未来课堂环境下的计算思维培养策略研究

摘要：计算思维与人工智能的高契合度，使其成为人工智能时代人才必备的思维能力。未来课堂作为新型学习空间的代表，培养具有计算思维能力的学习者，应是其得以持续发展的重要支撑点。本文尝试构建了未来课堂环境下的计算思维培养策略，充分利用未来课堂富信息技术环境，为人工智能教育相关研究提供可参考的框架。

关键词：未来课堂；计算思维；人工智能；培养策略

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）22-0000-04

引言

根据人工智能对传统行业提质增效的巨大潜力的展望，2017年国务院对我国人工智能的发展制定了纲领性的文件《新一代人工智能发展规划》，其中提出，在教育领域应该“利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系”。[1]人工智能在教育中的融合方式主要有两类：一类是借助人工智能技术，促进学生的个性化学习，达到精准教学的目的；另一类则是将人工智能作为学习的对象，使学生通过适切的学习策略达成了解、熟悉、掌握人工智能知识技能的目的。尽管两种融合方式在形式上有所区别，但都可以归纳为利用先进的信息技术创设智慧化的学习环境，培养学生高效思维能力，使其能够充分地掌握人工智能时代必备的知识与技能。其中，高效思维能力应为计算思维，智慧化的学习环境则为未来课堂。

相关概念及研究

人工智能主要指具备一定智能特征的机器，其与人类思维的连接点主要指利用计算机模仿人脑所从事的推理、证明、识别、理解、设计、学习、思考、规划以及问题求解等思维活动，来解决需要人类专家才能处理的复杂问题。[2]计算机模拟人脑的思维活动均呈现计算的特点，因此可认为人工智能所模拟的思维活动为计算思维。未来课堂是由华东师范大学现代教育技术研究所张际平教授领衔的学术团队所研发的一系列富信息技术学习空间。张际平教授谈到未来课堂是以人本主义、互动、环境心理学等相关的理论和信息、智能、人机交互等技术为支持，充分发挥课堂组成各要素的作用，以互动为核心，构建能充分发挥课堂主体的主动性、能动性的和谐、自由发展的教与学的环境与活动。[3]笔者认为，人工智能与学习空间的深度融合是未来课堂发展的重要方向。但人工智能与教育的融合离不开计算思维的参与。在人工智能支持教育环境的创设、精准教学的开展方面，计算思维的模型建构思想能够确保人工智能赋能教育更有结构性，使时空效应更加完备。未来课堂作为泛信息技术学习空间的发展愿景，必然会深度地融入人工智能技术，以促进个性化学习、小组协作学习、创新性学习等新型学习活动的开展。尽管关于人工智能在未来课堂中的应用研究已有一定的成果，但是至今仍未对如何在未来课堂中培养学生的计算思维能力展开相应的研究。当前，在未来课堂中与思维相关的研究主要集中在思维可视化层面，笔者认为，如何将思维可视化推进一步，研究计算思维融入未来课堂，应是未来课堂后续的重要研究内容。

培养策略建构

国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会（CSTA）对计算思维给出了操作性的定义，主要包括（但不限于）如下步骤：

制订问题，能够方便使用计算机和相关工具表述问题；逻辑化地组织和分析数据；通过抽象（如模型、仿真等）再现数据；通过算法的思想（一系列有序的步骤）生成自动化的解决方案；通过识别、分析和实施iNRTuu+Olsrtpu8gMl5TZwd3p9vDSYO9me4yFaGq/3A=各种可能的解决方案，同时结合上述步骤和资源，找到最有效的解决方案；概括该问题的解决过程，并迁移到其他相关问题中。

根据上述计算思维在实际运用中的操作方案，结合未来课堂的软硬件环境，笔者提出未来课堂环境下的计算思维培养策略，如下图所示。该策略基于未来课堂中的创客空间、多屏环境、桌面或头戴型虚拟现实系统及智能学习平台等资源环境，分别从制订问题、逻辑化组织数据、模型化再现数据、有序的学习步骤、有效解决方案和迁移能力等方面促进学生计算思维能力的培养及改进，从而满足未来人才所应具备能力素质的要求。

1.制订问题

根据建构主义理论，学生对新的知识或技能的正确认知，并不是由教师直接交给学生，而是需要学生通过对知识或技能实际的接触、体验、操作等活动，在原有认知结构上，结合教师给予的必要帮助，形成内化的、有意义的新认知结构。

未来课堂的基本理念是培养面向未来、具有主观能动性的新时代学生群体。未来的社会是一个富信息化的社会，无论是学习工作，还是家庭生活，均深度融入信息化技术，因此，只有充分地学习信息技术知识，掌握信息技术相关技能，才能更好地适应未来社会的发展。

出于上述目的，在未来课堂中构建以建构主义为理论基础、以信息技术为技术支撑、以学生实际动手操作为活动形式的创客空间，具有非常重要的实际意义。

未来课堂中的创客空间开展的活动主要包括教学智能机器人的开发与应用、无人机的编程与操作、3D打印的设计与产品制作等。在机器人、无人机、3D打印等学习活动中，均涉及机械的搭建、程序的开发等，未来课堂的创客空间为学习者提供资源、材料、手册等丰富且必要的活动支持，使学生在动手操作的过程中，对自动控制、机械制作、程序设计等有一个初步的了解。创客空间的学习活动应该是以问题——如何通过机器人、无人机或3D打印等解决实际情境中遇到的问题为导向，该问题既可以是良构的，也可以是劣构的。因此，学生在创客空间中的学习活动构成了计算思维的第一步骤，即发现并制订问题，并且，可通过制作问题陈述表单，提升对问题的表述能力。

2.逻辑化组织数据

多屏环境是未来课堂中较为独特的形式，其主要的显示方式是将原本较长的文档内容，按照一定的逻辑结构，解构为既独立又关联的若干子内容，分别呈现在多块电子大屏上，使学生既能把握知识的总体结构，又能从知识的各部分获得认知，从而培养学生的结构性思维。针对学生在创客空间学习活动中发现并制订的问题，教师可以以合理的逻辑形式将其呈现在多块大屏上。对于有较明确解决流程的良构问题，可以采用线性的展示方式将按流程分解的子问题依次呈现在顺序排列的大屏上，相邻两个大屏上的内容应首尾相接，以此实现清楚的线性逻辑关系。而对于没有明确解决流程的劣构问题，可以采用星状的展示方式，在中间的大屏上呈现问题的总体描述，在其余的大屏上对该问题的可能解决方案进行发散式呈现。一块大屏呈现一至两种可能的解决方案，从而形成以中间大屏为核心、其余大屏为支撑的星状问题解决模型结构。同时，星状逻辑呈现还可以根据问题的复杂性及大屏的数量进行一定程度的扩展，如当面对较为复杂的问题，且未来课堂中的大屏数量较为丰富时，可将总核心问题分为几个子核心问题，子核心问题分别呈现在相距一定距离的大屏上，每个子核心问题旁边的大屏则呈现对该子核心问题的可能解决方案，从而在拥有一定数量大屏的未来课堂中形成树状的问题解决环境，更大程度地延展可行的解决途径。

使用多屏环境对创客空间制订的问题进行分解并以合理的方式显示，体现了计算思维操作定义的逻辑化组织数据步骤，因此，未来课堂的多屏环境有利于计算思维的呈现与培养。

3.模型化再现数据

随着信息技术的进步，未来课堂中学生使用的个人电脑也会逐步更新，升级成可支持桌面虚拟现实系统的新型移动终端。虚拟现实中的物体，多数来源于以现实事物，对其进行一定程度的抽象，去掉冗余的部分，得到体现其本质特性的数字化模型，从而使学生更容易从直观的角度快速形成对事物本身特征的认知。未来课堂中的桌面型虚拟现实系统是集VR与AR于一体的高性能电脑，学生戴上特制的眼镜，手持专用定位笔，进入桌面虚拟现实系统的操作界面，以虚实结合的方式对其中数字合成的模型进行直观的操控，以促进对现实事物的替代认知。

若要实现完全的虚拟体验，可为学生提供头戴式完全沉浸的VR设备，学生以身临其境的方式对数字化的实物模型进行操控，通过具身的体验认识模型中携带的实物的各种特性。未来课堂中的虚拟现实的应用，可看作是对前述需要解决的问题中可能遇到的实际情境的抽象建模，学生以某种方式（VR或AR）对该模型进行观察与操控，从而通过把握模型的特征达到认识实际情境中现象的一种具身学习方法。此方法对应计算思维操作定义中的抽象模型化再现数据步骤。

4.有序的学习步骤

学生通过上述的三个步骤，对遇到的问题已经有了初步的解读与探索。不过，由于学生的认知水平尚不完善，大概率对问题无法找到合适的解决途径，此时，就需要进行相关知识的学习。未来课堂中的知识学习，可以通过智能学习平台完成。学生在智能学习平台上的学习活动主要遵循翻转课堂的方式进行。教师依据学生解决问题所需的认知制作知识内容，形式可以是视频、PPT、图片、文献等，并将这些学习的知识内容上传至未来课堂的智能学习平台课程库。学生在进入未来课堂物理学习空间前，通过账号登录进智能学习平台，自主学习教师在课程库中发布的知识内容，实现翻转课堂中的课前自学。为了促进学生获得有意义的学习，教师在课程库中提供的知识内容应有一定的难度，即内容应处于学生的最近发展区。学生在课前学习过程中难免会遇到挑战和疑惑，学生就带着这些挑战和疑惑来到未来课堂的物理学习空间，在教师的指导下通过信息技术支持下的同侪互助、自主探究等方式对挑战和疑惑进行整理与解决。课后，学生根据教师提出的建议和自己在课中开展的活动，进行深度反思，将反思的过程及收获上传至智能学习平台，以此促进元认知的提升。此方式对应计算思维操作定义中的有序的学习步骤，也称为自动化活动。

5.有效的解决方案

学生在未来课堂的智能学习平台中，采用翻转课堂的方式对需要掌握的知识进行学习，当学生具备了相关的知识后，就可以利用知识来解决问题。由于在创客空间中遇到的问题多数为较为复杂的问题，因此，教师可利用未来课堂环境中灵活的桌椅排列，以四至六人为一小组，采用小组协作和个性化学习相结合的方式对问题的解决方案进行讨论并给出有效的解决途径。问题解决方案的讨论既可在物理的未来课堂中，也可借助智能学习平台。在物理的未来课堂环境中，教师给每个小组分配一个大屏，每小组以角色扮演的方式利用学习到的知识，对问题各抒己见，然后由小组长将问题汇总，逐一呈现在本组所对应的大屏上。经过讨论，本组确定问题的解决方案，由汇报员将本组的解决方案展示给教师及其他小组，并听取他们的意见。未来课堂中的信息技术，为以小组协作、个性化学习等方式解决问题提供了非常便利的条件，因此，它对应计算思维操作定义中的获得有效解决方案环节。

6.促进迁移

对于后续遇到类似或复杂程度略有提升的问题，学生能否制订合理的解决策略，反映了学生的迁移能力是否有所提高。学生的迁移能力可以通过量化的精准测评和质变的创新作品等方式得出。精准测评是指学生登录未来课堂智能平台，完成结构化的试题，教师再根据答题情况计算学生的成绩，这样以量化方式得出学生的迁移能力值。创新作品则是指根据学生后续所开发设计的机器人、无人机、3D打印等信息技术支持下的新型智能作品的效能、外观、品质等，对学生的计算思维实际运用能力给出一个质性的评价。

结语

本文从实际的未来课堂学习空间出发，基于建构主义理论，以计算思维的操作性定义为依据，开发设计了未来课堂环境下的计算思维培养策略。当前，此培养策略仅是理论意义上的推演，若要验证其实际的效能，仍需进行充分的教学实验，以理论与实践相结合的方式得出该培养策略的有效性。

参考文献：

[1]中华人民共和国中央人民政府.国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2]张剑平.关于人工智能教育的思考[J].电化教育研究，2003（01）：24-28.

[3]张际平，陈卫东.教学之主阵地：未来课堂研究[J].现代教育技术，2010，20（10）：44-50.

作者简介：刘勉，副研究员，博士，研究方向为未来课堂、人工智能、教学模式、思维可视化。

基金项目：四川省教育信息技术研究“十四五”规划2021年度课题“高等院校实训教学中的精细动作自动识别研究”（立项号：川教馆〔2021〕226）；四川义务教育高质量发展研究中心2023年度立项课题“智能教育境域下的小学生计算思维培养策略研究——以达州市Y小学为例”（课题编号：YWZD-2023-14）；达州市教育科研2022年度立项课题“‘双减’背景下小学生计算思维培养策略研究”（课题编号：DZL2022032）。