面向计算思维培养的高中人工智能课程PBL教学模式研究

总第338期
2020年5
月面向计算思维培养的
高中人工智能课程PBL教学模式研究
吴宪辰 刘 奎
摘　要：根据高中人工智能课程的教学目标、教学任务以及高中生的认知特点，高中人工智能的教学宜采用基于问题学习(PBL)的教学模式培养学生的计算思维。

尝试构建一个基于PBL 的教学模型，并通过教学实践将计算思维的一系列方法运用到具体的教学过程中，验证该模型在培养学生计算思维方面的可行性。

关键词：人工智能；PBL 教学；计算思维；教学模式
作者简介：吴宪辰，硕士，中教一级；通讯作者：刘奎，硕士，中教一级。

山东省济宁市育才中学，272000
基金项目：济宁市教育科学“十三五”规划2019年度课题《基于计算思维培养的高中人工智能课程研究》(编号：2019NG382)；济宁市电教馆“十三五”教育技术研究课题2017年度课题《高中机器人教育课堂教学设计研究》。

随着信息化的全面推进，计算思维已经成为人们认识和解决问题的重要思维方式之一。

基于问题的学习(Problem-based Learning ，简称PBL)是一种以问题为核心开展课堂教学的教学模式，它以提升学生问题解决能力为教学目标[1]。

而人工智能课程的核心价值在于培养学生的核心素养，培养学生解决问题和创新创造能力。

因此，在高中人工智能课程中，采用PBL 教学模式培养学生的计算思维是可行的。

一、计算思维与人工智能课程1.计算思维的概念
2006年，美国卡内基-梅隆大学周以真教授提出了计算思维的概念：“计算思维是涵盖了计算机科学领域中所采用的最广泛的心理工具，是对问题解决、系统设计、人类行为理解的综合能力反映。

[2]”当今世界，信息技术日新月异，数字化、网络化、智能化高速发展。

计算思维是信息化时代人人必备的基本思维方式，也是学生所应具有的核心素养。

在信息技术领域，“具备计算思维的学生，能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据。

通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案。

总结利用计算机解决问题的过程与方
法，并迁移到与之相关的其他问题解决中。

[3]”
2.人工智能课程内容与培养目标
在《普通高中信息技术课程标准(2017年版)》中，人工智能已经作为信息技术课程体系六个教学模块之一而存在。

高中的人工智能课程是一门融知识、技能、人文于一体的课程。

课程的内容模块包括：(1)体验人工智能；(2)理解人工智能；(3)实现人工智能。

在人工智能课程中发展学生的计算思维，需要引导学生理解信息化社会系统，掌握计算思维的一些方法和模型，一步步熟练
运用计算思维解决问题，进而将这种思维方式合理地应用于生活和工作中。

3.计算思维与PBL 教学
PBL 教学模式以问题为基础展开教学过程。

它强调把教师的教与学生的学置入一个贴近生活的问题情境中，教师创设相应的资源与学习策略，引导学生通过自主探究、合作交流解决复杂的、真实的问题，学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力[4]。

人工智能领域的研究成果很多都是以提出问题、分析问题、解决问题和得出结论为模式而发展起来的，而这恰好与PBL 的流程相吻合。

因此，在人工智能教学中，PBL 教学模式有助于培养学生的计算思维
课程改革与教学研究
能力。

二、面向计算思维培养的PBL教学模式构建
1.信息技术支持下的PBL教学模式
PBL教学模式有利于培养学生的问题解决能力，是目前教育界较为推崇的一种教学方式。

在信息化环境中，如网络资源的检索和呈现、教学活动的跨时空组织以及教学交互的即时性等，都为开展PBL教学提供了得天独厚的有利条件，也为计算思维训练提供了新平台。

信息化环境下的PBL教学模式包括四个核心要素：教师、学生、问题、信息化环境[4]。

表明在信息化教学环境支持下，教师将要解决的与教学内容相关的问题进行相关处理，尽量贴近学生生活实际，创设应用情境，然后通过教师与学生的双向交互活动，最终解决问题。

2.PBL教学模式的计算思维模型构建
基于PBL教学模式的计算思维培养是以问题作为教学的起点，并围绕问题展开教学活动。

学生在教师的指导下，借助于网络学习平台和网络资源，运用计算思维的系列方法收集学习资源、提出问题、规划问题解决方案、解决问题、拓展迁移、内化知识，在解决问题的过程中增强创新实践能力。

这种模式有助于培养学生自主学习能力和创新能力，是开展人工智能教学、培养计算思维的最佳方式。

笔者在总结借鉴众多专家学者观点的基础上，结合教学实际和学生需求，构建了信息化环境下培养计算思维的PBL教学模型，如图1所示。

图1　信息化环境下培养计算思维的PBL教学模型
(1)根据问题情境　设计教学内容
“学起于思，思源于疑”。

学生的积极思考，主动探索往往是从疑问开始，这就要求教师应用各种方式创设问题情境，以激发学生的好奇心和求知欲。

在PBL教学模式中，教师将根据教学目标和任务，以培养计算思维为出发点，精心设计问题和教学案例，针对教学内容的重难点设置问题，使学生在问题驱动下积极思考、自主探究、合作交流、解决问题，改变思维方式，获得知识学习和问题求解的能力。

(2)问题解决　提高计算思维能力
在教学实施过程中，教师针对问题进行提示，需要为学生提供适合提问、寻找相关解决问题的信息资源以及进一步思考提问的网络学习平台，引导学生运用计算思维的相关概念、方法对问题进行合理分析和解决，从而能较好地提升计算思维的能力及水平。

在问题实施的过程中，教师要充分尊重学生的主体地位，给予充分的自主权，包括计划的制订、修改、设计、反思、重构和评估等。

(3)评价与反思
教师需要引导学生对知识掌握程度、思维能力提高水平以及知识迁移能力进行有效的评价和反思，从而产生改进优化的需求，激发新的学习动机。

教师引导学生通过不断的反思产生不同的反馈，不断对任务实施过程进行把控、调整和优化，以不同的形式展示其学习成果，螺旋式提升学生的知识建构水平和计算思维能力[4]。

三、面向计算思维培养的高中人工智能课程教学实践案例
根据上述所提出的计算思维PBL教学模型，笔者就智能机器人《超市购物》这一课的教学内容展开实践研究。

本课教学内容是我校校本课程智能机器人的第三章《超市购物》主题的第二课时。

教学任务是通过机器人超市购物项目的实施，掌握利用双灰度传感器感知行走的轨迹以及利用超声波传感器感知物品，完成沿着固定路线行走，实现一定程度的模拟购物任务。

学生在解决
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期2020年5月
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月实际问题的过程中，完成知识的构建，并通过算法与编程实现计算思维的培养。

如图2所示。

图2　智能机器人超市购物图
1.收集资料　创设问题情境
教师根据教学内容和任务，创设与知识点相关的问题情景，精心设计面向计算思维培养的生活化问题。

超市购物是学生非常熟悉的情景，选取智能机器人超市购物这一问题可充分调动学生学习的主动性。

这一环节提供了智能机器人相关知识与行为特征的视频资料，供学生学习了解。

2.分析问题　建构模型
教学的第二环节是分析问题，建构模型。

教师引导学生观察情境图片，分析思考，根据前面提供的智能机器人相关行为视频资料，得出机器人行走的路线，初步构建任务模型。

学生根据任务模型绘制机器人完成超市购物的程序流程图。

3.实践探究　解决问题
教学过程中的第三环节是学生通过实践探究解决问题。

兼顾考虑教学资源与学生团队合作能力培养，教师对学生进行分组并指定一名动手能力较强的学生作为组长，要求以组为单位进行探究。

教师引导各小组根据事先设计好的流程图编写机器人超市购物的程序，学生进行实践体验，运行机器人，根据运行结果不断修改、调试优化程序，选取最优方案。

在这一过程中，教师要特别注意调动小组所有成员的参与性，鼓励小组成员积极思考、交流，指出其他成员错误或不足的地方，在良好的合作氛围中共同学习，共同进步。

4.经验总结　提炼算法
教学过程中的第四环节是组织学生展示作品，交流经验与心得，总结、归纳所学知识，各小组对其在问题解决过程中遇到的问题及解决方法进行汇报，展示作品成果，其他小组可对照进行小结、反思，并通过自由
提问、提出建议等方式总结经验，提炼算法精髓，培养计算思维。

5.拓展延伸　发散思维
教学过程中的最后一个环节是学生优化创新作品，将所学应用于实际生活，解决现实问题，实现知识拓展与思维的延伸。

教师课件展示两组图片及视频，呈现一
个场景(物流机器人装卸场景)：机器人能更加高效地选购物品。

鼓励学生根据自己的想法对原有的作品进一步完善，利用已有知识或网上查阅资料等多种途径尝试实现自己的想法。

该案例的教学实践结果验证了基于PBL 教学模式的计算思维培养模型的教学效果。

引导学生更好地解决问题，达到提高教学效果和培养学生计算思维的目的，打造了一个有利于培养学生核心素养的高效课堂。

四、结语
人工智能逐步渗透生活并改变着人们的思维方式，将其应用于高中信息技术教学中有着非常重要的意义，不仅可以发展学生在数字化社会独特的思维方式——计算思维，而且还将实现教学效率的全面提升。

在人工智能课程中，笔者对PBL 教学模式应用于计算思维的培养进行了实践研究，从教学效果来看，利用PBL 教学模式培养计算思维是可行且高效的，希望其能为高中人工智能教学的研究提供一些参考和借鉴。

参考文献
[1] 刘晓玉.面向计算思维培养的中学信息技术PBL 教
学模式研究[J].中国信息技术教育,2018(1):34-36.[2] 李锋,王吉庆.计算思维:信息技术课程的一种内
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[3] 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.[4] 马玉慧,生诗蕊.基于PBL 教学模式的计算思维培养
模式研究[J].辽宁教育行政学院学报,2016(2):74-77.[5] 邹帆.计算思维导向的大学计算机基础PBL 教学
模式研究[J].计算机教育,2017(12):81-85.。