计算思维视角下基于项目的问题界定过程

摘要：“问题界定”是基于计算思维进行问题解决的重要过程之一。本文提出在小学人工智能项目式学习中，指向计算思维的问题界定可以通过建构情境场、问题域、知识桥三个步骤去实践。在问题界定的过程中，学生可以进行思维的发散、抽象、分解、迁移等，从而有效训练和提升计算思维。

关键词：计算思维；问题界定；小学人工智能；项目式学习

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）15-0056-03

什么是问题界定？在麦肯锡的系列方法论中，分析问题的第一步就是界定问题。“界”，是指问题的边界、范围。“定”，则是指确定问题的终极目标和条件，问题的最终界定必须是明确可执行的。那么，什么是计算思维视角下的问题界定？对于这方面的研究，相关的文献资料相对比较少。北京师范大学傅骞教授提出，问题界定是明确问题的求解内容和待实现功能，包括问题的输入、输出和终止条件等，计算机智能处理有明确结果或终止条件的问题，通过问题界定可判断该问题能否利用计算机解决。[1]云南师范大学杨文正教授认为界定问题能力是指学生在教师创设的问题情境中发现问题并进行需求分析，从而区分问题边界，明确学习任务的能力。[2]结合相关专家学者的研究，基于对《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中的计算思维定义的解读，笔者认为计算思维视角下的问题界定是学生能够在问题情境中发现问题，对问题进行分解、抽象和提炼，确定问题边界，能按计算机和相关工具可处理的形式描述问题，确定任务目标，从而提升学生的计算思维能力。

问题界定的开展现状

问题界定是计算思维过程的首个环节，也对应着项目式学习中的入项环节—项目提出。精准做好“问题界定”直接影响后续项目的开展和思维过程的发展。然而，目前“问题界定”存在以下问题。

1.任务布置式问题界定

在传统项目式学习中，教师往往简单地将做出项目作品等同于问题解决，没有对问题做适当的引导，并辅助学生引入并凝练问题，而是直接将问题以任务的方式布置给学生，替代学生给出项目的任务问题，学生以完成任务为目标，做出项目作品，却没有真正经历问题解决的过程，关注了项目的“做”忽视了项目的“学”。

2.情境浅表式问题界定

在当前的项目式学习中，教师虽然为学生创设了一定的问题情境，但多数情况下并没有深入理解“情境+问题”的内涵，只表面化地在问题前添加了情境，激发了学生的兴趣，却没有进一步引导学生围绕情境分析问题，没有将学生的兴趣转化为持续的探究动力。

3.指向不明式问题界定

从真实情境中的问题到计算机能解决的问题，基于信息科技学科的“问题界定”过程包含了确定问题解决要达成的目标，需要的工具、技术或手段等要素。但很多教师引导界定的问题要素不全，笼统、宽泛，没有对问题进行深入，学生在问题界定的环节只知道项目的任务是做什么作品，却没有对在现有条件下用什么工具或手段做到什么程度或实现具体的哪些功能进行探讨并达成一致，导致后续的项目开展方向模糊。

问题界定的策略应用

通过课堂实践，笔者认为在小学人工智能项目式学习中，问题界定可以通过创设问题情境、组织问题链条、建立知识联系三个步骤去实践（如下图）。下面，以小学人工智能项目“智能风扇”为例，具体说一说如何从培养计算思维的视角去界定问题。

1.情境场——引导问题界定，契合计算思维

教师在入项环节要创设丰富的生活场景，引导学生用心观察身边事物，激发学生解决生活问题的欲望。例如，在“智能风扇”项目中，教师引导学生根据不同的生活场景，指向问题解决，分小组讨论，确定解决方案（如下页表）。在这些方案里，有一些是不需要计算机等工具实现的，如值日生责任制、给按钮贴醒目标签、在按钮旁放免洗洗手液等。而有一些是需要计算机等工具实现且更优化的方案，体现了信息技术的优势，并且都指向了同一个目标：对风扇进行智能化改造。因此，学生确立了本项目的核心问题：对传统风扇进行智能化改造。

2.问题域——推进问题界定，激活计算思维

当项目的核心问题被提出以后，教师要引导学生能够分析解构问题，和学生共同提炼关键词，梳理关键词之间的逻辑关系，帮助学生组织问题链条，根据分解的子问题进一步明确项目任务。

例如，在“智能风扇”项目中，根据抽象出的项目核心问题—如何设计并制作智能化控制的风扇解决生活问题（容易忘记关风扇；接触式按钮不卫生；风扇按钮控制不方便），教师和学生共同提炼出关键词，梳理它们之间的逻辑关系：不同的应用场景决定了风扇的功能，风扇的功能决定了如何设计和制作。学生通过关键词的逻辑梳理，对任务问题进行步骤分解：步骤1—找出不同情境所需的多种智能化控制方式；步骤2—分析每种智能方式的实现可行性；步骤3—比较可行方式的优缺点；步骤4—确定选用的智能化控制方式。然后，对分解的每一步骤列出需要解决的子问题。子问题既能体现知识发展的阶段，又符合学生的认知规律，让学生充分经历知识的发生与发展过程。

在问题域的设立过程中，学生通过对问题的拆分解构、逻辑梳理，问题链条的组织，明晰问题解决的过程，充分激活了计算思维，使思维在真实问题情境的问题分解、梳理中得到了有效训练。

3.知识桥——形成问题界定，发展计算思维

在有了对问题初步解决的想法以后，学生需要根据问题链条，对关键问题进行进一步剖析。通过对问题的需求分析，确定用计算机进行问题解决的具体工具。而具体工具的确定是在学生已有的知识经验的基础上完成的，因此，教师要帮助学生搭建知识桥，链接所学的知识，进行知识迁移，培养学生的抽象转移能力。

例如，在“智能风扇”项目中，针对问题链中的“分析每种智能方式的实现可行性”，列出子问题：用什么材料制作和如何实现？教师引导学生回顾做过的类似项目，如自动感应门、智能垃圾桶、语音声控小车等，梳理已知知识。然后，学生通过对已有知识的迁移，明确用WeDo2.0乐高套件和Kittenblock软件进行智能风扇的设计和制作，并对方案进行可行性和优缺点的分析，进一步筛选智能风扇的控制方式，明确任务目标。最终，不同小组针对要解决的不同生活问题，如容易忘关风扇、按钮不卫生、按钮操作不方便等，对问题进行界定。

整个实践环节体现了计算思维的抽象、分解、评估、迁移等诸多思维能力，使学生的计算思维得到了充分的锻炼。

问题界定的发展提升

问题界定不只是存在于一个项目的起始环节，事实上，它应贯穿整个项目，既可在情境创设中培养，也可以在抽象建模、算法设计、应用拓展等各环节中得到进一步发展。在抽象建模中，学生明确问题的输入、条件和输出，建立模型，完善项目设计方案，将问题界定继续具体化；在算法设计中，学生设计程序并反复测试、优化，不断在试错中发现问题并重新修改程序方案，强化训练问题界定；在应用拓展中，学生面对新的生活场景，拓展问题边界，再次去界定问题，完成作品的功能迭代，并迁移到同类型的项目中，能对同类型的项目进行新一轮的问题界定。

参考文献：

[1]傅骞，王钰茹.面向计算思维培养的编程教学研究[J].创新人才教育，2019（03）：47-54.

[2]杨文正.学习情境链创设视域下的计算思维培养模式[J].现代远程教育研究，2021，33（05）：72-81.

[3]熊璋.义务教育信息科技课程建设的思考[J].中国信息技术教育，2022（11）：5-6.