王云 郭義翔

摘? ?要? ?信息時(shí)代，計(jì)算思維已經(jīng)成為每個(gè)人都必須掌握的基本技能之一。而如何在基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，依然是一項(xiàng)重要的課題。中小學(xué)信息技術(shù)課程是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的主要途徑。但是，當(dāng)前的信息技術(shù)課程教學(xué)側(cè)重編程工具的操作和算法程序本身的學(xué)習(xí)，而忽視了對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。本文分析了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在計(jì)算思維培養(yǎng)中的優(yōu)勢(shì)，依據(jù)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的相關(guān)理論，構(gòu)建了基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式，并通過(guò)“循跡踢球”項(xiàng)目展示了該模式在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞? ?項(xiàng)目式學(xué)習(xí)? ?計(jì)算思維? ?培養(yǎng)模式? 信息技術(shù)課程

2006年，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授，提出了一種建立在計(jì)算機(jī)處理能力及其局限性基礎(chǔ)之上的思維方式——計(jì)算思維[1]。2011年，計(jì)算思維被納入美國(guó)《CSTA K-12標(biāo)準(zhǔn)》。隨后，英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家也將計(jì)算思維的培養(yǎng)作為K-12階段信息技術(shù)課程中的重要內(nèi)容。在我國(guó)，2017版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中將計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。2017年，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，也提出要逐步在中小學(xué)推廣編程教育?？梢?，在信息時(shí)代培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維越來(lái)越重要。近年來(lái)，計(jì)算思維越來(lái)越受到我國(guó)專家、學(xué)者的關(guān)注，如何培養(yǎng)中小學(xué)學(xué)生的計(jì)算思維也成為研究的重點(diǎn)。

一、計(jì)算思維與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

1.計(jì)算思維

關(guān)于計(jì)算思維的含義，有不同的解讀。2011年，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）和國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）聯(lián)合發(fā)布了計(jì)算思維的操作性定義：“計(jì)算思維是一種利用算法思維尋找最有效組合的自動(dòng)化問(wèn)題解決方案的過(guò)程，并將其推廣到其他領(lǐng)域，涉及數(shù)據(jù)收集、分析與表示。”[2]并且，為了教師準(zhǔn)確地向?qū)W生傳遞計(jì)算思維和學(xué)生更好地理解計(jì)算思維，還提供了計(jì)算思維詞匯。2012年，美國(guó)學(xué)者Brennan和Resnick提出關(guān)于計(jì)算思維的三維框架操作性定義，將計(jì)算思維分為計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念三個(gè)維度[3]。我國(guó)2017版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》認(rèn)為“計(jì)算思維具體表現(xiàn)為解決問(wèn)題過(guò)程中的形式化、模型化、系統(tǒng)化和自動(dòng)化”[4]。

綜合以上觀點(diǎn)，本研究認(rèn)為計(jì)算思維的核心能力應(yīng)包括：“抽象”“分解”“數(shù)據(jù)的采集、分析與表示”“構(gòu)建算法與程序”“自動(dòng)化”“建模”“仿真”“表達(dá)、聯(lián)系與質(zhì)疑”“測(cè)試與調(diào)試”“泛化”。

2.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-Based Learning），以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)環(huán)境中探究學(xué)習(xí)，從而提升學(xué)生的多元能力[5]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以具有挑戰(zhàn)性的真實(shí)問(wèn)題或情境為起點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)情境性、合作交流、認(rèn)知工具的支持、創(chuàng)造制品和持續(xù)探究。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑[6]?；陧?xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)計(jì)算思維，不僅提升了學(xué)生的計(jì)算思維，而且培養(yǎng)了學(xué)生的問(wèn)題解決能力。

3.利用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)計(jì)算思維的優(yōu)勢(shì)

（1）在問(wèn)題解決中發(fā)展思維

計(jì)算思維的本質(zhì)是解決問(wèn)題的思維與能力[7]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與真實(shí)問(wèn)題的解決，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)計(jì)算思維可以讓學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中建構(gòu)知識(shí)、提高能力、發(fā)展思維。

（2）在情境學(xué)習(xí)中聯(lián)系實(shí)際

培養(yǎng)計(jì)算思維的最終目的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)在實(shí)際中靈活地應(yīng)用計(jì)算思維解決日常生活和學(xué)習(xí)中的問(wèn)題，尋找問(wèn)題的通用解決方案，形成一種思維習(xí)慣。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能讓學(xué)生聯(lián)系實(shí)際，將學(xué)習(xí)到的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到更多的情境中。

（3）在交流分享中反思總結(jié)

在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者與教師、學(xué)習(xí)者之間共享知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，從而加深理解。采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)計(jì)算思維，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和自主探索之后相互交流討論、分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，從而反思自身的優(yōu)點(diǎn)與不足，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷提升能力。

（4）借助工具解決問(wèn)題

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中使用的認(rèn)知工具是指能夠有效幫助人們理解和解決問(wèn)題的思維工具，而不是處理信息的軟硬件應(yīng)用程序。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生綜合利用多種思維工具解決問(wèn)題的能力。例如，讓學(xué)生利用程序開發(fā)工具參與簡(jiǎn)單的產(chǎn)品開發(fā)實(shí)踐，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程，直觀感受計(jì)算思維。

（5）不斷迭代尋找最優(yōu)方案

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，一個(gè)項(xiàng)目的完成往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，可能需要幾個(gè)課時(shí)、幾天，甚至幾個(gè)星期、幾年的時(shí)間，這樣學(xué)生才能更深入地學(xué)習(xí)、探究，尋找更多的資源和設(shè)計(jì)更多的解決方案?；陧?xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)計(jì)算思維，有利于學(xué)生“調(diào)試”能力的培養(yǎng)，學(xué)生需要對(duì)方案、算法和程序進(jìn)行“調(diào)試”，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，彌補(bǔ)不足，不斷完善作品，尋找最佳的解決方案。

二、基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式

1.理論基礎(chǔ)

（1）建構(gòu)主義理論

建構(gòu)主義，即學(xué)生根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)背景構(gòu)建知識(shí)體系，它關(guān)注的是學(xué)生積極地從事“做”的活動(dòng)，而不是被動(dòng)地“接受”知識(shí)。只有建構(gòu)性學(xué)習(xí)才最符合學(xué)習(xí)的本質(zhì)，最能促進(jìn)人的深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)和學(xué)科能力的可持續(xù)發(fā)展[8]?；陧?xiàng)目式學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式是一種建構(gòu)性學(xué)習(xí)模式，學(xué)生通過(guò)教師引導(dǎo)、自主探究與交流合作，確定問(wèn)題、分解問(wèn)題、制定解決問(wèn)題的方案、實(shí)施方案、不斷總結(jié)完善方案，從而積極構(gòu)建知識(shí)、發(fā)展思維。

（2）多元智能理論

多元智力理論強(qiáng)調(diào)每個(gè)人都有不同的智力類型和不同的智力優(yōu)勢(shì)。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)允許教師將各種教與學(xué)的策略運(yùn)用到項(xiàng)目的規(guī)劃和實(shí)施過(guò)程中幫助學(xué)生開發(fā)各種智力。每一個(gè)學(xué)生都是個(gè)性化的獨(dú)立個(gè)體，具有不同的智力優(yōu)勢(shì)。在基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式中，學(xué)生運(yùn)用自身的智力優(yōu)勢(shì)完成項(xiàng)目，設(shè)計(jì)獨(dú)特的解決方案，創(chuàng)造性地解決問(wèn)題。在此過(guò)程中，抽象、模擬、數(shù)據(jù)收集、交流、表達(dá)等多種能力得到提升。

（3）情境學(xué)習(xí)理論

情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，在真實(shí)情境下發(fā)生的學(xué)習(xí)和思維才是最有效的，自然而真實(shí)的學(xué)習(xí)情境更容易讓學(xué)生將學(xué)習(xí)內(nèi)容與日常生活體驗(yàn)相聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力?；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)就是在與日常生活相關(guān)的真實(shí)情境中學(xué)習(xí)，通過(guò)知識(shí)遷移將該情境與實(shí)際生活相聯(lián)系[9]。該模式圍繞真實(shí)的項(xiàng)目任務(wù)展開，在解決真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程中滲透計(jì)算思維的培養(yǎng)，體現(xiàn)了情境學(xué)習(xí)理論。

2.基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式構(gòu)建

依據(jù)上述理論基礎(chǔ)，及計(jì)算思維培養(yǎng)的核心要素，構(gòu)建了如圖1所示的基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式。在該模式中，教師和學(xué)生圍繞項(xiàng)目展開學(xué)習(xí)與教學(xué)活動(dòng)。

（1）教師活動(dòng)

第一，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，提出項(xiàng)目：創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，引出項(xiàng)目問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。第二，分解項(xiàng)目，引出單元任務(wù)：分析項(xiàng)目，并將復(fù)雜的項(xiàng)目問(wèn)題分解為幾個(gè)簡(jiǎn)單的單元任務(wù)，降低學(xué)習(xí)難度;引導(dǎo)學(xué)生制定詳細(xì)的項(xiàng)目計(jì)劃。第三，引導(dǎo)學(xué)生制定詳細(xì)的項(xiàng)目計(jì)劃：引導(dǎo)學(xué)生細(xì)化單元任務(wù)，制定詳細(xì)的實(shí)施方案。第四，實(shí)時(shí)介入，幫助學(xué)生完成項(xiàng)目：在學(xué)生自主完成的過(guò)程中給予學(xué)生適當(dāng)?shù)膸椭椭笇?dǎo)，使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。第五，教學(xué)評(píng)價(jià)：對(duì)項(xiàng)目的完成過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)、對(duì)項(xiàng)目作品進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià)，并組織學(xué)生間進(jìn)行互評(píng)，最后對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)，以便學(xué)生更好地將本項(xiàng)目學(xué)習(xí)到的知識(shí)技能遷移到其他問(wèn)題的解決中。

（2）學(xué)生活動(dòng)

第一，進(jìn)入問(wèn)題情境：在教師創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題情境下聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)入問(wèn)題情境。第二，理解項(xiàng)目，確定單元問(wèn)題：理解項(xiàng)目問(wèn)題，將項(xiàng)目分解為單元任務(wù)，確定項(xiàng)目分解后的每個(gè)單元問(wèn)題。第三，采集、表示與分析數(shù)據(jù)，自主探究，生成、規(guī)劃解決方案：采集、表示與分析相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)自主探究，預(yù)先規(guī)劃、設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決方案。第四，根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃實(shí)施項(xiàng)目方案：借助學(xué)習(xí)資源、思維工具實(shí)施項(xiàng)目，完成作品。第五，匯報(bào)展示、交流反思、完善作品：展示項(xiàng)目作品，匯報(bào)作品制作過(guò)程，并與小組成員及全班同學(xué)、老師交流，反思項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案和作品的不足之處，并不斷完善。

三、虛擬機(jī)器人“循跡踢球”實(shí)施探究

1.虛擬機(jī)器人仿真平臺(tái)

IROBOTQ 3D機(jī)器人在線仿真平臺(tái)是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的3D機(jī)器人仿真平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)可以創(chuàng)設(shè)場(chǎng)景、搭建機(jī)器人、添加各類傳感器，通過(guò)多種方式（蘿卜圈圖形化編程語(yǔ)言、LOGO語(yǔ)言、Python語(yǔ)言）編寫程序，使機(jī)器人具備相應(yīng)的功能，并通過(guò)模擬場(chǎng)景運(yùn)行完成各種任務(wù)。

2.計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)

計(jì)算思維的培養(yǎng)要從知識(shí)、能力、觀念三方面進(jìn)行。根據(jù)計(jì)算思維三個(gè)維度的核心概念，并結(jié)合本項(xiàng)目的內(nèi)容，設(shè)計(jì)了本項(xiàng)目的計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)。

目標(biāo)一：掌握順序結(jié)構(gòu)、“while循環(huán)”結(jié)構(gòu)、“if-else條件”結(jié)構(gòu)、常量、運(yùn)算符等基本概念。

目標(biāo)二：理解項(xiàng)目問(wèn)題，能夠?qū)?fù)雜的問(wèn)題分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題;設(shè)計(jì)四輪小車的結(jié)構(gòu);正確安裝灰度傳感器，確定灰度傳感器的檢測(cè)值;使用模塊化編程語(yǔ)言編寫程序;通過(guò)平臺(tái)提供的虛擬場(chǎng)景運(yùn)行程序，使小車自動(dòng)沿跡行駛。

目標(biāo)三：通過(guò)測(cè)試和調(diào)試，查找錯(cuò)誤，糾正錯(cuò)誤;并通過(guò)與他人交流，發(fā)現(xiàn)自身的優(yōu)點(diǎn)與不足，反思自己的方案，不斷完善自己的作品;能夠?qū)⒃诒卷?xiàng)目中學(xué)到的知識(shí)技能運(yùn)用到其他問(wèn)題的解決中。

3.教學(xué)活動(dòng)

（1）提出項(xiàng)目

教師創(chuàng)設(shè)情境：如果有一輛汽車不需要司機(jī)駕駛，當(dāng)你上車并選擇了目的地后，汽車就會(huì)自動(dòng)行駛起來(lái)，并安全到達(dá)終點(diǎn)，這就是未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車。假設(shè)有一輛會(huì)自動(dòng)行駛的小車，如何讓小車自動(dòng)調(diào)整方向，沿著如圖2所示的黑色軌跡線向前走，直到碰到終點(diǎn)的足球？

（2）項(xiàng)目分析

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目問(wèn)題的分析，該項(xiàng)目可以描述為：讓一輛小車沿著圖中的黑色軌跡線從起點(diǎn)到終點(diǎn)自動(dòng)行駛。要實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目任務(wù)，需要將項(xiàng)目分解為以下三個(gè)單元任務(wù)：①要想讓機(jī)器人小車行駛，首先要搭建一輛小車（任務(wù)一）。②要想讓小車沿軌跡行駛，要搭建一輛能識(shí)別黑色軌跡線的小車（任務(wù)二）。③搭建好小車后，需要通過(guò)編寫程序，控制小車沿黑色軌跡線行駛（任務(wù)三）。

（3）設(shè)計(jì)項(xiàng)目

任務(wù)一：搭建機(jī)器人小車。

教師引導(dǎo)學(xué)生搭建小車：搭建一輛小車需要確定小車的基本結(jié)構(gòu);選擇搭建一個(gè)四輪小車所需要的基本零件;設(shè)置各零件的屬性。

任務(wù)二：搭建能識(shí)別黑色軌跡線的小車。

教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)循跡小車：要使小車能識(shí)別黑色軌跡線，除了要安裝必備的基本零件外，還要安裝一種特殊的裝置——灰度傳感器;為了保證小車的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，至少要用到2個(gè)灰度傳感器檢測(cè)黑線，一般安裝在機(jī)器人小車的前方，小車控制器前方有9個(gè)安裝點(diǎn)，以中點(diǎn)為中心，向兩邊延伸各2個(gè)點(diǎn);設(shè)置左右兩個(gè)灰度傳感器的端口號(hào)。

任務(wù)三：繪制流程圖，設(shè)計(jì)程序。

教師引導(dǎo)學(xué)生畫出控制小車自動(dòng)行駛的程序流程圖（如圖3所示）：機(jī)器人小車兩邊各有一個(gè)灰度傳感器。先判斷左灰度傳感器是否在黑線上，如果在，小車左轉(zhuǎn);如果不在，再判斷右灰度傳感器是否在黑線上，如果右灰度傳感器在黑線上，小車右轉(zhuǎn);如果右灰度傳感器也不在黑線上，那表示左、右兩個(gè)灰度傳感器都不在黑線上，小車直行。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)程序：利用圖形化編程語(yǔ)言編程選擇合適的編程模塊，2個(gè)條件判斷用“if判斷”模塊表示;因?yàn)樾≤囋谘簿€過(guò)程中需要不斷判斷，所以最外層還要用“while永遠(yuǎn)循環(huán)”模塊表示重復(fù);利用測(cè)試場(chǎng)景中的取色器對(duì)場(chǎng)景地面顏色取值，進(jìn)而確定灰度傳感器的偵測(cè)值;要設(shè)置多直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊各直流電機(jī)的速度值、正反轉(zhuǎn)屬性控制小車轉(zhuǎn)向。

（4）項(xiàng)目實(shí)施

教師為學(xué)生提供微課、項(xiàng)目分解表、小組分工表等。學(xué)生按照項(xiàng)目設(shè)計(jì)，借助虛擬機(jī)器人仿真平臺(tái)實(shí)施設(shè)計(jì)方案，選擇任務(wù)測(cè)試場(chǎng)景運(yùn)行并調(diào)試程序。教師實(shí)時(shí)介入幫助學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)。最終搭建的四輪小車如圖4所示。

（5）項(xiàng)目評(píng)價(jià)

學(xué)生提交成績(jī)，查看排名。教師組織學(xué)生進(jìn)行展示交流與互評(píng)，首先進(jìn)行小組內(nèi)交流展示和評(píng)議，然后全班展示匯報(bào)與作品比拼，最后教師總結(jié)項(xiàng)目，讓學(xué)生明確通過(guò)本項(xiàng)目應(yīng)該掌握的知識(shí)、能力。

①組內(nèi)展示評(píng)議：組內(nèi)成員相互展示交流;小組成員之間對(duì)各自制作的作品進(jìn)行評(píng)議，并提出改進(jìn)建議;收集組內(nèi)成員對(duì)自己作品改進(jìn)的意見或建議并整理匯總，針對(duì)問(wèn)題和不足，提出解決辦法;進(jìn)一步完善自己的作品。

②全班匯報(bào)比拼：各小組選出一個(gè)優(yōu)秀作品，選派代表在全班進(jìn)行展示匯報(bào);各小組推選一名同學(xué)，與教師一起組成項(xiàng)目評(píng)審組，共同制訂評(píng)價(jià)表;評(píng)審員根據(jù)評(píng)價(jià)表進(jìn)行評(píng)價(jià)并對(duì)項(xiàng)目完成情況給出匯總評(píng)價(jià)結(jié)果，向全班公布。

四、總結(jié)

本研究基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的相關(guān)理論和教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建了基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式。該模式從計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐與計(jì)算觀念三方面全面地培養(yǎng)了學(xué)生的多種計(jì)算思維核心能力，在完成項(xiàng)目任務(wù)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算思維解決實(shí)際問(wèn)題的能力，更加注重學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的過(guò)程性評(píng)價(jià)。同時(shí)，將該模式應(yīng)用于虛擬機(jī)器人“循跡踢球”案例中，取得了較好的教學(xué)效果。在今后的研究中，應(yīng)該將該模式與更多的課程內(nèi)容結(jié)合，從而提高學(xué)生的計(jì)算思維。

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[作者：王云（1964-），男，山西洪洞人，山西師范大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師;郭義翔（1997-），女，山西呂梁人，山西師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，碩士生。]

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