摘要：本文基于計(jì)算思維三維框架（計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀念）和任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的任務(wù)分類（封閉性任務(wù)、半開(kāi)放性任務(wù)、開(kāi)放性任務(wù)）構(gòu)建面向計(jì)算思維培養(yǎng)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式編程教學(xué)模型，并以“火柴棒擺數(shù)字”問(wèn)題為例進(jìn)行編程實(shí)踐。實(shí)踐證明，通過(guò)該模型進(jìn)行教學(xué)對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維有一定的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；任務(wù)驅(qū)動(dòng)；Python編程

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）24-0058-04

問(wèn)題的提出

隨著《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的落地，計(jì)算思維的培養(yǎng)和貫徹已成為全學(xué)段的教學(xué)目標(biāo)。因此，信息技術(shù)課程應(yīng)從“知識(shí)本位”轉(zhuǎn)變成“育人為本”[1]，不再僅僅注重操作性的知識(shí)習(xí)得，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，特別是在編程教育中培養(yǎng)計(jì)算思維能力顯得尤為重要。

具身認(rèn)知理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一個(gè)心智、身體與環(huán)境間保持動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，強(qiáng)調(diào)認(rèn)知的情境性和身體性。[2]因此，在高中信息技術(shù)課堂教學(xué)中，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，并設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的實(shí)踐任務(wù)，幫助學(xué)生形成連貫的學(xué)習(xí)內(nèi)容和提升計(jì)算思維能力。而信息技術(shù)課程中最常用的教學(xué)方法是任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，即學(xué)生根據(jù)恰當(dāng)?shù)娜蝿?wù)設(shè)置，在協(xié)作探究式學(xué)習(xí)中激活思維，運(yùn)用已有的知識(shí)技能并結(jié)合新的知識(shí)去完成任務(wù)。所以，面向計(jì)算思維培養(yǎng)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)就是為了使學(xué)生在真實(shí)的問(wèn)題情境中學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)踐任務(wù)形成連貫的知識(shí)體系，并在解決問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)展計(jì)算思維能力，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)和未來(lái)職業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

教學(xué)模型構(gòu)建

1.計(jì)算思維的三維框架

在教育教學(xué)過(guò)程中，對(duì)教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定往往圍繞知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三維目標(biāo)展開(kāi)。而在計(jì)算思維眾多定義中，與三維目標(biāo)較為呼應(yīng)的是2012年美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT）終身幼兒園研究小組（Lifelong Kindergarten Group）開(kāi)發(fā)出的計(jì)算思維三維框架，它包含了三個(gè)維度：一是計(jì)算概念，指編程中使用到的概念，如順序、循環(huán)、事件等；二是計(jì)算實(shí)踐，指編程完成作品的過(guò)程和方法，如遞增和重復(fù)、測(cè)試和調(diào)試、再利用和再創(chuàng)作等；三是計(jì)算觀念，指編程后人格塑造和思維習(xí)慣的學(xué)習(xí)結(jié)果，如表達(dá)、聯(lián)系和質(zhì)疑。[3]教育教學(xué)的三維目標(biāo)和計(jì)算思維的三維框架在核心理念中呈現(xiàn)了高度的契合性，知識(shí)與技能的培養(yǎng)實(shí)則為計(jì)算概念的學(xué)習(xí)，過(guò)程與方法的培養(yǎng)實(shí)則為計(jì)算實(shí)踐的訓(xùn)練，情感態(tài)度與價(jià)值觀實(shí)則為計(jì)算觀念的培養(yǎng)，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系印證了計(jì)算思維三維框架的全面性和科學(xué)性。

2.任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的概念及任務(wù)分類

任務(wù)驅(qū)動(dòng)法就是教師將教學(xué)內(nèi)容融入到任務(wù)中，學(xué)生在完成任務(wù)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)資源的積極主動(dòng)應(yīng)用，進(jìn)行自主探索和互動(dòng)協(xié)作學(xué)習(xí)，并在完成既定任務(wù)的同時(shí)，進(jìn)行知識(shí)的意義建構(gòu)。任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的特點(diǎn)可以概括為以任務(wù)為主線、以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體，確定任務(wù)是核心，怎樣驅(qū)動(dòng)是關(guān)鍵，信息素養(yǎng)是目的。[4]根據(jù)任務(wù)的開(kāi)放程度可以將任務(wù)分成封閉性任務(wù)、半開(kāi)放性任務(wù)、開(kāi)放性任務(wù)。[5]在編程教學(xué)中，封閉性任務(wù)表示的是答案唯一的情況，如教師通過(guò)預(yù)設(shè)好的問(wèn)題讓學(xué)生學(xué)習(xí)新的編程概念和知識(shí)；半封閉性任務(wù)表示的是答案不唯一但有參考的情況，如學(xué)生根據(jù)已有的代碼進(jìn)行完善或者0478ba9abc93b0405f5a8042a3709232改寫；開(kāi)放性任務(wù)表示的是答案不唯一且沒(méi)有參考代碼，學(xué)生需要自主設(shè)計(jì)算法并完成代碼的編寫。因此，三種不同任務(wù)的使用場(chǎng)景以及學(xué)習(xí)目標(biāo)各有側(cè)重，需要適時(shí)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

3.面向計(jì)算思維培養(yǎng)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式編程教學(xué)模型構(gòu)建

筆者根據(jù)計(jì)算思維的三維框架、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法中的三種任務(wù)以及編程教學(xué)的實(shí)際情況構(gòu)建了教學(xué)模型，具體內(nèi)容如圖1所示。

教學(xué)模型實(shí)施

教科版《必修1 數(shù)據(jù)與計(jì)算》主要的教學(xué)內(nèi)容是圍繞Python語(yǔ)言展開(kāi)，下面，筆者以第二單元中《可以復(fù)用的代碼》一節(jié)中的“火柴棒擺數(shù)字”為例進(jìn)行說(shuō)明。

1.教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、真實(shí)情境導(dǎo)入

在《可以復(fù)用的代碼》一節(jié)中，學(xué)生需要了解函數(shù)的作用、使用函數(shù)的定義和調(diào)用方法，因此筆者將項(xiàng)目目標(biāo)設(shè)置為：用函數(shù)定義的形式編寫代碼，解決火柴棒擺數(shù)字的問(wèn)題。在常規(guī)教學(xué)中，教師通常以直接講授知識(shí)點(diǎn)的方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，但這樣會(huì)使很多學(xué)生無(wú)法跟上學(xué)習(xí)進(jìn)度，從而失去學(xué)習(xí)興趣，而生動(dòng)的情境能引起學(xué)生積極的情緒體驗(yàn)，使其更好地投入到學(xué)習(xí)中。因此，教師可以創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，引導(dǎo)學(xué)生用實(shí)物火柴棒擺數(shù)字，使學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)物進(jìn)行操作，提升學(xué)習(xí)興趣。

2.任務(wù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、合作探究學(xué)習(xí)

用火柴棒擺0～9十個(gè)數(shù)字分別需要多少根火柴棒？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，教師可以將具體的數(shù)字存入列表中，通過(guò)對(duì)列表的操作調(diào)用所需的火柴棒數(shù)，學(xué)生比較好理解，但是對(duì)于任意自然數(shù)所需要的火柴棒數(shù)以及固定數(shù)量的火柴棒數(shù)可以擺出的自然數(shù)的問(wèn)題，學(xué)生較難理解，因此，筆者設(shè)置了分層次的驅(qū)動(dòng)性任務(wù)，讓學(xué)生在從易到難的探究中習(xí)得知識(shí)。

（1）封閉性任務(wù)設(shè)計(jì)——一位數(shù)所需要的火柴棒數(shù)

一位數(shù)需要的火柴棒數(shù)只需要調(diào)用列表的內(nèi)容即可，列表的小標(biāo)正好對(duì)應(yīng)數(shù)字，而列表的內(nèi)容正好對(duì)應(yīng)該數(shù)字所需的火柴棒數(shù)，所以先定義列表，然后調(diào)用列表即可求出一位數(shù)需要的火柴棒數(shù)，這段代碼可以讓學(xué)生復(fù)習(xí)“代碼的定義及調(diào)用”。但是本節(jié)課是學(xué)習(xí)可以復(fù)用的代碼，所以需要將一位數(shù)需要的火柴棒數(shù)的代碼定義為函數(shù)，并且輸入一位數(shù)進(jìn)行調(diào)用，“？”表示要求學(xué)生填寫代碼的部分，主要學(xué)習(xí)“函數(shù)定義的關(guān)鍵詞def”和“返回值return”以及“函數(shù)調(diào)用的代碼”，具體代碼如圖2所示。

（2）半封閉性任務(wù)設(shè)計(jì)——6根火柴棒能擺出的自然數(shù)

對(duì)于6根火柴棒能擺出的自然數(shù)，學(xué)生需要將問(wèn)題進(jìn)行分解，即先確定6根火柴棒能擺出的自然數(shù)的最大值111和最小值0，然后判斷這些數(shù)字哪些是需要6根火柴棒的，這樣就將問(wèn)題轉(zhuǎn)換成了任意數(shù)需要的火柴棒數(shù)，從0到111建立循環(huán)，對(duì)每個(gè)數(shù)都要判斷需要的火柴棒數(shù)是不是等于6，這就需要定義函數(shù)，學(xué)生體會(huì)到了函數(shù)的應(yīng)用和使用場(chǎng)景。既然要求任意數(shù)需要的火柴棒數(shù)，其實(shí)可以分解為一位數(shù)需要的火柴棒數(shù)，那么只需要將任意數(shù)的每一位數(shù)字進(jìn)行拆解，然后對(duì)需要的火柴棒數(shù)求和即可（如圖3）。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)探究，根據(jù)一位數(shù)所需火柴棒數(shù)的代碼以及數(shù)字分解的代碼，自主完成6根火柴棒能擺出的自然數(shù)代碼的編寫。

（3）開(kāi)放性任務(wù)設(shè)計(jì)——擺出特殊的數(shù)所需的火柴棒數(shù)

開(kāi)放性任務(wù)中不提供參考代碼，學(xué)生根據(jù)已學(xué)的知識(shí)進(jìn)行自主探索。首先，學(xué)生確定要擺出的數(shù)字類型，如水仙花數(shù)、四葉玫瑰數(shù)、五角星數(shù)等，然后查詢?cè)摂?shù)的特征，并且定義判斷符合數(shù)字特征的函數(shù)。接著，基于前面火柴棒擺數(shù)字掌握的知識(shí)，學(xué)生嘗試編寫當(dāng)前程序，并且調(diào)試運(yùn)行。

3.學(xué)習(xí)交流評(píng)價(jià)、代碼調(diào)試優(yōu)化

在編程教學(xué)的實(shí)踐中，每個(gè)學(xué)生都積極投入到編寫代碼解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，所以最終每個(gè)小組都會(huì)形成Python代碼作品集。在每一個(gè)任務(wù)完成之后，學(xué)生會(huì)在編程記錄上記錄代碼調(diào)試過(guò)程、出現(xiàn)的新問(wèn)題以及解決問(wèn)題的過(guò)程，最后還會(huì)對(duì)Python作品進(jìn)行評(píng)價(jià)（自評(píng)、互評(píng)、教師評(píng)價(jià)），每個(gè)作品根據(jù)自評(píng)、小組互評(píng)和教師評(píng)價(jià)的分?jǐn)?shù)記錄平均得分以及修改意見(jiàn)，每個(gè)小組根據(jù)修改意見(jiàn)對(duì)自己的代碼進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，使其更加完善和高效。

教學(xué)模型應(yīng)用

通過(guò)為期一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，筆者從計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念三個(gè)方面對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展進(jìn)行分析。①計(jì)算概念。對(duì)Python基礎(chǔ)概念的前后測(cè)試的平均分進(jìn)行分析，從變量與數(shù)據(jù)類型、判斷與循環(huán)、隊(duì)列與棧、迭代與遞歸五個(gè)方面設(shè)計(jì)測(cè)試卷，滿分設(shè)置為100分，教學(xué)前后學(xué)生的平均得分從35分提升到了85分，可以說(shuō)明在教學(xué)前學(xué)生幾乎沒(méi)有任何編程基礎(chǔ)，在經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)之后，對(duì)Python的基礎(chǔ)概念有了較好的掌握。②計(jì)算實(shí)踐。在教學(xué)過(guò)程中，筆者每節(jié)課都收集學(xué)生的Python作品，并結(jié)合學(xué)生的編程過(guò)程記錄單和作品評(píng)價(jià)單對(duì)學(xué)生的編程行為進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在寫代碼前會(huì)對(duì)自己的作品進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，在編程過(guò)程中也會(huì)不斷地迭代改進(jìn)，大多數(shù)學(xué)生能獨(dú)立思考并解決調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題，說(shuō)明學(xué)生解決問(wèn)題的能力得到了提高。同時(shí)，學(xué)生會(huì)基于生活的已有經(jīng)驗(yàn)，或者考察他人作品，整合多項(xiàng)資源進(jìn)行再創(chuàng)作，也會(huì)將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題和想法轉(zhuǎn)換成編程問(wèn)題進(jìn)行探究，具備了計(jì)算實(shí)踐能力。③計(jì)算觀念。課后，筆者與學(xué)生進(jìn)行面談，以此了解學(xué)生學(xué)習(xí)Python語(yǔ)言的目的及想法。交談后發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生將Python語(yǔ)言作為創(chuàng)作及表達(dá)想法的一種工具，在編程過(guò)程中通過(guò)與他人交流和聯(lián)系，對(duì)代碼不斷地優(yōu)化，創(chuàng)造出性能更優(yōu)的程序，但也有少部分學(xué)生對(duì)編程存在質(zhì)疑，不清楚學(xué)習(xí)編程的目的。

結(jié)語(yǔ)

計(jì)算思維的培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期而復(fù)雜的過(guò)程，需要教師加強(qiáng)教學(xué)理論的學(xué)習(xí)以及在教學(xué)實(shí)踐中不斷探索和創(chuàng)新。本研究也存在一些不足：一是時(shí)間把控問(wèn)題，學(xué)習(xí)任務(wù)一個(gè)課時(shí)無(wú)法完成，到下一課時(shí)再探究就失去了連貫性，影響探究效果；二是進(jìn)度問(wèn)題，不同小組完成作品的快慢，會(huì)導(dǎo)致小組之間的比較，從而影響學(xué)習(xí)體驗(yàn)。因此，在接下來(lái)的研究和教學(xué)中，筆者將繼續(xù)深入研究計(jì)算思維的內(nèi)涵和外延，完善面向計(jì)算思維培養(yǎng)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式編程模型，以更好地適應(yīng)不同學(xué)生的需求和發(fā)展，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

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作者簡(jiǎn)介：楊鉛，本科，二級(jí)教師。

本文系江蘇省教育學(xué)會(huì)“十四五”教育科研規(guī)劃2022年度立項(xiàng)課題“基于Minecraft游戲的結(jié)對(duì)編程教學(xué)實(shí)踐研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：22A04JSSZ254）的階段性成果。