摘 要：計(jì)算思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，本文試著引入學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，探索并細(xì)化學(xué)生在學(xué)習(xí)信息技術(shù)課程的過程中所遵循的螺旋上升、層層遞進(jìn)的思維路徑。借助SOLO分類理論，具體把計(jì)算思維分成“問題與分析”“算法過程”“建模與抽象”三個一級維度以及九個二級維度，試著探索行之有效的進(jìn)階路徑，從而達(dá)到計(jì)算思維培養(yǎng)的目的。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階；計(jì)算思維；核心素養(yǎng)

作者簡介：彭仁杰（1981—），男，江蘇省蘇州高新區(qū)教學(xué)研究室。

一、研究背景

當(dāng)前，新課程改革的主題是促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。而信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一的計(jì)算思維已逐漸被公認(rèn)為當(dāng)代數(shù)字社會“合格公民”的必備關(guān)鍵素養(yǎng)之一。

計(jì)算思維是《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》所提出的要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一，計(jì)算思維的培養(yǎng)也是最近信息技術(shù)學(xué)科最關(guān)注的話題之一，目前計(jì)算思維雖然取得了一定的理論研究成果，但還有許多關(guān)鍵問題沒有得到解決或解決得不夠深入。我國目前缺少一個本土化的、經(jīng)過嚴(yán)格論證的指標(biāo)體系來支持計(jì)算思維教學(xué)實(shí)踐的有效推進(jìn)［1］。同時，我們還不太了解計(jì)算思維從基本形式發(fā)展到復(fù)雜形式的特點(diǎn)，沒有一個覆蓋全學(xué)段的、適宜的實(shí)踐模式來指導(dǎo)教師。

筆者在查看國內(nèi)外文獻(xiàn)的時候，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論更加重視學(xué)生的科學(xué)認(rèn)知過程和認(rèn)知過程中的方法應(yīng)用，能指導(dǎo)教師在課程設(shè)計(jì)的時候考慮不同學(xué)段的學(xué)生處于什么水平，聚焦學(xué)科核心概念，再根據(jù)學(xué)生思維的進(jìn)階來設(shè)計(jì)課程，完成學(xué)生素養(yǎng)的進(jìn)階。雖然學(xué)習(xí)進(jìn)階理論在信息技術(shù)學(xué)科上的研究較為缺乏，但之前的國內(nèi)外理論已經(jīng)為計(jì)算思維如何進(jìn)階提供了很好的研究基礎(chǔ)，也為后續(xù)的實(shí)踐研究奠定了理論基礎(chǔ)。

在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為有必要研究細(xì)化學(xué)生在學(xué)習(xí)信息技術(shù)課程的過程中所遵循的一系列層層遞進(jìn)的典型思維路徑，歸納計(jì)算思維培養(yǎng)的精髓。筆者認(rèn)為學(xué)習(xí)進(jìn)階理論下學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)應(yīng)關(guān)注學(xué)生“問題與分解”“算法過程”“建模與抽象”三個方面，從更加具體的方面探究計(jì)算思維的發(fā)展過程與培養(yǎng)效果，以期更有效地落實(shí)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

二、研究目標(biāo)

本研究目標(biāo)為探究在基礎(chǔ)教育階段信息技術(shù)學(xué)科中，教師如何針對學(xué)生的計(jì)算思維有效開展進(jìn)階培養(yǎng)。

具體研究目標(biāo)為在深入研究計(jì)算思維后，構(gòu)建計(jì)算思維進(jìn)階框架；促進(jìn)不同學(xué)段學(xué)生計(jì)算思維進(jìn)階培養(yǎng)的教學(xué)策略研究；通過教學(xué)驗(yàn)證完善進(jìn)階框架，同時細(xì)化教學(xué)策略；開發(fā)“學(xué)習(xí)進(jìn)階理論下促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的教學(xué)策略”的各類型課例。

三、構(gòu)建計(jì)算思維進(jìn)階模型

建構(gòu)預(yù)設(shè)框架是本研究的第一項(xiàng)工作，也是本研究的重點(diǎn)內(nèi)容，是后續(xù)研究的基礎(chǔ)。為了保證計(jì)算思維學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)性和有效性，本研究在構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階假設(shè)時，主要遵循以下三個步驟。

（一）學(xué)習(xí)進(jìn)階變量的確定

在查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)參考后，筆者確定了本研究中的學(xué)習(xí)進(jìn)階維度，主要包括五個子變量：算法思想、問題分解、評價、抽象和歸納。為了促進(jìn)測量工具的開發(fā)，需要對計(jì)算思維的三個子變量進(jìn)行更為詳細(xì)科學(xué)的界定，使計(jì)算思維每個階段都易于測評，具體如表1所示。

（二）學(xué)習(xí)進(jìn)階縱向?qū)蛹壍募僭O(shè)

模型假設(shè)每個學(xué)生都具有潛在的（不可直接觀察到的）計(jì)算思維能力，這種能力體現(xiàn)在項(xiàng)目分析及其解決、程序分析及其實(shí)現(xiàn)等能力上。學(xué)習(xí)進(jìn)階呈現(xiàn)的是學(xué)生對于計(jì)算思維九個子變量認(rèn)知水平的深化過程。通過學(xué)習(xí)和聯(lián)系，學(xué)生對于概念的認(rèn)知從一知半解到能夠多角度分析，再到深化理解并能夠運(yùn)用概念理論知識解決問題，最終達(dá)到歸納真實(shí)問題解決活動模式的水平［2］。

基于SOLO分類理論和學(xué)習(xí)進(jìn)階的認(rèn)知發(fā)展獨(dú)有路徑，計(jì)算思維的學(xué)習(xí)進(jìn)階起點(diǎn)是學(xué)生在學(xué)習(xí)核心概念之前的結(jié)構(gòu)或思維能力，進(jìn)階終點(diǎn)是最高層次的拓展抽象結(jié)構(gòu)。在本研究中，進(jìn)階的起點(diǎn)和終點(diǎn)主要基于課標(biāo)文件，結(jié)合社會實(shí)際和已有研究結(jié)果來確定。

四、設(shè)計(jì)適合不同學(xué)段學(xué)生計(jì)算思維進(jìn)階培養(yǎng)的教學(xué)模式

進(jìn)行促進(jìn)計(jì)算思維進(jìn)階培養(yǎng)的教學(xué)方法設(shè)計(jì)，首先需要結(jié)合信息技術(shù)課程的自身特征，同時滿足學(xué)習(xí)者個體對其生成的觀點(diǎn)進(jìn)行深層次加工的需求，最重要的是要促進(jìn)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的有效發(fā)展。因此，該部分研究內(nèi)容可以分為三個子部分。

（一）確定各學(xué)段促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維進(jìn)階的教學(xué)實(shí)踐框架

筆者利用已有的文獻(xiàn)和國內(nèi)外經(jīng)典案例，歸納“計(jì)算思維進(jìn)階培養(yǎng)”的精髓，并根據(jù)課題組前期調(diào)研成果，初步構(gòu)建計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐框架，由三個同心圓組成，如圖1所示。最外圍的圓環(huán)為計(jì)算思維技能，是學(xué)生使用計(jì)算工具解決問題所必需的認(rèn)知過程，包括九個維度：數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表示、問題分解、抽象、算法和過程、自動化、模擬、并行［3］。中間的圓環(huán)為計(jì)算思維實(shí)踐，它結(jié)合了許多計(jì)算技能來解決一個應(yīng)用問題，包括自動化、計(jì)算建模和數(shù)據(jù)實(shí)踐。最里面的圓環(huán)為普適性的教學(xué)原則，是指促進(jìn)學(xué)習(xí)者參與計(jì)算的策略，將計(jì)算與學(xué)生的興趣和經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，并提供機(jī)會幫助學(xué)生消除對于計(jì)算的偏見和刻板印象。結(jié)合該實(shí)踐框架，以及各學(xué)段學(xué)生的發(fā)展特點(diǎn)，教師確定了向不同學(xué)段和認(rèn)知能力的學(xué)生教授什么以及如何教授。

（二）確定促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維進(jìn)階的教學(xué)策略設(shè)計(jì)原則

教學(xué)實(shí)踐框架用以指導(dǎo)教師更好地開展針對性的教學(xué)設(shè)計(jì)。同時，教學(xué)策略的確定要遵循以下兩個設(shè)計(jì)原則：以學(xué)生為主體和以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為目標(biāo)。

在教學(xué)設(shè)計(jì)上，要注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，根據(jù)學(xué)生的學(xué)段特點(diǎn)，采用基于項(xiàng)目/問題/游戲的學(xué)習(xí)方式，教學(xué)由簡到繁，逐步展開，每個問題與一定的情境或故事相結(jié)合，以一些計(jì)算工具作為解決問題的輔助手段，以問題的解決為最終目標(biāo)，而非使用簡單的工具教學(xué)（進(jìn)階設(shè)計(jì)思路如圖2所示）。

（三）設(shè)計(jì)各學(xué)段促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維進(jìn)階的教學(xué)策略

在進(jìn)階策略的設(shè)計(jì)上，結(jié)合信息技術(shù)課程的特點(diǎn)，筆者考慮從以下幾方面展開。

第一，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)模式。教師要摒棄以往以技術(shù)習(xí)得為主、教師演示學(xué)生模仿為主的簡單式任務(wù)驅(qū)動模式，將關(guān)注的重點(diǎn)放在學(xué)生的自主探究上，要求學(xué)生更多地參與進(jìn)來，從而使其思維得到逐步的鍛煉。而整個活動過程不再以結(jié)果為導(dǎo)向后，教師也能有更多的精力關(guān)注學(xué)生在問題解決過程中的計(jì)算思維的培養(yǎng)。

第二，引入項(xiàng)目化教學(xué)方式。教師圍繞教學(xué)目標(biāo)，選擇與學(xué)生生活密切關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生通過問題的解決達(dá)到計(jì)算思維的逐步進(jìn)階。項(xiàng)目的復(fù)雜程度也需要根據(jù)學(xué)段提高而慢慢增加。

第三，引入游戲化教學(xué)方式。學(xué)生在設(shè)計(jì)游戲、制作游戲、測試游戲的過程中，計(jì)算思維也能逐步得到鍛煉。由于教師將整個問題解決的過程放權(quán)給學(xué)生自主探究，因此，最終問題解決的方式也將根據(jù)學(xué)生不同的分析、思考方式而展現(xiàn)出不同的樣式。對學(xué)生有強(qiáng)吸引力的游戲，會讓學(xué)生在問題解決時更投入，思考也會更深入。

第四，運(yùn)用大單元的理念設(shè)計(jì)教學(xué)活動。不管是項(xiàng)目化教學(xué)還是游戲化教學(xué)，很多知識點(diǎn)不是一節(jié)課的內(nèi)容，需要教師運(yùn)用大單元的理念結(jié)合真實(shí)學(xué)情對教材進(jìn)行二次開發(fā)。而大單元的教學(xué)也能讓學(xué)生在宏觀上對教學(xué)目標(biāo)有更深的理解。

五、中小學(xué)人工智能編程課的教學(xué)進(jìn)階案例

（一）當(dāng)前中小學(xué)人工智能教育現(xiàn)狀

2017年國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出，應(yīng)實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程［4］。最初的中小學(xué)人工智能課基本都是以體驗(yàn)為主，學(xué)生無法得到更多的信息素養(yǎng)的提高。如何在中小學(xué)階段設(shè)置不同的課程，從而真正達(dá)到學(xué)生計(jì)算思維的進(jìn)階培養(yǎng)，是目前需要解決的問題。筆者所在地區(qū)對此進(jìn)行探索，基于小學(xué)、初中、高中不同階段對人工智能的不同理解要求，讓學(xué)生對人工智能進(jìn)行進(jìn)階式的學(xué)習(xí)，從而促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的循序漸進(jìn)和螺旋發(fā)展。

（二）中小學(xué)階段人工智能課進(jìn)階的探索

小學(xué)階段，硬件和模塊化編程相結(jié)合，讓學(xué)生對人工智能有初步認(rèn)識和感知，能分辨不同的人工智能類型，并逐步鍛煉計(jì)算思維能力。如在“讓小飛能聽會說”一課中，通過“三人傳話”游戲，帶領(lǐng)學(xué)生了解語音識別技術(shù)與語音合成技術(shù)在具體應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)過程，學(xué)習(xí)語音轉(zhuǎn)寫、語音合成等編程模塊的使用方法，并通過人工智能在線平臺，編寫實(shí)現(xiàn)小飛能“聽”會“說”的程序［5］。

初中階段，通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)，讓學(xué)生認(rèn)識人工智能知識體現(xiàn)，初步了解人工智能算法，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力。如在“‘石頭剪刀布'游戲”一課中，通過mind+圖形化編程軟件和攝像頭結(jié)合，設(shè)計(jì)“石頭剪刀布”游戲，訓(xùn)練機(jī)器識別手勢，從而讓學(xué)生能和機(jī)器對戰(zhàn)。通過項(xiàng)目的解決，學(xué)生認(rèn)識了KNN機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并對人工智能有進(jìn)一步認(rèn)識，鍛煉了計(jì)算思維［6］。

高中階段，學(xué)生應(yīng)進(jìn)一步理解人工智能及其實(shí)現(xiàn)原理，培養(yǎng)高級計(jì)算思維。如在“信息的智能化加工”一課中，由于學(xué)生在生活中已經(jīng)有了人工智能的應(yīng)用體驗(yàn)，教師需要根據(jù)高中生年齡特點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)，使其進(jìn)一步理解智能化加工背后的算法原理。教師一開始通過讓學(xué)生運(yùn)用百度人工智能進(jìn)行貓狗識別項(xiàng)目，對圖像識別進(jìn)行進(jìn)一步理解，從而引發(fā)學(xué)生基于深度學(xué)習(xí)的思考；然后用高中生容易理解的語言介紹神經(jīng)卷積網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生了解圖像識別的原理［7］。

六、總結(jié)

學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展，不是一蹴而就的，需要通過不斷的進(jìn)階學(xué)習(xí)，才能螺旋式上升。通過把學(xué)習(xí)進(jìn)階理論引入計(jì)算思維培養(yǎng)中，我們有了以下發(fā)現(xiàn)。

學(xué)習(xí)進(jìn)階能夠?yàn)橛?jì)算思維的培養(yǎng)提供更清晰的路徑?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階研究提出學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展模型，初步規(guī)劃了學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的藍(lán)圖，重視學(xué)習(xí)進(jìn)階在實(shí)際課程與教學(xué)中的應(yīng)用，著力探索如何提供更清晰的路徑促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。

學(xué)習(xí)進(jìn)階能更好地體現(xiàn)新課程標(biāo)準(zhǔn)的理念，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。學(xué)習(xí)進(jìn)階有助于學(xué)生更清晰地掌握計(jì)算思維的概念、內(nèi)涵及表現(xiàn)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，從而全面提高學(xué)生的信息素養(yǎng)，達(dá)成具象化新課程的目標(biāo)。

學(xué)習(xí)進(jìn)階為計(jì)算思維的評價提供參考依據(jù)。學(xué)習(xí)進(jìn)階研究提出學(xué)生計(jì)算思維的模型，在研究過程中，這些模型不斷得到修正和改進(jìn)，從而為計(jì)算思維的評價提供新維度的參考依據(jù)。

總之，學(xué)習(xí)進(jìn)階能夠幫助學(xué)生克服制約計(jì)算思維發(fā)展的因素，幫助學(xué)生在思維層面更好地理解信息技術(shù)課程，進(jìn)而解決計(jì)算思維發(fā)展難的問題，解決計(jì)算思維培養(yǎng)中的瓶頸問題。本研究的目的是探索計(jì)算思維進(jìn)階培養(yǎng)的教學(xué)模式，在實(shí)踐中深化學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展，以期為一線教師們提供參考。

［參考文獻(xiàn)］

陳興冶，馬穎瑩.本土化計(jì)算思維評價指標(biāo)體系的構(gòu)建與探索：基于1410名高中生的樣本分析與驗(yàn)證［J］.遠(yuǎn)程教育雜志，2020，38（5）：70-80.

王孟瑜，荊延德.基于SOLO分類理論的“人地關(guān)系”學(xué)習(xí)進(jìn)階研究［J］.地理教育，2020（8）：4-8.

郁曉華，肖敏，王美玲.計(jì)算思維培養(yǎng)進(jìn)行時：在K-12階段的實(shí)踐方法與評價［J］.遠(yuǎn)程教育雜志，2018，36（2）：18-28.

國務(wù)院.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知［EB/OL］.（2017-07-08）［2022-12-20］.http：//www.gov.cn/gongbao/content/2017/content_5216427.htm

張洪偉.中小學(xué)階段的人工智能教育策略研究［J］.天天愛科學(xué)（教育前沿），2022（2）：51-52.

張丹，崔光佐.中小學(xué)階段的人工智能教育研究［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2020，30（1）：39-44.

楊紅梅.人工智能融入高中信息技術(shù)課程的研究［J］.廣西教育，2022（14）：71-73，90.