(fēng)暴設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案，繪制解決問(wèn)題的流程圖;在設(shè)計(jì)過(guò)程中融合計(jì)算思維實(shí)踐，如數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、并行處理。算法編程即讓學(xué)生利用所學(xué)的編程與算法知識(shí)構(gòu)建物理實(shí)物與虛擬編程相結(jié)合的產(chǎn)品原型，其中融合較多計(jì)算思維實(shí)踐，如數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、算法與過(guò)程、自動(dòng)化與模擬等。改進(jìn)完善作品即迭代完善產(chǎn)品，通過(guò)測(cè)試產(chǎn)品的編程部分以及物理構(gòu)建部分，確保迭代改良產(chǎn)品。交流與評(píng)價(jià)作品即由小組開(kāi)展評(píng)價(jià)反饋工作，包括梳理和總結(jié)學(xué)科知識(shí)、匯報(bào)產(chǎn)品制作過(guò)程以及自己的收獲。

學(xué)生在分析與設(shè)計(jì)的過(guò)程中，收集數(shù)據(jù)，評(píng)估方案，形成想法，最終建構(gòu)自己的知識(shí)體系。在設(shè)計(jì)流程圖和編輯程序的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)思考“如何做”“需要什么”“為什么”“是怎樣”等問(wèn)題，對(duì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并借助計(jì)算機(jī)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。學(xué)生在收集與分析信息的過(guò)程中，培養(yǎng)批判性思維;在小組討論、協(xié)作學(xué)習(xí)的過(guò)程中設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案，培養(yǎng)協(xié)作思維和創(chuàng)造力;借助計(jì)算機(jī)將真實(shí)世界中的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成編程設(shè)計(jì)，并在編程中培養(yǎng)算法思維;在作品的修改與迭代中，提升創(chuàng)造力和設(shè)計(jì)思維;在作品的展示與交流中，進(jìn)行反思和深化，培養(yǎng)智能社會(huì)責(zé)任。學(xué)生通過(guò)整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程培養(yǎng)計(jì)算思維。

四、基于設(shè)計(jì)的人工智能教學(xué)實(shí)踐

以學(xué)校人工智能課程中的“智能植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)”一課為例，主要引導(dǎo)學(xué)生為學(xué)校生態(tài)種植園的盆栽植物設(shè)計(jì)智能養(yǎng)護(hù)小助手，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)養(yǎng)護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。該課面向小學(xué)三年級(jí)學(xué)生，教學(xué)使用的器材包括語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、溫濕度等多種傳感器設(shè)備，以及若干積木模塊和平板電腦。學(xué)生可以使用積木模塊搭建結(jié)構(gòu)件，通過(guò)圖形化編程軟件編寫(xiě)程序，并通過(guò)控制電子元器件的工作來(lái)解決問(wèn)題。學(xué)習(xí)活動(dòng)包括：介紹學(xué)習(xí)主題及要解決的問(wèn)題;設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案;課內(nèi)和課外進(jìn)行自由探索;作品展示交流和反思。本節(jié)課要求學(xué)生能夠在情境體驗(yàn)中明確要解決的問(wèn)題;在自主探究中形成想法，建構(gòu)知識(shí);在小組討論中形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，并借助計(jì)算機(jī)將真實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)換成編程設(shè)計(jì);在協(xié)作交流中迭代改進(jìn)，創(chuàng)新制作;在展示交流中進(jìn)行反思與深化。具體的教學(xué)流程如圖3所示。

1.情境感知

在這一階段，教師展示植物枯死的視頻，要求每組學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品制作來(lái)解決植物長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人養(yǎng)護(hù)的問(wèn)題。首先，學(xué)生必須了解植物的生長(zhǎng)習(xí)性，理解智能系統(tǒng)對(duì)于保障植物生長(zhǎng)的重要性，以及如何制作智能植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。然后，他們需要考慮解決這些問(wèn)題的方案并進(jìn)行嘗試，從而確定其中最優(yōu)的解決方案并進(jìn)行準(zhǔn)確描述。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生有必要分解問(wèn)題，并明確必須遵循的問(wèn)題解決步驟。

2.概念知識(shí)學(xué)習(xí)

在這一階段，教師為學(xué)生提供解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)資源，包括學(xué)習(xí)單、微視頻等，幫助學(xué)生了解植物生長(zhǎng)的必備條件、智慧種植系統(tǒng)的工作原理和模型搭建的基本方法，以明確解決問(wèn)題的思路，為設(shè)計(jì)智能產(chǎn)品制作方案做好準(zhǔn)備。

3.協(xié)作方案設(shè)計(jì)

在這一階段，學(xué)生通過(guò)繪圖設(shè)計(jì)原型，將想法轉(zhuǎn)化為解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的方案。學(xué)生先單獨(dú)繪制模型設(shè)計(jì)圖，然后在小組討論交流中發(fā)現(xiàn)不足，思考如何讓模型正常運(yùn)行，并由教師來(lái)確認(rèn)或解釋設(shè)計(jì)方案的合理性。各小組綜合組員和教師的意見(jiàn)進(jìn)行協(xié)商，選擇最佳方案進(jìn)行模型設(shè)計(jì)與實(shí)施。

4.算法編程

在這一階段，學(xué)生將問(wèn)題解決分解為小的步驟，選擇合適的傳感器模塊，并用偵測(cè)、判斷、重復(fù)執(zhí)行等編程語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度、土壤干濕度、光照強(qiáng)度等的判斷，然后通過(guò)啟動(dòng)電機(jī)、水泵、燈泡等輸出功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。學(xué)生將設(shè)計(jì)方案變成現(xiàn)實(shí)，初步實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器完成自動(dòng)養(yǎng)護(hù)的過(guò)程，體現(xiàn)了計(jì)算思維中“抽象”“分解”“概括”等重要內(nèi)容。

5.改進(jìn)完善作品

在這一階段，學(xué)生通過(guò)測(cè)試其作品的可行性和適用性，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，并以小組為單位，針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)，形成完善的解決方案，優(yōu)化作品功能。學(xué)生在測(cè)試過(guò)程中需要檢驗(yàn)的作品功能包括：能否準(zhǔn)確判斷土壤的干濕情況，澆水量是否適中，補(bǔ)光元件是否真正起到補(bǔ)光作用，等等。

6.交流與評(píng)價(jià)作品

在這一階段，各小組在教室交流與展示本組的智能作品，介紹設(shè)計(jì)思路，展示作品的功能。學(xué)生主要從外觀、功能、實(shí)用性等方面對(duì)作品進(jìn)行自我點(diǎn)評(píng)和互評(píng)。學(xué)生展示的作品功能包括：通過(guò)攝像頭遠(yuǎn)程監(jiān)控植物的生長(zhǎng)狀態(tài);通過(guò)語(yǔ)音命令水泵、電機(jī)等模塊工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水、補(bǔ)光等功能;通過(guò)土壤濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤濕度，當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，水泵自動(dòng)工作，為植物澆水;通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度，當(dāng)溫度大于設(shè)定值時(shí)，風(fēng)扇啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通風(fēng)，等等。

五、結(jié)語(yǔ)

學(xué)生通過(guò)情境感知、概念知識(shí)學(xué)習(xí)、協(xié)作方案設(shè)計(jì)、算法編程、改進(jìn)完善作品、交流與評(píng)價(jià)作品六個(gè)學(xué)習(xí)步驟，在解決實(shí)際生活問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)了問(wèn)題意識(shí)，習(xí)得了新知識(shí)與新技能，增強(qiáng)了與同伴的合作交流，同時(shí)在修改完善作品的過(guò)程中提升了創(chuàng)新能力和批判性思維水平。在某種意義上，可以將學(xué)習(xí)目標(biāo)視為建立一個(gè)挑戰(zhàn)，學(xué)生們?cè)谶@個(gè)挑戰(zhàn)中不是互相競(jìng)爭(zhēng)，而是與設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)競(jìng)爭(zhēng)——能否設(shè)計(jì)出一款滿足現(xiàn)實(shí)需求的產(chǎn)品。達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的挑戰(zhàn)感使學(xué)生們產(chǎn)生了強(qiáng)大的學(xué)習(xí)動(dòng)力，他們?cè)谡n堂上幾乎全情投入。一些擔(dān)心不能很好地完成作品的學(xué)生在前期會(huì)反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案，也會(huì)非常認(rèn)真地學(xué)習(xí)教師提供的學(xué)習(xí)資料;部分追求完美的學(xué)生則希望多一點(diǎn)參與的時(shí)間，以便進(jìn)一步修改他們的設(shè)計(jì)程序。與學(xué)生們生活密切相關(guān)的問(wèn)題激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，他們很樂(lè)意學(xué)習(xí)新的知識(shí)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。不過(guò)，未能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的挑戰(zhàn)也讓一部分學(xué)生感到很受挫，尤其是那些不善于溝通和表達(dá)的學(xué)生，他們?cè)谛〗M討論和作品分享環(huán)節(jié)表現(xiàn)得很沉默，參與度也很低。如何讓這部分學(xué)生也能積極參與到設(shè)計(jì)活動(dòng)中，需要繼續(xù)思考和研究。

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（責(zé)任編輯 郭向和? ? 校對(duì) 姚力寧）