張長(zhǎng)水

“計(jì)算”是數(shù)字化人工智能時(shí)代的一個(gè)顯著標(biāo)志，在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域計(jì)算的強(qiáng)度也日益提升。計(jì)算機(jī)作為信息技術(shù)迅猛發(fā)展的核心工具，無時(shí)無刻不在以一種計(jì)算的方式存在，人們也隨時(shí)隨地通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息訪問和計(jì)算服務(wù)，這從根本上改變了人們的生活和工作方式。

“計(jì)算思維”作為蘊(yùn)含于計(jì)算機(jī)科學(xué)中對(duì)人們現(xiàn)在和未來產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的一種思維方式，已被認(rèn)為是當(dāng)代每一個(gè)人應(yīng)掌握的普適技能，并被提升到全民素養(yǎng)高度。在教育等眾多領(lǐng)域，計(jì)算思維被認(rèn)為是解決問題和創(chuàng)造新事物的必備技能之一。

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）將“計(jì)算思維”列為四大核心素養(yǎng)之中樞?！靶抡n標(biāo)”倡導(dǎo)基于“項(xiàng)目”的學(xué)習(xí)方式，將知識(shí)建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入到運(yùn)用數(shù)字化工具解決問題和完成任務(wù)的過程中，全面提升信息素養(yǎng)[1]2。因此，在當(dāng)前承擔(dān)信息技術(shù)教育重任的高中信息技術(shù)課程中，積極開展基于計(jì)算思維的項(xiàng)目教學(xué)研究，對(duì)提升學(xué)生信息素養(yǎng)和實(shí)現(xiàn)學(xué)科核心價(jià)值均有重要意義。

一、概念界定：計(jì)算思維與項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)涵闡釋

計(jì)算思維，早在2006 年由美國(guó)周以真教授首次提出，她認(rèn)為，借助計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的基本原理和概念來求解問題是計(jì)算思維的常用方式，也是信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人類行為理解的主要方式[2]。“新課標(biāo)”將計(jì)算思維概念詳細(xì)界定為“個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)”[1]6。“抽象和自動(dòng)化”是它的本質(zhì)特征，其基本方法是包含了數(shù)學(xué)和工程方面的一系列思維方法，如抽象與分解，推理與約簡(jiǎn)，建模與仿真，遞歸與迭代，容錯(cuò)、糾錯(cuò)與恢復(fù)，冗余保護(hù)，分治與面向?qū)ο蟮萚3]。

項(xiàng)目教學(xué)，又稱項(xiàng)目學(xué)習(xí)，是一種新型的課堂教學(xué)模式，即師生共同圍繞一個(gè)完整的項(xiàng)目開展教與學(xué)的活動(dòng)。教師設(shè)置一定項(xiàng)目情境，向?qū)W生提供富有難度的問題和任務(wù)，借此過程讓學(xué)生學(xué)會(huì)描述、分析和解決問題，并學(xué)會(huì)展示、反思和評(píng)價(jià)。

基于計(jì)算思維的項(xiàng)目教學(xué)，是指教師引導(dǎo)學(xué)生使用抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等體現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)的方法進(jìn)行信息交流，在項(xiàng)目實(shí)施和問題解決過程中提升實(shí)踐能力、發(fā)展核心素養(yǎng)。

二、模式構(gòu)建：教學(xué)模式的應(yīng)用設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算思維受到教育等眾多領(lǐng)域的關(guān)注，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）等組織提出了計(jì)算思維的操作性定義，即計(jì)算思維在本質(zhì)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(yùn)用計(jì)算思維求解問題的五大操作要素

在高中信息技術(shù)課程中發(fā)展計(jì)算思維，就是要改變學(xué)科原有陳舊的教學(xué)模式，凸顯學(xué)科自身具有的教學(xué)創(chuàng)新性優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。在操作層面，其目標(biāo)是要讓學(xué)生學(xué)會(huì)從生活中的實(shí)際項(xiàng)目出發(fā)，圍繞運(yùn)用計(jì)算思維求解問題的五大操作要素設(shè)計(jì)合理算法，并通過計(jì)算機(jī)等數(shù)字化工具編制程序?qū)崿F(xiàn)，提升學(xué)生信息素養(yǎng)，幫助學(xué)生樹立正確的信息社會(huì)價(jià)值觀和責(zé)任感。

（一）模式的理論依據(jù)

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)過程是自我建構(gòu)的過程，學(xué)生是認(rèn)知的主體，是主動(dòng)的意義建構(gòu)者，教師是發(fā)揮學(xué)生主體作用的協(xié)助者、促進(jìn)者和引領(lǐng)者。在建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下，“項(xiàng)目教學(xué)”主張教學(xué)活動(dòng)的開展以生活中的項(xiàng)目完成為中心，教師將教學(xué)內(nèi)容嵌入一個(gè)或多個(gè)要完成的項(xiàng)目中，指導(dǎo)學(xué)生合理化運(yùn)用教學(xué)資源，自主探究，合作學(xué)習(xí)，通過項(xiàng)目實(shí)施而實(shí)現(xiàn)意義的建構(gòu)。從“信息加工理論”的角度來看，學(xué)生是信息加工的主要實(shí)施者和活動(dòng)的中心，教學(xué)過程是對(duì)一個(gè)個(gè)“問題空間”不斷搜索的問題解決過程[5]。根據(jù)概念界定，計(jì)算思維實(shí)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(dá)到了高度統(tǒng)一。

本文以建構(gòu)主義、信息加工理論為依據(jù)，以“新課標(biāo)”為指導(dǎo)文件，以培養(yǎng)計(jì)算思維為宗旨，將項(xiàng)目教學(xué)法、計(jì)算思維基本方法以及運(yùn)用計(jì)算思維求解問題的五大操作要素融入高中信息技術(shù)課程，構(gòu)建“基于計(jì)算思維的項(xiàng)目教學(xué)模式”（Projectbased Teaching Model based on Computational Thinking，簡(jiǎn)稱為PTCT）。

選擇SPSS23.00軟件進(jìn)行分析,計(jì)量資料采用均數(shù)加減標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)采用構(gòu)成比、率、百分比表示,對(duì)比使用χ2檢驗(yàn)與t檢驗(yàn),檢驗(yàn)水準(zhǔn)為ɑ=0.05。

（二）模式的內(nèi)涵闡釋

該模式以“項(xiàng)目”為中心，以項(xiàng)目的立項(xiàng)、分析、實(shí)施和結(jié)項(xiàng)為主線，在項(xiàng)目計(jì)劃制定中，運(yùn)用“問題驅(qū)動(dòng)”等教學(xué)策略優(yōu)化項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施；在問題情境創(chuàng)設(shè)中，應(yīng)用“導(dǎo)學(xué)平臺(tái)”等教學(xué)資源支持課堂問題解決；在師生活動(dòng)開展中，將計(jì)算思維的本質(zhì)特征和基本方法貫穿融入教學(xué)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立模型、組織數(shù)據(jù)，尋找支持自動(dòng)化執(zhí)行的算法方案并使問題得以解決，總結(jié)方法并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中，最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)的真正落地，體現(xiàn)學(xué)科應(yīng)有的育人價(jià)值[6]。

（三）模式的操作程序

為更好表達(dá)教學(xué)模式實(shí)施過程，本文構(gòu)造一數(shù)學(xué)函數(shù)加以闡釋，即PTCT=F（P，T，CT）。式中，PTCT 是模式名稱（由“項(xiàng)目教學(xué)”和“計(jì)算思維”英文首字母組成），F(xiàn)（）是過程函數(shù)，P（Project，項(xiàng)目）、T（Teaching，教學(xué)）和CT（Computational Thinking，計(jì)算思維）是函數(shù)自變量的三個(gè)參數(shù)。若將參數(shù)虛擬為坐標(biāo)系中X 軸和Y 軸，則參數(shù)P 表示推進(jìn)課堂教學(xué)進(jìn)程的橫向X 軸（時(shí)間軸）上以“項(xiàng)目”為主線的動(dòng)作集，包括項(xiàng)目立項(xiàng)、分析、實(shí)施和結(jié)項(xiàng)；參數(shù)T 則表示開展教學(xué)活動(dòng)的縱向Y 軸上以“教學(xué)”為主線的動(dòng)作集，包括教師活動(dòng)及教師組織活動(dòng)實(shí)施的教學(xué)策略，學(xué)生活動(dòng)及學(xué)生參與活動(dòng)支持的教學(xué)資源；參數(shù)CT 表示應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)且融入P 和T 兩個(gè)動(dòng)作集的計(jì)算思維本質(zhì)特征與基本方法[7]。模式操作程序如圖2 所示。

圖2 “基于計(jì)算思維的項(xiàng)目教學(xué)模式（PTCT）”操作程序

（四）模式的組織實(shí)施

在該模式的實(shí)施過程中，師生按照“項(xiàng)目主線”和“教學(xué)主線”并融合應(yīng)用計(jì)算思維開展活動(dòng)。Y 軸上師生活動(dòng)共同在X 軸（時(shí)間軸）上項(xiàng)目的教學(xué)進(jìn)程推進(jìn)下完成，“教師活動(dòng)”中教師是項(xiàng)目順利完成的協(xié)助者、促進(jìn)者和引領(lǐng)者，“計(jì)算思維（CT）”則貫穿應(yīng)用于項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施的所有環(huán)節(jié)，同時(shí)將“教學(xué)策略”和“教學(xué)資源”有機(jī)連接起來，“學(xué)生活動(dòng)”中學(xué)生圍繞計(jì)算思維五大操作要素完成項(xiàng)目。在“項(xiàng)目立項(xiàng)”環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生確定項(xiàng)目、制定計(jì)劃、創(chuàng)設(shè)體現(xiàn)計(jì)算思維應(yīng)用的問題情境，學(xué)生感知項(xiàng)目需求、激發(fā)計(jì)算思維意識(shí)；在“項(xiàng)目分析”環(huán)節(jié)，教師呈現(xiàn)項(xiàng)目主題，引導(dǎo)學(xué)生界定描述問題，將計(jì)算思維應(yīng)用到分解的教學(xué)任務(wù)中，抽象本質(zhì)特征，學(xué)生收集素材、建立模型并融入系列信息活動(dòng)過程中；在“項(xiàng)目實(shí)施”環(huán)節(jié)，教師在對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用“問題驅(qū)動(dòng)”等教學(xué)策略輔助和引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，為學(xué)生提供“導(dǎo)學(xué)平臺(tái)”等教學(xué)資源作為操作的“腳手架”，支持學(xué)生知識(shí)點(diǎn)建構(gòu)和課堂問題解決[8]，引導(dǎo)學(xué)生尋找并實(shí)施自動(dòng)化方案；在“項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)”環(huán)節(jié)，教師組織學(xué)生完成項(xiàng)目創(chuàng)作和成果展示，總結(jié)和評(píng)價(jià)，鞏固和拓展，將符合自身風(fēng)格的學(xué)習(xí)框架拓展遷移到其他項(xiàng)目中。

三、應(yīng)用探索：項(xiàng)目教學(xué)模式的課堂實(shí)踐

在高中信息技術(shù)課堂中開展基于計(jì)算思維的項(xiàng)目教學(xué)模式應(yīng)用探索，有助于培養(yǎng)學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中系統(tǒng)設(shè)計(jì)和高效求解問題的計(jì)算思維能力，掌握計(jì)算思維的方法論。根據(jù)PTCT，本文以“新課標(biāo)”高中信息技術(shù)教材《必修1 數(shù)據(jù)與計(jì)算》（教科版）“2.1 計(jì)算機(jī)解決問題的過程”一節(jié)中“最強(qiáng)大腦”游戲算法實(shí)現(xiàn)為例，開展實(shí)踐探索，探討在項(xiàng)目立項(xiàng)、分析、實(shí)施和結(jié)項(xiàng)的主線框架下，教師運(yùn)用計(jì)算思維基本方法，打造高品質(zhì)課堂。學(xué)生理解運(yùn)用Python 語言實(shí)現(xiàn)游戲算法的主要過程，感受利用計(jì)算機(jī)解決問題的優(yōu)勢(shì)和獨(dú)特魅力，為在后續(xù)學(xué)習(xí)和生活中更深入理解數(shù)字化工具解決問題打下基礎(chǔ)，以便更好地融入信息社會(huì)[9]。

（一）確定項(xiàng)目需求，發(fā)現(xiàn)生活中的實(shí)際問題

根據(jù)PTCT，在“項(xiàng)目立項(xiàng)”環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生確定項(xiàng)目需求，制定項(xiàng)目計(jì)劃，展示課堂中計(jì)算思維應(yīng)用的本質(zhì)特征和基本方法，創(chuàng)設(shè)問題情境，學(xué)生感知明確項(xiàng)目。

本案例以“讓學(xué)生在項(xiàng)目情境中經(jīng)歷和理解計(jì)算機(jī)解決問題的基本過程”為知識(shí)目標(biāo)，確定簡(jiǎn)易版“最強(qiáng)大腦”游戲算法實(shí)現(xiàn)為項(xiàng)目需求，規(guī)則是：10 秒內(nèi)記憶屏幕上出現(xiàn)的10 個(gè)物品名稱及其編號(hào)，清屏后根據(jù)計(jì)算機(jī)隨機(jī)提問回答5 個(gè)物品對(duì)應(yīng)編號(hào)，最后顯示答對(duì)題數(shù)，答對(duì)越多，則表示腦力越強(qiáng)。游戲算法程序?qū)崿F(xiàn)截圖如圖3 所示。

圖3 “最強(qiáng)大腦”游戲算法的程序?qū)崿F(xiàn)截圖

（二）抽象分解建模，界定問題生成活動(dòng)任務(wù)

在“項(xiàng)目分析”環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生呈現(xiàn)項(xiàng)目主題，界定并描述問題，對(duì)問題解決本質(zhì)進(jìn)行抽象，并將其分解為若干個(gè)容易解決的子任務(wù)，再將子任務(wù)轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)活動(dòng)，形成“項(xiàng)目→問題→任務(wù)→活動(dòng)”主題鏈。學(xué)生按照教學(xué)策略對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行充分討論，并根據(jù)教師提供的“導(dǎo)學(xué)平臺(tái)”等教學(xué)資源收集素材，初步建立項(xiàng)目實(shí)施和問題求解的模型。

本案例呈現(xiàn)的項(xiàng)目主題為：用計(jì)算機(jī)編程方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易版“最強(qiáng)大腦”游戲算法，感受利用計(jì)算機(jī)解決問題的優(yōu)勢(shì)和獨(dú)特魅力；界定并描述的問題為：在Python 程序語言環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)“最強(qiáng)大腦”游戲算法？根據(jù)上述問題描述，結(jié)合計(jì)算思維求解問題的五大操作要素，設(shè)計(jì)并分解出五個(gè)子任務(wù)（如圖4 中1 所示）。

圖4 分解的子任務(wù)、尋找的自動(dòng)化執(zhí)行方案數(shù)據(jù)模型及Python 程序代碼對(duì)應(yīng)關(guān)系

（三）分組協(xié)作探究，尋找并實(shí)施自動(dòng)化方案

本案例根據(jù)上述分解的五個(gè)子任務(wù)，分析從計(jì)算機(jī)解決問題的角度理解需要獲取的計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)化執(zhí)行的必要數(shù)據(jù)（模型抽象），尋找計(jì)算機(jī)編程求解的自動(dòng)化方案（如圖4 中2 所示）。

在實(shí)施自動(dòng)化執(zhí)行方案環(huán)節(jié)，學(xué)生借助導(dǎo)學(xué)平臺(tái)，以Python 為編程工具，以教師提供的“半成品代碼”作為創(chuàng)作的“腳手架”（如圖4 中3 所示），在過程中感悟應(yīng)用計(jì)算思維解決問題的流程和優(yōu)勢(shì)。

圍繞問題描述及分解的子任務(wù)，教師設(shè)計(jì)三個(gè)實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生完善半成品代碼，體驗(yàn)算法設(shè)計(jì)、程序編制、程序調(diào)試及運(yùn)行的基本流程。

（四）總結(jié)反思評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)求解方案拓展遷移

在“項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)”環(huán)節(jié)，學(xué)生在教師引導(dǎo)下完成歸納總結(jié)、成果展示、反思評(píng)價(jià)和拓展遷移。具體而言，教師運(yùn)用計(jì)算思維系列方法對(duì)整個(gè)學(xué)習(xí)過程、問題求解方案及項(xiàng)目作品完成情況進(jìn)行總結(jié)性概括，引導(dǎo)學(xué)生通過電子教室和導(dǎo)學(xué)平臺(tái)對(duì)成果（作品）進(jìn)行展示，同時(shí)在小組內(nèi)和班級(jí)中利用評(píng)價(jià)量表開展自評(píng)、生評(píng)和師評(píng)活動(dòng)，并拓展遷移到更為廣泛的問題解決和項(xiàng)目學(xué)習(xí)中。

對(duì)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(xiàng)目領(lǐng)域中”兩個(gè)方面。首先，對(duì)“最強(qiáng)大腦”游戲算法方案進(jìn)行拓展，通過修改已有程序代碼，提高“最強(qiáng)大腦”游戲難度（如對(duì)需記憶的物品數(shù)目、物品的停留時(shí)間、隨機(jī)抽出物品的數(shù)目進(jìn)行改變，對(duì)輸入的答題序號(hào)與物品名稱進(jìn)行互換等），從而改變算法思想，加深學(xué)生對(duì)程序代碼的認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生討論交流，并在班級(jí)匯報(bào)修改意見，使學(xué)生更進(jìn)一步理解算法思想和計(jì)算思維基本方法在解決實(shí)際問題中的重要意義。其次，將應(yīng)用計(jì)算思維方法求解問題的基本過程遷移到其他未知項(xiàng)目領(lǐng)域中。例如，交通信號(hào)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(jì)算機(jī)編程來模擬控制紅綠燈延時(shí)與切換，將“最強(qiáng)大腦”求解方案，遷移到“紅燈變綠燈”的算法實(shí)現(xiàn)中，設(shè)計(jì)方案中“分解的三個(gè)項(xiàng)目子任務(wù)”及可執(zhí)行的“Python 語言編寫的核心代碼”對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 交通燈“紅燈變綠燈”算法設(shè)計(jì)任務(wù)分解及Python編寫的核心代碼對(duì)應(yīng)關(guān)系

綜上，基于計(jì)算思維的項(xiàng)目教學(xué)模式的應(yīng)用實(shí)踐，充分體現(xiàn)了學(xué)生在項(xiàng)目立項(xiàng)、分析、實(shí)施和結(jié)項(xiàng)過程中，應(yīng)用計(jì)算思維的本質(zhì)特征和基本方法正確描述問題、邏輯分析問題、設(shè)計(jì)并實(shí)施自動(dòng)化方案和推廣遷移方案的思維能力提升過程。在模式應(yīng)用實(shí)踐中，學(xué)生依托教學(xué)資源，開展了基于計(jì)算思維的課前診斷性、課中過程性和課后終結(jié)性教學(xué)評(píng)價(jià)，進(jìn)行了“形成正確計(jì)算思維認(rèn)識(shí)的有關(guān)調(diào)查”和“反映計(jì)算思維能力的相關(guān)測(cè)試”。結(jié)果表明，PTCT 模式在高中信息技術(shù)課程中的應(yīng)用實(shí)踐對(duì)于學(xué)生計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)形成、方法運(yùn)用、能力培養(yǎng)和信息素養(yǎng)提升等方面均有顯著作用。

計(jì)算思維概念的提出、“新課標(biāo)”中學(xué)科核心素養(yǎng)的凝練和項(xiàng)目教學(xué)方式的倡導(dǎo)，為高中信息技術(shù)課程發(fā)展賦予了全新的生命力，學(xué)科四大核心素養(yǎng)之中樞——計(jì)算思維的發(fā)展和落實(shí)必將成為信息技術(shù)教師關(guān)注的重要課題。在高中信息技術(shù)課堂實(shí)踐中開展一系列“基于計(jì)算思維的項(xiàng)目教學(xué)模式”研究與實(shí)踐活動(dòng)，有其重要意義和推廣價(jià)值，必將助推學(xué)生形成正確信息意識(shí)和價(jià)值判斷力，提升學(xué)生計(jì)算思維能力與創(chuàng)新能力，以更好地引領(lǐng)和促進(jìn)高中信息技術(shù)課程的可持續(xù)發(fā)展。