初中生计算思维培养策略探究——以“人工智能声控灯”微项目为例

叶发光

2017年7月，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，明确指出“人工智能成为国际竞争的新焦点”，强调实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。

信息技术是一门综合性学科，涉及许多领域，内容非常繁杂，具有很强的创新性，知识更新周期很短。而初中生知识面较窄、实践经验不足、创新能力不强，学好信息技术则难上加难。因此，加强对学生计算思维、创新能力等素养的培养，是帮助学生学好信息技术这门学科的关键所在，也是这门学科的教学目标。为了实现这一目标，提高学生学习信息技术的兴趣、实践能力、计算思维能力，需要运用基于问题解决的培养初中生计算思维的教学策略。这一策略的应用极大地提高了学生的信息素养，为信息技术这门学科教学质量的提升奠定了基础[1]。

一、计算思维的内涵

计算思维具有很强的时代性，而且与数学学科的逻辑思维及物理学科的实证思维不同，计算思维表现出来的是一种抽象化的交互关系及形式化的执行能力。简单而言，计算思维就是利用计算机解决问题的一种思维方法，也是通过抽象、概括、分解、建模、算法设计等方式，把一个较为复杂的问题转化为简单问题的思维过程，是新时代一种新的思维模式。利用信息化的方式把计算思维潜移默化地融入学生的学习过程，可以挖掘与激发学生的计算思维能力，为学生更深入地学习与掌握信息技术的理论与实践知识奠定了基础。

二、信息技术教学中初中生计算思维培养存在的问题

（一）教师对计算思维的认识存在偏差

计算思维并不仅仅存在于信息技术教学中，也不是一种单纯的教学工具。要想培养学生的计算思维，最重要的是创新教学方式，使其与当前社会发展需求相适应。然而部分信息技术教师对计算思维的认知存在偏差，坚持实用主义的教育理念，在课堂中主要向学生讲解常用的办公软件的用法、网络信息浏览与搜索的技巧，以及简单的编程内容。教师在教学过程中讲授的信息技术内容过于宽泛，使得学生难以深入地理解知识点，更难以认识到信息技术是学习与生活的一种重要辅助工具，从而忽视了计算思维的强化。且部分教师以向学生讲解理论知识为主要教学任务，忽视了对学生计算思维的培养[2]。

（二）忽视个体差异性

在当前的教育教学中，一些教师沿用了传统的教学模式。此模式虽然减少了教学成本，但是却产生了很多问题，其中最严重的问题就是学生的个性化发展受到阻碍。在教学过程中，部分教师无法根据学生的实际情况开展针对性教学，导致一些学生难以强化自身的计算思维。教师统一开展教学，难以充分了解学生的具体学习成效，不仅不利于教学质量的提升，还使学生的计算思维培养受阻。

（三）理论与实践相背离

理论与实践的有机结合是有效开展信息技术教学的重要途径。然而在当前的信息技术教学中，部分教师过于重视理论知识的传授，给予学生自主思考及实践的机会不足，使得理论教学与实践教学相脱离。在这种情况下，学生难以有效地把所学的理论知识应用到实践中，更难以通过学以致用实现计算思维的强化。

三、问题解决赋能计算思维培养

问题解决与培养初中生的计算思维密切相关。计算思维是解决问题的首要条件，而问题解决的过程包含着计算思维（见图1）。因此，如何帮助学生通过解决实际问题强化计算思维，以及如何帮助学生通过计算思维的强化提高其解决现实生活中复杂问题的能力，一直是众多信息技术教育工作者亟待研究的问题，其中蕴含了信息技术课程教学的核心价值。因此，教师应积极运用基于问题解决的计算思维教学策略，从而更好地培养初中生的计算思维。

图1 问题解决与计算思维之间的关系

（一）抽象问题

问题解决是一种以问题为导向的调动学生兴趣、激活学生思维的教学方式。尤其面对抽象问题时，教师应该在基于问题解决的信息技术教学过程中，结合学生实际情况，即初中生所能达到的解决问题的程度，开展多样化的教学，进而实现对学生计算思维能力的培养。在具体操作层面，教师应根据学生的学习能力及认知水平设计教学方案，将抽象问题融入课堂教学的各个环节，使得学生的认知能力在分析、探究及最终解决问题的过程中得以突破，并且在解决抽象问题的过程中实现知识的内化[3]。

（二）分解问题

问题解决不是单纯地让学生寻找问题的解决方法，而是引导学生分解问题，从而促进学生思维的发散，引发学生思考，使其主动地参与解决问题的过程。因此，基于问题解决的教学模式有助于优化初中生计算思维培养的过程，可以引导学生为了解决问题而对问题进行分解，探寻问题的实质，使得学生在思考与解决问题的过程中，加深对所学知识的理解，提高自身计算思维水平。

（三）算法设计

教师应在教学中有意识地为初中生提供思维支架，讲授解决问题所需的算法设计，促进学生的个性化及全面化发展。对于学生来说，这可以有效地激发其对信息技术的好奇心与求知欲，以及进行算法设计的主观能动性，从而使学生积极地将理论知识应用到实践中，实现更好的信息技术学习效果。因此，基于问题解决的培养初中生计算思维的教学方式，可让学生在有限的课堂教学中最大化地获取知识，并应用知识解决问题，实现思维能力的强化[4]。

（四）项目评估

项目评估的目的就是促进学生思维水平的提升及全面发展。教师在开展项目活动的过程中，应对学生的做法从正反两个方面提出建议，为学生解决问题提供参考，帮助学生做出正确的、科学的、合理的决策，使学生更高效地完成任务。

四、基于问题解决的初中生计算思维培养策略——以“人工智能声控灯” 微项目为例

积极开展项目探究学习，落实学生课堂主体地位是计算思维教学过程中经常用到的方式。教师应根据教学内容精心创设有关的生活情境，然后让学生选择或者指定一个研究主题，引导学生独立自主地进行发现问题、探索问题等一系列项目探究活动，进而实现对所学知识的掌握与理解。

（一）启发学生，提出问题

在教学中有目的、有计划地启发学生，引导学生提出问题，是开展探究性学习的基础。而创设有关情境是探究性学习不可缺少的环节。在一定的情境中，教师应引导学生认真观察、发现问题，并对问题进行思考，在此过程中提高学生的观察能力及思考能力。在课堂中教师可以设计问答情境。例如，师：“在声控灯中控制灯开关的因素是什么？”生：“声音。”师：“仅依靠声音还不够，还受哪些因素影响呢？声控灯的电子系统又是如何设计的呢？”这样在激发学生好奇心的同时，还能引入本堂课的教学内容——“人工智能声控灯”。通过问答情境的创设，将生活中常见的电子设备与先进的人工智能系统有机结合，能使学生认识到人工智能就在身边，为大众的生活服务，从而有效降低学生在学习中的畏难情绪，调动学生的学习积极性。

（二）引导学生，分析问题

所谓分析问题就是让学生在掌握知识的基础上，在情境中认真观察并作出假设猜想，然后对提出的猜想进行分析与验证。在“人工智能声控灯”课程教学中，教师可以通过让学生观看微视频的形式，引导学生认识Mind+软件与Micro:bit 开源硬件，然后在讲授语音合成、语音识别、语音交互程序的知识后，让学生以自主思考或者小组合作的形式分析人工智能语音助手系统的创建。在此过程中，教师可以引导学生思考以下问题：编程软件Mind+主要应用在生活中的哪些地方；在日常使用声控开关灯时会遇到灯不停地闪烁或者抖动的现象，此现象产生的原因是什么；在生活中应该怎样预防和避免这种问题的产生。教师可以引导学生利用所学的知识对这些问题进行分析、假设、探究，然后设计简单的语音小程序，为后续的学习奠定基础。

（三）实践验证，解决问题

解决问题的核心就是方案设计。而科学有效的方案设计需要学生充分掌握所学知识，并结合自己的实践经验，在探究学习中不断地进行推测与验证，最终获取结果。在“人工智能声控灯”一课的教学中，教师引导学生利用Micro:bit 开源硬件及Mind+软件对声控开关灯进行设计，实现了通过输入语音内容即可控制开灯、关灯程序的设计。

学习信息技术课程的主要目标就是实践与应用。学生应将所学知识灵活地应用到日常生活与学习中，从而解决现实中的问题。在教师的引导下，学生通过探究学习活动，理解与掌握了Mind+软件与Micro:bit 开源硬件的使用原理，然后再通过小组合作的形式对声控灯开关时的抖动问题进行了探究，极大地提高了对所学知识的应用能力，实现了计算思维的强化。

（四）师生互动，分享反思

在实际教学中，班级里每个学生对于信息技术的学习能力及对计算机基础知识的掌握程度各不相同，甚至存在明显的差异。这种差异使得学生在课堂教学中接收到的知识及信息也不尽相同。在每节课教学内容结束后，教师应以复习的形式总结问题，引导学生反思项目探究过程中存在的问题，并思考解决方案，从而不断提升学生的计算思维。在“人工智能声控灯”项目探究活动结束后，教师可以引导学生绘制本次项目的结构图，利用流程图对人工智能声控灯开关程序进行分解：如果有“关”的语言，灯会关闭；如果有“开”的语言，灯将打开。学生通过认真观察流程图，可以将问题解决转变为计算机程序设计，使自身的逻辑思维更加清晰。同时，教师可以让学生根据流程图进行演练与测试，在测试中寻找问题，并讨论解决的方法，培养学生的思维能力。此外，在绘制结构图的过程中，教师应及时向学生提问，例如：语音助手这个项目可以分为哪几部分，每部分的主要内容是什么；针对声控开关灯抖动的问题，最好的处理方式是什么；在生活中，还能设计哪些语音交互方面的程序。这些师生问答，既增强了课堂中师生互动的效果，又对本堂课的知识进行了总结，加深了学生对“人工智能声控灯”中所学知识的理解。此外，教师应积极鼓励各小组学生向其他组分享自己的制作思路及在制作过程中遇到的问题，并对项目的不足之处进行反思，使得学生高效地掌握“人工智能声控灯”这一课所学的知识，为其计算思维的培养奠定基础。

当下是信息技术迅猛发展的时代，也是人工智能广泛应用于日常生活的时代。人与计算机之间的交流越来越紧密，而计算思维则是实现未来人机深层交流最基础的思维能力。因此，作为初中阶段信息技术教育者，教师应深刻理解计算思维的内涵，合理、科学地开展程序教学，加强学生计算思维的培养。此外，教师还需要明确问题解决与计算思维之间的关系，合理地应用基于问题解决的初中生计算思维培养策略，充分调动学生课堂学习的积极性、好奇心与求知欲，在提高学生的合作能力及自主探究能力的同时，帮助学生提升对实际问题的解决能力及计算思维能力。