中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)研究

吉紅蘭

【摘 要】本研究將從Python程序設(shè)計(jì)課程的角度出發(fā)，從基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)、數(shù)據(jù)分析知識(shí)點(diǎn)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法知識(shí)點(diǎn)及深度學(xué)習(xí)算法知識(shí)點(diǎn)四個(gè)方面探討學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的要求，并分析借助Python程序設(shè)計(jì)課程培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的策略。

【關(guān)鍵詞】Python；程序設(shè)計(jì)；計(jì)算思維能力

【中圖分類號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）01-076-02

人工智能的三要素是數(shù)據(jù)、算法和算力，最終的目的則是通過應(yīng)用去解決真實(shí)問題。計(jì)算思維就是一種解決問題的思維方式，這種思維方式要運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本理念。而Python程序設(shè)計(jì)課程作為計(jì)算思維能力培養(yǎng)的重要載體，它的培養(yǎng)效果直接影響著學(xué)科核心素養(yǎng)的落地。

Python程序設(shè)計(jì)課程中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)要求

信息科技學(xué)科知識(shí)包含了很多概括性、抽象性的學(xué)科概念和學(xué)科原理等內(nèi)容，我們要根據(jù)不同模塊的特點(diǎn)，挖掘有利于培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的內(nèi)容，讓學(xué)生在問題解決的過程中發(fā)展計(jì)算思維。因此，本研究將從提升學(xué)生的計(jì)算思維的方向?qū)ζ鋵I(yè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行映射，為學(xué)校相關(guān)教學(xué)工作的開展提供一定的指導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的提升。

1.計(jì)算思維能力與深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)映射階段

Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中針對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行教學(xué)，對(duì)學(xué)科的基礎(chǔ)概念、重點(diǎn)工具、基本框架等開展針對(duì)性的教學(xué)，不僅能夠加深學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的了解和認(rèn)知，也能為后續(xù)的深度教學(xué)提供一定的基礎(chǔ)。但在實(shí)際教學(xué)過程中對(duì)于學(xué)生的計(jì)算思維能力也有著較高的要求。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要同時(shí)具備一定的抽象能力、形式化能力以及思辨能力。例如，在學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，學(xué)生應(yīng)具備形式化證明、符號(hào)表示等方面的計(jì)算思維能力。

2．計(jì)算思維能力與Python數(shù)據(jù)分析知識(shí)點(diǎn)映射階段

相較于基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)映射階段的內(nèi)容不同，數(shù)據(jù)分析階段更加重視的是對(duì)學(xué)生具體程序能力的體現(xiàn)。Python程序設(shè)計(jì)課程中針對(duì)學(xué)生數(shù)據(jù)分析能力的提升主要體現(xiàn)在將人工智能程序設(shè)計(jì)作為提升學(xué)生能力的重要內(nèi)容，學(xué)生不僅需要熟悉Python程序的基本內(nèi)涵，同時(shí)還需靈活掌握Numpy、Pandas、Matplotlib等涉及科學(xué)計(jì)算、預(yù)處理、可視化庫的知識(shí)，確保能夠?yàn)楹罄m(xù)深度學(xué)習(xí)的開展奠定一定的基礎(chǔ)[1]。因此，綜合分析這一階段應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維、模型建構(gòu)、迭代計(jì)算等計(jì)算思維能力。

3.計(jì)算思維能力與機(jī)器學(xué)習(xí)算法知識(shí)點(diǎn)映射階段

基于基礎(chǔ)知識(shí)與Python數(shù)據(jù)分析知識(shí)點(diǎn)能力的掌握之后，學(xué)生可以開展進(jìn)一步的Python程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法知識(shí)點(diǎn)教學(xué)過程中學(xué)生需要掌握高階建模、符號(hào)表示、模型計(jì)算、抽象思維等計(jì)算思維方法，其具體學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求如表1所示。

4.計(jì)算思維能力與深度學(xué)習(xí)算法知識(shí)點(diǎn)映射階段

深度學(xué)習(xí)算法階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容更加深化，常見的內(nèi)容有卷積塊、池化、激活函數(shù)、學(xué)習(xí)率、全連接等。這一階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求是整個(gè)Python程序設(shè)計(jì)課程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)于學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)有著較高的標(biāo)準(zhǔn)。例如，學(xué)生需要使用 Mnist的手寫識(shí)別來融合所有的新概念，在有了一定的基本知識(shí)后，利用 Alexnet、VGG、Google LeNet、 Resnet等典型的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)YOLOV3的后續(xù)目標(biāo)檢測(cè)。這一階段對(duì)于數(shù)據(jù)建模、抽象思維、符號(hào)表示、模型評(píng)估等都有很高的要求[2]。

Python程序設(shè)計(jì)課程中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)策略

1．轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，培養(yǎng)計(jì)算思維能力

在Python程序設(shè)計(jì)課程中，很多教師已經(jīng)意識(shí)到要注重培養(yǎng)和提高學(xué)生的計(jì)算思維能力。但是，教師的普遍做法是讓學(xué)生反復(fù)經(jīng)歷抽象、分解、算法設(shè)計(jì)、編程調(diào)試和應(yīng)用遷移等環(huán)節(jié)，認(rèn)為這就是培養(yǎng)計(jì)算思維了。那么，學(xué)生的計(jì)算思維達(dá)到了一個(gè)什么水平？我們都不得而之。究其原因是我們沒能將教學(xué)過程與計(jì)算思維的發(fā)展對(duì)應(yīng)起來。我們要認(rèn)識(shí)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)思維的有效途徑就是解決問題，它是一個(gè)逐步發(fā)展的過程。教師可以嘗試改變課堂的教學(xué)方式，以真實(shí)問題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，讓知識(shí)和思維達(dá)到內(nèi)在統(tǒng)一，從而提升學(xué)生的問題解決能力。只有嘗試對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行分解，設(shè)計(jì)面向核心素養(yǎng)的課程，學(xué)生的計(jì)算思維能力才能得到有效提升。

2.落實(shí)目標(biāo)先行，運(yùn)用逆向課程設(shè)計(jì)

在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，教師首先要明確我們更關(guān)注的是教學(xué)輸入還是教學(xué)輸出。關(guān)注教學(xué)輸入的教師，往往按照教科書內(nèi)容的順序設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，他們是教教材，而不清楚如何用教材來教。他們會(huì)把大量時(shí)間用于思考自己要做什么，要求學(xué)生做什么，而不是思考學(xué)生要通過怎樣的學(xué)習(xí)過程才能達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。這樣的課程設(shè)計(jì)有兩個(gè)弊端：一是教師無法掌握課堂實(shí)施的結(jié)果，教學(xué)質(zhì)量大打折扣；二是學(xué)生無法明確自己努力的方向，無法進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。我們的教學(xué)應(yīng)該更關(guān)注教學(xué)輸出，要從學(xué)習(xí)結(jié)果倒推教學(xué)活動(dòng)，采用逆向設(shè)計(jì)策略，才能保證學(xué)生向著預(yù)定的目標(biāo)行進(jìn)。

3．創(chuàng)新教學(xué)方法，采用項(xiàng)目整合策略

當(dāng)我們有了明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)之后，我們就需要思考如何達(dá)成這些目標(biāo)。如我們要培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力、通過試錯(cuò)學(xué)會(huì)解決問題的能力、合作能力、溝通能力等元技能，我們或許會(huì)把每個(gè)技能進(jìn)行拆解，以非項(xiàng)目的形式逐個(gè)教學(xué)。這樣的教學(xué)僅僅停留在期望層面，通過在教學(xué)過程中不斷地提及、陳述、訓(xùn)練和評(píng)價(jià)這些技能，導(dǎo)致的結(jié)果只能是學(xué)生“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”。而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)會(huì)告訴學(xué)生，我們不是要學(xué)會(huì)什么內(nèi)容，而是要去創(chuàng)造一個(gè)新產(chǎn)品，在完成項(xiàng)目的過程中，令人信服地證明其重要性。學(xué)生通過頻繁地練習(xí)、反復(fù)地實(shí)踐、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦u(píng)價(jià)，在積極地獲得和建構(gòu)知識(shí)的過程中，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的樂趣，最終達(dá)成深度學(xué)習(xí)。

4．轉(zhuǎn)變?cè)u(píng)價(jià)方式，豐富考核內(nèi)容

Python程序設(shè)計(jì)課程的測(cè)試重點(diǎn)在于考查學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決問題的能力。計(jì)算思維是一種比較復(fù)雜的思維方式，對(duì)于這樣一個(gè)抽象的概念，已經(jīng)無法用傳統(tǒng)的紙筆測(cè)試進(jìn)行評(píng)價(jià)。素養(yǎng)導(dǎo)向的教育變革需要表現(xiàn)性評(píng)價(jià)。表現(xiàn)性評(píng)價(jià)的主要特征是評(píng)價(jià)一系列綜合知識(shí)和綜合能力，它要求學(xué)生可以是完成一項(xiàng)任務(wù)，而不是提交一個(gè)正確的答案[3]。它通常以評(píng)分規(guī)則為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)分規(guī)則描述了學(xué)生達(dá)成不同學(xué)習(xí)水平的表現(xiàn)，為學(xué)生提供了目標(biāo)參照，這樣的評(píng)價(jià)其實(shí)就是學(xué)習(xí)。所以說，表現(xiàn)性評(píng)價(jià)不僅能檢測(cè)學(xué)生的計(jì)算思維能力，更重要的是學(xué)生能通過表現(xiàn)性評(píng)價(jià)反思自己的學(xué)習(xí)過程，促進(jìn)計(jì)算思維能力的提升。

結(jié)? 語

綜上所述，Python程序設(shè)計(jì)課程中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)及提升需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累。想要確保學(xué)生計(jì)算思維能力得到有效提升，應(yīng)當(dāng)重視對(duì)于教師教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、考核方式等的轉(zhuǎn)變與創(chuàng)新，在提升學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)將計(jì)算思維能力映射到更多的跨學(xué)科課程當(dāng)中，促進(jìn)學(xué)校教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)步提升。

參考文獻(xiàn)

肖卓宇，黃俊，徐運(yùn)標(biāo)，陳果，郭杰. 新工科視角下以計(jì)算思維為導(dǎo)向的高職Python程序設(shè)計(jì)公共課程教學(xué)改革研究[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2020，16（21）： 154-155.

穆俊. 基于計(jì)算思維的“python程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)探究[J]. 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，37（2）： 48-51.

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