鐘建業(yè)

摘要：學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，信息技術(shù)學(xué)科的學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)核心要素組成，其中計(jì)算思維作為最具學(xué)科特色的核心素養(yǎng)，在一定程度上順應(yīng)了課程改革的要求，對(duì)發(fā)展信息技術(shù)學(xué)科意義重大。

本研究以落實(shí)計(jì)算思維培養(yǎng)為目標(biāo)，基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)操作流程、計(jì)算思維解決問(wèn)題的一般過(guò)程、計(jì)算思維核心方法的分析，提出基于計(jì)算思維培養(yǎng)的算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐流程和策略，并將基于計(jì)算思維培養(yǎng)的算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐流程和策略應(yīng)用于程序設(shè)計(jì)基本知識(shí)單元的教學(xué)實(shí)踐，檢驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐流程的可操作性和教學(xué)策略的有效性。本研究實(shí)踐表明，基于計(jì)算思維培養(yǎng)的算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐流程具有可操作性，能夠通過(guò)項(xiàng)目學(xué)習(xí)的實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生反復(fù)親歷計(jì)算思維解決問(wèn)題的過(guò)程，有助于計(jì)算思維的培養(yǎng);基于計(jì)算思維培養(yǎng)的算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)策略具有有效性，在一定程度上能夠提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;教學(xué)策略;算法與程序設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2021）S2-0010-04

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）明確了高中信息技術(shù)課程以培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)?；谛抡n程標(biāo)準(zhǔn)的教材，其內(nèi)容設(shè)計(jì)更加注重程序設(shè)計(jì)，通過(guò)程序設(shè)計(jì)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任。

在日常的算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，教師多采用教師講學(xué)生練的教學(xué)模式，側(cè)重于編程語(yǔ)言基本語(yǔ)法和程序基本結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，缺乏在一種真實(shí)問(wèn)題情境下解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)，在信息技術(shù)課堂教學(xué)中教師未能充分提供滿足學(xué)生自主參與、重在動(dòng)手操作的學(xué)習(xí)活動(dòng)，不適應(yīng)培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的需要。如何設(shè)計(jì)有效的學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行算法與程序設(shè)計(jì)的教學(xué)？如何通過(guò)算法與程序設(shè)計(jì)的教學(xué)，有效落實(shí)計(jì)算思維的培養(yǎng)？這些問(wèn)題是高中信息技術(shù)算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)中比較突出和需要解決的問(wèn)題。

計(jì)算思維的內(nèi)涵

計(jì)算思維概念的首次提出者是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的周以真教授，她在2006年的“計(jì)算機(jī)科學(xué)協(xié)會(huì)”（ACM）年會(huì)報(bào)告中明確提出：“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。”2011年國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）給出了計(jì)算思維的可操作性定義：計(jì)算思維是一種解決問(wèn)題的過(guò)程，該過(guò)程包括但不限于問(wèn)題結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)分析、模型構(gòu)建、算法設(shè)計(jì)、方案實(shí)施和應(yīng)用遷移等特征。分析上述定義可以看出，周以真教授是從認(rèn)知結(jié)構(gòu)層面來(lái)定義的，關(guān)注計(jì)算思維的整體性;ISTE和CSTA研究機(jī)構(gòu)則是從計(jì)算思維的表現(xiàn)性來(lái)定義的，更突出培養(yǎng)計(jì)算思維的實(shí)踐性。

普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)基于問(wèn)題解決的視角，將計(jì)算思維定義為：計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。具備計(jì)算思維的學(xué)生，在信息活動(dòng)中能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問(wèn)題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù);通過(guò)判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問(wèn)題的方案;總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問(wèn)題解決中。

計(jì)算思維作為一種思維方式，需要在解決問(wèn)題的過(guò)程中不斷經(jīng)歷分析思考、實(shí)踐求證、反饋調(diào)試而逐步形成。教學(xué)中可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提煉計(jì)算思維的具體過(guò)程與表現(xiàn)，將其作為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的內(nèi)在線索，引導(dǎo)學(xué)生在完成不同項(xiàng)目的情境中，反復(fù)親歷計(jì)算思維的全過(guò)程。

本研究采取普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算思維界定，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在利用程序設(shè)計(jì)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中的思維活動(dòng)。計(jì)算思維的核心方法包括問(wèn)題分解、模式識(shí)別、抽象化、算法四個(gè)方面。

計(jì)算思維培養(yǎng)的基本原則

1.主體性原則

普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中指出，信息技術(shù)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的基本途徑。教師在教學(xué)中要緊緊圍繞學(xué)科核心素養(yǎng)，凸顯“學(xué)主教從、以學(xué)定教、先學(xué)后教”的專業(yè)路徑，把項(xiàng)目整合于課堂教學(xué)中，重構(gòu)教學(xué)組織方式，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生開(kāi)展項(xiàng)目學(xué)習(xí)的數(shù)字化環(huán)境、資源和條件，引導(dǎo)學(xué)生在數(shù)字化學(xué)習(xí)的過(guò)程中，領(lǐng)悟數(shù)字化環(huán)境對(duì)個(gè)人發(fā)展的影響，養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣。有效的計(jì)算思維培養(yǎng)過(guò)程，要充分體現(xiàn)“以人為本”的教學(xué)理念，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性，以學(xué)生為中心，基于學(xué)生的需求設(shè)計(jì)教學(xué)。

2.可視化原則

計(jì)算思維是一種利用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法解決問(wèn)題的思維活動(dòng)過(guò)程，思維活動(dòng)的過(guò)程是不可見(jiàn)的，因此在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的過(guò)程中，需要借助思維可視化工具幫助學(xué)生進(jìn)行思維的外顯。例如，在進(jìn)行任務(wù)分析、問(wèn)題分解或者功能需求分析的時(shí)候，可以利用思維導(dǎo)圖工具，引導(dǎo)學(xué)生思考，設(shè)計(jì)出解決問(wèn)題的流程，達(dá)到較好的計(jì)算思維培養(yǎng)效果。

3.適用性原則

信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)水平是確定教學(xué)目標(biāo)的重要依據(jù)之一，計(jì)算思維素養(yǎng)水平分為四級(jí)，根據(jù)不同的水平標(biāo)準(zhǔn)，在教學(xué)中要選擇合適的內(nèi)容和任務(wù)與之相匹配。高中階段的學(xué)生，存在一定的差異性，因此在教學(xué)實(shí)施的時(shí)候要考慮個(gè)體差異性，考慮學(xué)生的不同水平和風(fēng)格，選擇適合學(xué)生能力水平的項(xiàng)目、貼近學(xué)生生活實(shí)際的任務(wù)，能夠體現(xiàn)計(jì)算思維解決問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)。

計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)施流程

在用計(jì)算機(jī)編程解決問(wèn)題時(shí)，需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，明確問(wèn)題的目標(biāo)和條件等，需要把問(wèn)題進(jìn)行抽象，通過(guò)建模的方式界定和描述問(wèn)題。設(shè)計(jì)方案一般包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，首先根據(jù)需求分析，將問(wèn)題按照求解過(guò)程分解為若干相對(duì)獨(dú)立的功能，每個(gè)功能完成一個(gè)特定的任務(wù)。如果分解的某些功能仍比較復(fù)雜，還可以再進(jìn)行細(xì)分。編程調(diào)試就是利用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言描述算法，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題求解的過(guò)程。

利用計(jì)算思維解決問(wèn)題的一般過(guò)程為：第一，確定問(wèn)題，并明確該問(wèn)題能夠利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行解決;第二，組織、分析數(shù)據(jù)，合理組織數(shù)據(jù);第三，抽象問(wèn)題，建立結(jié)構(gòu)模型;第四，運(yùn)用合理的算法形成解決問(wèn)題的方案;第五，實(shí)施方案，識(shí)別并分析出最優(yōu)方案;第六，總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問(wèn)題解決中。根據(jù)利用計(jì)算機(jī)編程解決問(wèn)題的一般過(guò)程和計(jì)算思維解決問(wèn)題的一般過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算思維解決問(wèn)題的最終目的是找到最優(yōu)的解決方法，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維需要遵循一定的流程。

項(xiàng)目學(xué)習(xí)的操作流程，通常包括項(xiàng)目分析、項(xiàng)目規(guī)劃、活動(dòng)探究、作品制作、成果交流和項(xiàng)目評(píng)價(jià)六個(gè)步驟。結(jié)合項(xiàng)目學(xué)習(xí)的操作流程、計(jì)算思維解決問(wèn)題的一般過(guò)程、計(jì)算思維的核心方法，筆者設(shè)計(jì)了在算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)中基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)施流程，如下圖所示。

教師在項(xiàng)目學(xué)習(xí)的過(guò)程中起主導(dǎo)作用，其主要任務(wù)是：第一，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，提出項(xiàng)目，明確單元的學(xué)習(xí)目標(biāo);第二，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃、任務(wù)分析、問(wèn)題分解，做好任務(wù)分工指導(dǎo)，明確項(xiàng)目學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);第三，啟發(fā)學(xué)生積極思考，通過(guò)方法引領(lǐng)進(jìn)行問(wèn)題抽象，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建問(wèn)題模型;第四，創(chuàng)設(shè)數(shù)字化學(xué)習(xí)的環(huán)境，為學(xué)生提供豐富的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，通過(guò)知識(shí)點(diǎn)撥的方式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí);第五，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督和個(gè)別指導(dǎo)，促使學(xué)生不斷修改完善作品，組織學(xué)生進(jìn)行成果的交流和展示;第六，對(duì)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行回顧、總結(jié)和提升，從多個(gè)維度對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，反思自己的教學(xué)。

學(xué)生是計(jì)算思維培養(yǎng)活動(dòng)的主體，其主要任務(wù)是：第一，基于真實(shí)的項(xiàng)目情境，明確研究的選題，在教師的引導(dǎo)下，借助思維導(dǎo)圖工具，進(jìn)行項(xiàng)目產(chǎn)品的需求分析和功能分析;第二，在明確功能和需求分析的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行任務(wù)分析和問(wèn)題分解，做好項(xiàng)目實(shí)施的具體規(guī)劃;第三，針對(duì)每一個(gè)子任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的問(wèn)題分解，將具體的問(wèn)題抽象為計(jì)算機(jī)解決的問(wèn)題，利用合適的方法進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)與描述，提出初步的方案;第四，借助教師提供的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)和問(wèn)題的探究，編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，不斷調(diào)試程序，優(yōu)化解決方案;第五，展示項(xiàng)目學(xué)習(xí)成果，分享研究思路和項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的學(xué)習(xí)收獲、遇到的問(wèn)題及其解決過(guò)程;第六，根據(jù)項(xiàng)目評(píng)價(jià)量規(guī)進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，總結(jié)和反思自己的學(xué)習(xí)過(guò)程，對(duì)其他同學(xué)的成果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)和反饋，并能提出修改完善的意見(jiàn)和建議。

計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)策略

1.基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的項(xiàng)目情境

信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)是個(gè)體在面對(duì)復(fù)雜的、不確定的現(xiàn)實(shí)生活情境時(shí)，綜合運(yùn)用特定學(xué)習(xí)方式下所孕育出來(lái)的信息技術(shù)學(xué)科觀念、思維模式和探究技能，結(jié)構(gòu)化的信息技術(shù)學(xué)科知識(shí)和技能，世界觀、人生觀和價(jià)值觀在內(nèi)的動(dòng)力系統(tǒng)，在分析情境、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題、交流結(jié)果過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的綜合性品質(zhì)。算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)必須基于真實(shí)的問(wèn)題情境來(lái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，讓學(xué)生在完成項(xiàng)目的過(guò)程中，能夠真實(shí)地體驗(yàn)利用計(jì)算思維解決真實(shí)問(wèn)題的一般過(guò)程，只有這樣才能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

2.基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)，做好項(xiàng)目規(guī)劃和任務(wù)分解

俗話說(shuō)，磨刀不誤砍柴工。做事之前，必須弄明白事情的來(lái)龍去脈，厘清解決問(wèn)題的思路，這樣才能很好地找到問(wèn)題解決的方案，從而有效解決問(wèn)題?；谡鎸?shí)項(xiàng)目情境的產(chǎn)品需求分析和功能分析是項(xiàng)目學(xué)習(xí)順利開(kāi)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要教師引導(dǎo)學(xué)生借助思維可視化工具，將思維過(guò)程外顯，借助項(xiàng)目規(guī)劃書(shū)將思維成果記錄下來(lái)，作為項(xiàng)目順利推進(jìn)的基礎(chǔ)。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生要經(jīng)歷將項(xiàng)目拆解為子任務(wù)、將任務(wù)分解為具體問(wèn)題的思維過(guò)程，通過(guò)這樣一個(gè)項(xiàng)目規(guī)劃和任務(wù)分解的過(guò)程，才能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題分解的能力

3.基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)，將任務(wù)驅(qū)動(dòng)與教師講授相結(jié)合

基于真實(shí)的項(xiàng)目進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，并不意味著摒棄任務(wù)驅(qū)動(dòng)和教師講授，項(xiàng)目學(xué)習(xí)往往是基于一個(gè)單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施的，通常會(huì)需要多個(gè)課時(shí)來(lái)完成一個(gè)項(xiàng)目。在項(xiàng)目實(shí)施推進(jìn)的過(guò)程中，在具體到單個(gè)課時(shí)的時(shí)候，依然可以采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，基于學(xué)生提前規(guī)劃好的項(xiàng)目任務(wù)，通過(guò)完成任務(wù)來(lái)達(dá)到知識(shí)學(xué)習(xí)的目的，在思路引領(lǐng)和方法指導(dǎo)的過(guò)程中，也需要教師進(jìn)行相應(yīng)的講授來(lái)處理一些比較難以理解的內(nèi)容。

4.提供豐富的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源

課程標(biāo)準(zhǔn)在教學(xué)建議中強(qiáng)調(diào)，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)有利于學(xué)生開(kāi)展項(xiàng)目學(xué)習(xí)的數(shù)字化環(huán)境、資源和條件，引導(dǎo)學(xué)生在數(shù)字化學(xué)習(xí)的過(guò)程中，領(lǐng)悟數(shù)字化環(huán)境對(duì)個(gè)人發(fā)展的影響，養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣。在基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)過(guò)程中，學(xué)生需要借助大量的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)。由于學(xué)生所選項(xiàng)目主題不同、功能設(shè)計(jì)不同，學(xué)生在實(shí)施項(xiàng)目的過(guò)程中會(huì)遇到不同的問(wèn)題，因而提出不同的知識(shí)和技術(shù)需求，教師需要圍繞實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目產(chǎn)品功能的核心知識(shí)和技術(shù)提供豐富的支架式學(xué)習(xí)資源，滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。例如，可以利用在線學(xué)習(xí)平臺(tái)開(kāi)展混合式學(xué)習(xí)，給學(xué)生提供閱讀材料、微視頻、學(xué)案、作品樣例等數(shù)字化學(xué)習(xí)資料。

5.多元化評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)過(guò)程與成果

高中信息技術(shù)課程在日常學(xué)習(xí)中的過(guò)程性評(píng)價(jià)應(yīng)圍繞信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)展開(kāi)，所選擇的評(píng)價(jià)維度要能充分體現(xiàn)學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)水平。在課程實(shí)施過(guò)程中采取目標(biāo)與過(guò)程并重的策略，記錄學(xué)生的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)過(guò)程，評(píng)價(jià)時(shí)盡量體現(xiàn)出學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中各方面能力的提升情況。在開(kāi)展計(jì)算思維培養(yǎng)活動(dòng)前，教師先通過(guò)診斷性評(píng)價(jià)確定學(xué)生初始計(jì)算思維能力，為開(kāi)展計(jì)算思維培養(yǎng)活動(dòng)做好鋪墊;在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案做出形成性評(píng)價(jià)，促進(jìn)學(xué)生優(yōu)化算法;在教學(xué)活動(dòng)最后，師生共同參與的總結(jié)性評(píng)價(jià)，評(píng)定學(xué)生對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成效果。

結(jié)語(yǔ)

高中信息技術(shù)課程以培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)。計(jì)算思維的培養(yǎng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在信息技術(shù)課程教學(xué)過(guò)程中需要長(zhǎng)時(shí)間地浸潤(rùn)。筆者基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)操作流程，結(jié)合計(jì)算思維解決問(wèn)題的一般過(guò)程，提出的基于計(jì)算思維培養(yǎng)的算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐流程，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明具有可操作性，有助于計(jì)算思維的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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