基于計算思維的高中信息技術項目教學模式研究

張長水

“計算”是數字化人工智能時代的一個顯著標志，在社會的各個領域計算的強度也日益提升。計算機作為信息技術迅猛發展的核心工具，無時無刻不在以一種計算的方式存在，人們也隨時隨地通過計算機進行信息訪問和計算服務，這從根本上改變了人們的生活和工作方式。

“計算思維”作為蘊含于計算機科學中對人們現在和未來產生深遠影響的一種思維方式，已被認為是當代每一個人應掌握的普適技能，并被提升到全民素養高度。在教育等眾多領域，計算思維被認為是解決問題和創造新事物的必備技能之一。

《普通高中信息技術課程標準（2017 年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）將“計算思維”列為四大核心素養之中樞?！靶抡n標”倡導基于“項目”的學習方式，將知識建構、技能培養與思維發展融入到運用數字化工具解決問題和完成任務的過程中，全面提升信息素養[1]2。因此，在當前承擔信息技術教育重任的高中信息技術課程中，積極開展基于計算思維的項目教學研究，對提升學生信息素養和實現學科核心價值均有重要意義。

一、概念界定：計算思維與項目教學內涵闡釋

計算思維，早在2006 年由美國周以真教授首次提出，她認為，借助計算機科學領域的基本原理和概念來求解問題是計算思維的常用方式，也是信息系統設計和人類行為理解的主要方式[2]?！靶抡n標”將計算思維概念詳細界定為“個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動”[1]6?！俺橄蠛妥詣踊笔撬谋举|特征，其基本方法是包含了數學和工程方面的一系列思維方法，如抽象與分解，推理與約簡，建模與仿真，遞歸與迭代，容錯、糾錯與恢復，冗余保護，分治與面向對象等[3]。

項目教學，又稱項目學習，是一種新型的課堂教學模式，即師生共同圍繞一個完整的項目開展教與學的活動。教師設置一定項目情境，向學生提供富有難度的問題和任務，借此過程讓學生學會描述、分析和解決問題，并學會展示、反思和評價。

基于計算思維的項目教學，是指教師引導學生使用抽象、分解、建模、算法設計等體現計算思維培養的方法進行信息交流，在項目實施和問題解決過程中提升實踐能力、發展核心素養。

二、模式構建：教學模式的應用設計

隨著計算思維受到教育等眾多領域的關注，國際教育技術協會（ISTE）和計算機科學教師協會（CSTA）等組織提出了計算思維的操作性定義，即計算思維在本質上是一種問題求解的過程，可包含五大操作要素[4]，如圖1 所示。

圖1 運用計算思維求解問題的五大操作要素

在高中信息技術課程中發展計算思維，就是要改變學科原有陳舊的教學模式，凸顯學科自身具有的教學創新性優勢和價值。在操作層面，其目標是要讓學生學會從生活中的實際項目出發，圍繞運用計算思維求解問題的五大操作要素設計合理算法，并通過計算機等數字化工具編制程序實現，提升學生信息素養，幫助學生樹立正確的信息社會價值觀和責任感。

（一）模式的理論依據

建構主義理論認為，學習過程是自我建構的過程，學生是認知的主體，是主動的意義建構者，教師是發揮學生主體作用的協助者、促進者和引領者。在建構主義理論指導下，“項目教學”主張教學活動的開展以生活中的項目完成為中心，教師將教學內容嵌入一個或多個要完成的項目中，指導學生合理化運用教學資源，自主探究，合作學習，通過項目實施而實現意義的建構。從“信息加工理論”的角度來看，學生是信息加工的主要實施者和活動的中心，教學過程是對一個個“問題空間”不斷搜索的問題解決過程[5]。根據概念界定，計算思維實際上是一種問題求解的方式，這與信息加工理論的思想不謀而合并達到了高度統一。

本文以建構主義、信息加工理論為依據，以“新課標”為指導文件，以培養計算思維為宗旨，將項目教學法、計算思維基本方法以及運用計算思維求解問題的五大操作要素融入高中信息技術課程，構建“基于計算思維的項目教學模式”（Projectbased Teaching Model based on Computational Thinking，簡稱為PTCT）。

選擇SPSS23.00軟件進行分析,計量資料采用均數加減標準差(±s)表示,計數數據采用構成比、率、百分比表示,對比使用χ2檢驗與t檢驗,檢驗水準為ɑ=0.05。

（二）模式的內涵闡釋

該模式以“項目”為中心，以項目的立項、分析、實施和結項為主線，在項目計劃制定中，運用“問題驅動”等教學策略優化項目教學實施；在問題情境創設中，應用“導學平臺”等教學資源支持課堂問題解決；在師生活動開展中，將計算思維的本質特征和基本方法貫穿融入教學過程的各個環節，采用計算機可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立模型、組織數據，尋找支持自動化執行的算法方案并使問題得以解決，總結方法并遷移到與之相關的其他問題解決中，最終實現計算思維培養的真正落地，體現學科應有的育人價值[6]。

（三）模式的操作程序

為更好表達教學模式實施過程，本文構造一數學函數加以闡釋，即PTCT=F（P，T，CT）。式中，PTCT 是模式名稱（由“項目教學”和“計算思維”英文首字母組成），F（）是過程函數，P（Project，項目）、T（Teaching，教學）和CT（Computational Thinking，計算思維）是函數自變量的三個參數。若將參數虛擬為坐標系中X 軸和Y 軸，則參數P 表示推進課堂教學進程的橫向X 軸（時間軸）上以“項目”為主線的動作集，包括項目立項、分析、實施和結項；參數T 則表示開展教學活動的縱向Y 軸上以“教學”為主線的動作集，包括教師活動及教師組織活動實施的教學策略，學生活動及學生參與活動支持的教學資源；參數CT 表示應用于教學活動且融入P 和T 兩個動作集的計算思維本質特征與基本方法[7]。模式操作程序如圖2 所示。

圖2 “基于計算思維的項目教學模式（PTCT）”操作程序

（四）模式的組織實施

在該模式的實施過程中，師生按照“項目主線”和“教學主線”并融合應用計算思維開展活動。Y 軸上師生活動共同在X 軸（時間軸）上項目的教學進程推進下完成，“教師活動”中教師是項目順利完成的協助者、促進者和引領者，“計算思維（CT）”則貫穿應用于項目教學實施的所有環節，同時將“教學策略”和“教學資源”有機連接起來，“學生活動”中學生圍繞計算思維五大操作要素完成項目。在“項目立項”環節，教師引導學生確定項目、制定計劃、創設體現計算思維應用的問題情境，學生感知項目需求、激發計算思維意識；在“項目分析”環節，教師呈現項目主題，引導學生界定描述問題，將計算思維應用到分解的教學任務中，抽象本質特征，學生收集素材、建立模型并融入系列信息活動過程中；在“項目實施”環節，教師在對學生進行教學指導的基礎上，運用“問題驅動”等教學策略輔助和引導學生進行思考，為學生提供“導學平臺”等教學資源作為操作的“腳手架”，支持學生知識點建構和課堂問題解決[8]，引導學生尋找并實施自動化方案；在“項目結項”環節，教師組織學生完成項目創作和成果展示，總結和評價，鞏固和拓展，將符合自身風格的學習框架拓展遷移到其他項目中。

三、應用探索：項目教學模式的課堂實踐

在高中信息技術課堂中開展基于計算思維的項目教學模式應用探索，有助于培養學生在項目實踐中系統設計和高效求解問題的計算思維能力，掌握計算思維的方法論。根據PTCT，本文以“新課標”高中信息技術教材《必修1 數據與計算》（教科版）“2.1 計算機解決問題的過程”一節中“最強大腦”游戲算法實現為例，開展實踐探索，探討在項目立項、分析、實施和結項的主線框架下，教師運用計算思維基本方法，打造高品質課堂。學生理解運用Python 語言實現游戲算法的主要過程，感受利用計算機解決問題的優勢和獨特魅力，為在后續學習和生活中更深入理解數字化工具解決問題打下基礎，以便更好地融入信息社會[9]。

（一）確定項目需求，發現生活中的實際問題

根據PTCT，在“項目立項”環節，教師引導學生確定項目需求，制定項目計劃，展示課堂中計算思維應用的本質特征和基本方法，創設問題情境，學生感知明確項目。

本案例以“讓學生在項目情境中經歷和理解計算機解決問題的基本過程”為知識目標，確定簡易版“最強大腦”游戲算法實現為項目需求，規則是：10 秒內記憶屏幕上出現的10 個物品名稱及其編號，清屏后根據計算機隨機提問回答5 個物品對應編號，最后顯示答對題數，答對越多，則表示腦力越強。游戲算法程序實現截圖如圖3 所示。

圖3 “最強大腦”游戲算法的程序實現截圖

（二）抽象分解建模，界定問題生成活動任務

在“項目分析”環節，教師引導學生呈現項目主題，界定并描述問題，對問題解決本質進行抽象，并將其分解為若干個容易解決的子任務，再將子任務轉化為學習活動，形成“項目→問題→任務→活動”主題鏈。學生按照教學策略對項目進行充分討論，并根據教師提供的“導學平臺”等教學資源收集素材，初步建立項目實施和問題求解的模型。

本案例呈現的項目主題為：用計算機編程方法實現簡易版“最強大腦”游戲算法，感受利用計算機解決問題的優勢和獨特魅力；界定并描述的問題為：在Python 程序語言環境下如何實現“最強大腦”游戲算法？根據上述問題描述，結合計算思維求解問題的五大操作要素，設計并分解出五個子任務（如圖4 中1 所示）。

圖4 分解的子任務、尋找的自動化執行方案數據模型及Python 程序代碼對應關系

（三）分組協作探究，尋找并實施自動化方案

本案例根據上述分解的五個子任務，分析從計算機解決問題的角度理解需要獲取的計算機能夠自動化執行的必要數據（模型抽象），尋找計算機編程求解的自動化方案（如圖4 中2 所示）。

在實施自動化執行方案環節，學生借助導學平臺，以Python 為編程工具，以教師提供的“半成品代碼”作為創作的“腳手架”（如圖4 中3 所示），在過程中感悟應用計算思維解決問題的流程和優勢。

圍繞問題描述及分解的子任務，教師設計三個實踐活動，讓學生完善半成品代碼，體驗算法設計、程序編制、程序調試及運行的基本流程。

（四）總結反思評價，實現求解方案拓展遷移

在“項目結項”環節，學生在教師引導下完成歸納總結、成果展示、反思評價和拓展遷移。具體而言，教師運用計算思維系列方法對整個學習過程、問題求解方案及項目作品完成情況進行總結性概括，引導學生通過電子教室和導學平臺對成果（作品）進行展示，同時在小組內和班級中利用評價量表開展自評、生評和師評活動，并拓展遷移到更為廣泛的問題解決和項目學習中。

對求解方案拓展和遷移包括“拓展已完成的求解方案”和“遷移求解方案到其他未知項目領域中”兩個方面。首先，對“最強大腦”游戲算法方案進行拓展，通過修改已有程序代碼，提高“最強大腦”游戲難度（如對需記憶的物品數目、物品的停留時間、隨機抽出物品的數目進行改變，對輸入的答題序號與物品名稱進行互換等），從而改變算法思想，加深學生對程序代碼的認識，引導學生討論交流，并在班級匯報修改意見，使學生更進一步理解算法思想和計算思維基本方法在解決實際問題中的重要意義。其次，將應用計算思維方法求解問題的基本過程遷移到其他未知項目領域中。例如，交通信號燈在人們的日常生活中起到指揮控制交通的重要作用，我們可用計算機編程來模擬控制紅綠燈延時與切換，將“最強大腦”求解方案，遷移到“紅燈變綠燈”的算法實現中，設計方案中“分解的三個項目子任務”及可執行的“Python 語言編寫的核心代碼”對應關系如表1 所示。

表1 交通燈“紅燈變綠燈”算法設計任務分解及Python編寫的核心代碼對應關系

綜上，基于計算思維的項目教學模式的應用實踐，充分體現了學生在項目立項、分析、實施和結項過程中，應用計算思維的本質特征和基本方法正確描述問題、邏輯分析問題、設計并實施自動化方案和推廣遷移方案的思維能力提升過程。在模式應用實踐中，學生依托教學資源，開展了基于計算思維的課前診斷性、課中過程性和課后終結性教學評價，進行了“形成正確計算思維認識的有關調查”和“反映計算思維能力的相關測試”。結果表明，PTCT 模式在高中信息技術課程中的應用實踐對于學生計算思維的認識形成、方法運用、能力培養和信息素養提升等方面均有顯著作用。

計算思維概念的提出、“新課標”中學科核心素養的凝練和項目教學方式的倡導，為高中信息技術課程發展賦予了全新的生命力，學科四大核心素養之中樞——計算思維的發展和落實必將成為信息技術教師關注的重要課題。在高中信息技術課堂實踐中開展一系列“基于計算思維的項目教學模式”研究與實踐活動，有其重要意義和推廣價值，必將助推學生形成正確信息意識和價值判斷力，提升學生計算思維能力與創新能力，以更好地引領和促進高中信息技術課程的可持續發展。