基于计算思维的设计型学习教学设计与实践

叶红霞

摘要：本研究分析了人工智能选修课中DBL教学活动设计，进而促进高中生计算思维的培养，并以《专家系统》一课为范例，进行了具体的教学设计与实施，同时，通过一学期人工智能选修课的实施，采用单组前后测实验，并且辅以学生访谈，探究了高中人工智能课程中DBL教学对高中生计算思维的影响。研究表明，人工智能选修课中DBL教学对提升高中生的计算思维水平，提升算法思维、问题解决能力、合作和交流技能，以及创造力和批判性思维能力有一定的促进作用。

关键词：计算思维;设计型学习;人工智能教育

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2021）17-0000-04

● 引言

1.高中应培养人工智能意识应对人才短缺问题

国家教材委员会发布的《全国大中小学教材建设规划（2019—2022年）》中提到要提升教材先进性，应围绕人工智能、大数据等领域编写高校教材。[1]因此，在基础教育阶段，应该满足即将进入高校人工智能等专业领域学生的需求，为他们提供知识的初步探索，为升学和个性化发展提供保障，初步培养人工智能意识，为大学阶段开设的与当前人工智能应用热点契合的专业做准备，为人工智能领域大面积输送人才做好充足准备。

2.计算思维是智能化社会解决问题的重要手段

人工智能课程内容具有明显的计算机科学特性，计算思维是智能化社会求解问题的重要手段，可以很好地展现人工智能教学的内在价值。近年来，设计型学习（Designed-based Learning，DBL）在各个行业和领域的应用越来越多，它是一种以终为始的逆向思维过程，明确的结果和不明确的过程可以让过程设计得多种多样，学习者的创新创造能力可以得到拓展提升。设计型学习的核心是设计，这与人工智能的学习相吻合，人工智能本质上就是让机器实现人类认知、判断、分析、学习等技能，也就是说人工智能就是一种设计，设计出一种模仿人类行为模式与思维方式的解决方案。

● 文献综述

1.计算思维的内涵

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而形成的正确的价值观、良好品格修养和关键能力，高中信息技术核心素养主要包含四个部分（信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任），《普通高中信息技术课程标准（2017年版2021年修订）》中提出，计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。[2]计算思维的内涵、计算思维量表以及人工智能课程内容对应关系如图1所示。

图中第一层为计算思维的内涵，余燕芳和李艺根据林崇德的思维三棱结构建构出了计算思维的三棱结构，主要包含基础能力层、专项能力层和思维方法层。[3]根据计算思维的三层结构和教科版《人工智能初步》2007年）一书（的课程内容分析计算思维与人工智能教学内容之间的关系。美国国际教育技术协会（ISTE）将计算思维分为创造力、算法思维、批判性思维、问题解决、合作和交流技能。[4]根据ISTE的分类方式和Ozgen Korkmaz编制的计算思维问卷确定计算思维的目标层，环绕一圈代表计算思维的训练是时刻发生的。

2.设计型学习

最早提出设计型学习（Design-based Learning，DBL）的是加州理工大学波莫奈分校的尼尔森教授，概念的提出为设计型学习的运作表明了清晰的方向。尼尔森提出的逆向思维模型在k-12教育中进行了推广并实践，获得了较好的成效。该模型采用的是逆向思维（Backward Thinking），从结果出发，探索结果出现背后的原因，真正的学习不是为了完成任务，而是在设计过程中掌握核心概念，进行自主学习。[5]国内温州大学的王佑镁提出的设计型学习是一种正在兴起的学习范式，对设计型学习的社会背景、特征和理论基础展开了说明，并探讨了设计型学习的逆向思维模型学习过程和实施程序。[6]

3.高中人工智能教学

在2018年教育部新颁发的普通高中信息技术课程标准中将《人工智能初步》設置为选择性必修科目，该模块的内容为2学分，每学分18课时，共需36课时，而且该模块的修习情况应列为综合素质评价的内容。[7]可以看出，在新课标中对人工智能初步增加了综合素质评价指标，为一些将来想就读人工智能专业的高中生提供了平台。

● 基于计算思维的设计型学习教学活动设计

笔者基于计算思维的设计型学习教学活动设计，参考了华中师范大学教育信息技术学院张屹和王珏等人合作构建的STEM课程DBL教学培养小学生计算思维的教学模型。修改后的DBL学习流程包含五个主要步骤：①理解挑战，习得新知;②小组分工，明确任务;③头脑风暴，算法设计;④Python实现，调试修改;⑤展示评价，迭代改进。[8]下面，笔者以《专家系统》一课为例，简要阐述基于计算思维的设计型学习教学过程。整个教学过程，从创造力、算法思维、批判性思维、问题解决能力、合作技能等方面对学生计算思维进行培养。

1.理解挑战，习得新知

教师活动：

①讲解霍金斯的记忆预测理论，并推荐学生读原著on Intelligence，提问大脑是如何运作的。

②演示苏格拉底三段论：P—凡人要死;Q—苏格拉底是人;R—苏格拉底要死。可以表示为（pΛQ）→R。

③讲解专家系统概念和产生式规则的推理办法。

学生活动：

①理解记忆预测理论，知道大脑是如何运作的。

②根据苏格拉底三段论，理解产生式规则的推导过程。

2.小组分工，明确任务

教师活动：

①演示动物识别专家系统和用于识别动物的产生式规则。

②解释设计任务，组织学生小组分工合作完成任务。

学生活动：

①明确设计任务。

②自由分队，选出小组长，合理分工与计划。

3.头脑风暴，算法设计

教师活动：

①准备测试用例和动物识别专家系统程序的知识库。

②提供相关参考程序，引导学生头脑风暴，完善产生式规则库。

学生活动：

①根据动物识别关键词，头脑风暴，写出各种动物的特征。

②完善动物识别专家系统产生式规则，并进行算法设计。

4.Python实现，调试修改

教师活动：

①指导学生用Python实现动物识别专家系统。

②通过程序填空理解核心代码的功能。

学生活动：

①Python实现专家系统。

②阅读参考代码并理解。

③程序填空，不断调试和完善。

5.展示评价，迭代改进

教师活动：

①安排学生进行代码展示和讲解。

②进行总评。

学生活动：

①小组展示代码运行结果。

②小组根据评分表自评和互评，并反思。

● 实验研究设计与结果分析

1.问卷设计

Ozgen Korkmaz等人根据ISTE开发编制的量表进行因子分析，最终得到了五个因子的量表，有创造力、算法思维、批判性思维、问题解决能力和合作技能。笔者采用Korkmaz编制的“计算思维量表”对实验对象进行了前后测量，评估通过实验计算思维能力是否得到提升。量表共有29题，信度为0.822，采用了李克特5点量表，得分越高，表示计算思维能力越好。[9]

2.研究过程与数据分析

在学期开始和结束时，笔者组织了高二学生进行前测和后测，具体的数据如上表所示。

由表可知，计算思维的五个因子后测均值都大于前测均值，说明人工智能课程DBL教学可以提升学生的计算思维。其中批判性思维、问题解决能力和合作技能维度p值<0.05，说明人工智能课程中DBL教学能显著提升高中生的批判性思维能力、问题解决能力和合作技能。而创造力和算法思维的维度p值>0.05，但是均值都有所提升，说明人工智能课程中DBL教学对高中生的创造力和算法思维具有一定的提升作用，但未产生显著影响。

在访谈的过程中，有学生表示在学习人工智能课程时，如果不是小组合作自主地去设计相关简易的系统进而编程实现，则对市面上的众多人工智能相关应用可能很难理解;有学生表示通过该门选修课，对人工智能有了更深的认识，对未来是否从事相关职业有了更为清晰的目标;还有学生觉得在该门选修课中，不同于一般的传统教学，通过头脑风暴收集小组想法，共同进行算法设计，Python实现相应的功能，不断地调试bug到最终实现，在这个过程中，发现计算机的思维需要非常细致和谨慎，要想适应如今的智能化社会，必须学会计算机的思考方式，这样才能写出更多性能好的程序，设计出更加优质有创造力的作品，推动社会发展。

● 启示与反思

1.要有具体明确的教学支架

在人工智能概念学习和应用体验过程中，涉及的领域非常广，如果将大化小，从小的切入点出发进行学习，教师提供具体明确的教学支架，可以降低人工智能的学习难度，提升学生的兴趣。所以说，DBL教学在一定程度上促进了学生的学，但提升了教师教的难度，作为信息技术教师，应该和企业开发人员共同探讨和学习，为学生提供更好的学习资源和学习平台。

2.发挥小组成员的最大效能

进行小组合作，是为了发挥小组成员的最大效能，解决个人无法解决的问题。在DBL教学中，对学生的小组合作，教师应该规划得更为详细，要培养学生进行自主管理和计划的能力，每个群体当中需要有位领导者，对整个小组的人员分工和学习进度进行合理安排，这样才能发挥小组成员的最大效能，完成更多、更高質量的作业。

参考文献：

[1]描绘新时代教材建设蓝图《全国大中小学教材建设规划（2019-2022）》发布[N].中国教师报，[2020-01-15].

[2]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]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（01）：95-103.

[4]白雪梅，顾小清.K12阶段学生计算思维评价工具构建与应用[J].中国电化教育，2019（10）：83-90.

[5]Nelson.Design based learning delivers required standards in all subjects，K-12[EB/OL].https：//www.csupomona.edu/～dnelson/documents/jis_voll7_fall04.doc.

[6]王佑镁，李璐.设计型学习——一种正在兴起的学习范式[J].中国电化教育，2009（10）：12-16.

[7]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[8]张屹，王珏，张莉，等.STEM课程中DBL教学培养小学生计算思维的研究[J].电化教育研究，2020，41（05）：81-88.

[9]韩嵩.小学生项目式编程设计对计算思维和自我效能的成效研究[D].杭州：浙江大学，2019.