基于计算思维能力培养的单元教学设计

张翠红

摘要：计算思维已成为21世纪人才必备的心智素养，是职业学校信息技术课程学科核心素养之一。如何在信息技术课程中培养学生的计算思维，这要求教师进行课程单元教学设计，实现教学设计与核心素养目标的有效对接。本文以职业学校“信息技术”课程程序设计模块为例，探讨基于计算思维能力培养的课程单元教学设计原则和方法，旨在促进职业学校学生计算思维能力的发展。

关键词：计算思维;信息技术课程;教学设计

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1673-9094-（2019）11C-0066-06

《中等职业学校信息技术课程标准》提出，中职信息技术课程学科核心素养主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个方面。其中发展计算思维是关键，为了做好学科育人，通过信息技术课程培养学生的计算思维，本文围绕计算思维的培养，从教学单元目标确定、教学单元内容组织、学习过程设计、评价反思等维度进行课程大单元教学设计，旨在为同行提供借鉴。

一、计算思维的定义和核心要素

计算思维实质上是问题解决过程，国际教育技术协会和计算机科学教师协会给出了一个操作性定义[1]，包括以下六步骤：制定问题、逻辑化组织和分析数据、抽象、支持自动化解决方案、实施可能的方案、推广和迁移。计算思维的核心技能包括抽象与概括、问题分解、算法思维、分析建模、系统化（自动化）、数据实践、评估与改进。

《中职信息技术课程标准（征求意见稿）》中“计算思维”这一学科核心素养的内涵，是指個体综合运用信息技术，分析处理信息，找寻蕴含规律并解决具体问题的思维活动。[2]包括以下三个方面：学生能够运用所学知识和技能，采用信息技术可以处理的方式界定职业岗位和日常生活中遇到的问题，抽象问题特征，以可视化等方式组织呈现信息;熟练使用信息技术工具，结合所学专业，分析和处理信息，形成生产、生活情境中的融合应用解决方案;总结信息技术应用的方法与技巧，迁移到不同类型问题的解决过程中。

二、单元化整体设计：计算思维培养的必然要求

（一）课程有效承载核心素养的要求

如何将学生发展核心素养真正落实到学科教学中，从知识点的学习转变为核心素养的关键能力、必备品格与价值观念的培育，这对教师的教学提出了更高的要求。计算思维是信息技术学科新一轮课程改革的主线，是学科素养的核心，计算思维能力的培养是信息技术课程承载的重要使命。为了确保课程能有效承载培养计算思维能力的要求，教师有必要对教学资源进行二次开发。

（二）计算思维发展对课程设计的要求

中职的信息技术课程包括基础模块和拓展模块，基础模块是各专业学生必修的基础性内容;拓展模块为学生专业学习和职业发展服务。“信息技术”课程要和不同专业结合起来，要把和职场结合的问题、项目纳入教学。

根据课程标准确定的8个基础模块，对应进行8个单元的教学设计，这里每个单元是指向核心素养的结构化的整体，倡导大项目设计，让教师理解学科育人的本质，确立以“学习者为中心”的观念，出发点不仅仅是知识点和技能点。单元大项目由若干学习项目组成，学习项目由学习目标、情境、任务、知识点等构成。

根据课标的内容标准及核心素养要求，将相关的知识或内容结构化，进行整体化的单元教学设计，选择适当的问题、情境、活动，从简单到复杂，从单一到综合，从封闭问题到开放问题，在系统的学习过程中实现对学生从基础知识的掌握到抽象概括、系统化解决问题等维度的计算思维能力培养。如“数据处理”单元模块，设计了4个学习项目：管理我的零用钱、员工工资数据统计表、分析班级学期成绩、生活中的大数据。在此单元整体设计中，从单一、封闭的问题，如项目1中计算零用钱支出值，创建零用钱支出情况图表，到综合、半开放问题，如项目3中根据业务需要能应用合适的函数及简单程序进行较复杂的运算，并对数据进行可视化呈现，到复杂、开放性的问题，如项目4要求能根据自身专业的职业岗位需求，设计简单的数据分析方案，诊断实际工作中的问题，能根据分析结果完成简单预测。单元化整体设计使学生系统化解决问题能力得到提升，使计算思维的培养真正落实到课程。

三、基于计算思维能力培养的教学单元设计

基于计算思维的教学设计，需要按单元设计专业的学习方案。在传统的教学过程设计中，教师大都强调自己要做什么，而不是学生在做什么，很少基于学生的立场。以下从研制单元与项目的学习目标、选择与组织教学单元的学习内容、设计学习过程、设计评价任务和课后反思等几个方面探讨如何设计新的学习方案。

（一）研制单元及项目的学习目标

设计单元教学的学习方案首先要研制单元及项目的学习目标。要把单元目标说清楚，即此单元要解决什么问题，学生能学会什么，得到哪些能力的提升。确立“以学习者为中心”的观念，目标主体必须指向学生，根据学科核心素养、课程目标及学业水平要求，研制单元学习目标;每个单元，由若干个学习项目构成，如何在单元目标的基础上，设计每个学习项目的学习目标？每个项目的目标体系须尽可能抵达学科核心素养点，用“能在什么条件下，做什么事，达到什么程度”的表现性陈述方式。

案例：研制“程序设计”模块单元及项目的学习目标。“程序设计”模块大单元，基础模块部分由绘制图形图表、编写益智游戏、面向对象程序开发三个学习项目构成，拓展模块学习项目是设计一个业务系统。

1.研制单元学习目标。根据《中等职业学校信息技术课程标准》中学科核心素养、课程目标及学业水平要求，将程序设计模块单元学习目标确定为：通过学习，引导学生了解程序设计的基础知识和一般流程，初步掌握程序设计工具和程序设计语言的应用方法，培养学生基于程序设计理念的思维习惯;培养学生基于程序设计理念思考解决问题的能力，并迁移到网络管理、数据处理、图文编辑、人工智能等应用情境中;根据业务需求使用可视化工具设计应用程序界面;进行程序功能设计;测试和发布应用程序。

2.研制项目学习目标。每个项目的目标体系须尽可能抵达学科核心素养点，用“能在什么条件下，做什么事，达到什么程度”的表现性陈述方式。以“编程开发益智游戏”项目为例，该学习项目目标确定为：通过分析开发益智游戏的需求，自主归纳要解决的问题，了解程序设计的过程控制这一基本理念和方法;通过流程控制语句解决多重条件控制这一问题;通过编写益智游戏培养学生基于程序设计理念思考解决问题的能力;通过探讨密码安全强度等问题的解决方案，培养基于程序设计理念思考解决问题的能力，并迁移到网络管理、信息安全和人工智能等应用情境中。

（二）选择与组织教学单元的学习内容

教学内容的组织要基于学习者的认知基础，符合计算思维发展规律。如“信息技术”课程程序设计模块单元，包括基础模块“程序设计入门”及拓展模块“设计应用程序”。从抽象问题—解决问题—发展迁移能力的逻辑组织教学内容。

案例：程序设计模块单元教学内容组织。如图1基于计算思维培养的单元化教学设计案例，项目、任务、活动及问题基于计算思维的发展、问题解决能力的提升及知识建构进行整体化设计。

1.项目设计。程序设计模块大单元，以培养学生计算思维能力为出发点，围绕计算思维这一核心素养选择教学内容，设计学习项目，在梳理内容的基础上，基础模块“程序设计入门”，教学大单元设计了三个学习项目将课程内容要点全覆盖，并采取层级化设计，三个学习项目绘制图形图表、编写益智游戏、面向对象程序开发努力做到内容要点由易到难梯度进行。

每个项目关照到计算思维的抽象问题、解决问题、迁移能力三步过程，从教师引导到学生自主学习，逐步增加难度。①抽象问题。第一个项目可以由教师引导学生抽象归纳问题，最后一个项目提供具体情境，让学生自主归纳要解决的问题。②解决问题。解决问题阶段，因为涉及很多编程技术知识，以教师主导下的学生探究模式展开。③迁移能力。以问题讨论的方式引导学生学会思考，提出解决问题的方案。

2.任务设计。每个项目的任务（问题、活动）设计由简单到复杂，从单一到综合，问题从封闭到开放，根据学生学习的认知规律来设计，让学生在真实的情境中完成具体任务。

如“编写益智游戲”项目设计以计算思维为统领，由易到难设计三个层次分明的任务，任务一是“编制简单数字游戏”，任务二是“开发数学测试游戏”，这两个任务，从分支结构到多分支选择结构，从易到难的设计，遵循学生学习规律。任务三是“探寻问题解决方案”，包括检查并判断密码字符串的安全强度等问题，问题的设计从封闭性到开放性过渡，培养学生基于程序设计理念分析问题、解决问题的能力，在前两个任务学习的基础上，通过任务三将该类问题的解决过程推广和迁移到更广泛的应用情境中。在拓展模块“设计应用程序”，设计一个业务系统——选课系统，通过组建工作团队，协作完成简易选课系统的业务需求、模块规划、功能设计、应用测试、文档编写、程序发布等任务，体验软件设计的完整流程。

通过选择逐层递进的任务，组织循序渐进的学习项目，达成单元教学目标的要求。

（三）设计教学单元的学习过程

在单元目标确定之后，学生有没有学会，通过怎样学习才能学会？如何知道已经学会了？学习过程实质是设计学生的学习经验，根据学生现有学习水平使之达到教学目标的过程。设计教学单元的学习过程指向学科核心素养，以项目学习目标达成为逻辑，是进行项目的学习过程的设计。

1.计算思维教学的组织形式、教学模式。计算思维教育不同于传统教学，需要更具体的教学设计策略，国内学者牟琴等提出计算思维的任务驱动式教学模式、探究教学模式等，鲍宇等提出“阶梯式”引导的计算思维自主养成模式。计算思维的学习是一种从基本的计算思维模式入手的螺旋式渐进的过程，要注意计算思维培养的层次性和渐进性。

教学中，通过项目载体、任务载体、问题载体等方式展开学习活动，使学生在问题、任务的驱动下开展探究学习，进而发现问题、分析问题、解决问题，自主建构知识体系。教师应开展创造性学习活动，加强师生互动，引导学生发展思维。通过完成学习任务，培养学生思考问题、解决问题的能力。图2是基于计算思维培养的教学组织流程图。以任务驱动，教师引导学生小组合作探究，分析问题、解决问题，完成层次递进的系列任务，并进一步探讨与生产生活相关的问题解决方案，使能力迁移。

2.基于计算思维培养的教学组织流程。（1）学习项目组织流程。教师的“教”和学生的“学”以及他们的互动关系，共同组成教学过程的流程（图2）。学生课前预习为完成项目打好基础，在任务发布后，学生进行合作与探究，讨论解决问题的思路;在教师的精讲与引导下，完成一系列层层递进的任务，并进行评价反思，使分析问题、解决问题及迁移能力得到发展。

案例：学习项目“编写益智游戏”的教学组织流程。“编写益智游戏”项目任务的实施（如图2），以教师引导、学生自主探究模式展开。

任务一是教师引导下的学生探究模仿。“编写简单数学游戏”任务，以教师引导、演示较多，学生在教师的引导下探究、模仿完成任务，学习知识技能，培养计算思维能力。任务二以学生自主探究为主解决问题。“编制数学计算游戏”以小组讨论、自主探究为主，通过讨论探究，学生自主归纳要解决的问题，讨论解决实际问题的思路，编写程序代码，并调试运行。任务三解决实际问题，培养迁移能力。“程序设计”模块，只有18课时，通过几个有限的任务，对学生计算思维能力的培养和提高不能起到很好的作用。计算思维能力培养的实质是问题解决能力，如何能在实际工作生活情境中找到问题解决的方案是关键，因此，在任务一和任务二的基础上，第三个任务设计为“探寻解决问题的方案”。

如，探寻“检查并判断密码字符串的安全强度”这一现实生活中常见的问题，学生在教师引导下分析判断字符串作为密码时安全强度的依据，明确密码强度等级的分级方法，遍历并统计字符串中的每类字符，根据判断及实际对应关系解决问题。这个问题的解决，因课时的关系，不一定要通过编写代码实现，但是通过分析问题解决方案，培养了学生的迁移和推广能力。这是计算思维能力的重要表现。又如列举用流程控制解决的问题，流程控制是程序设计中重要的编程理念，在学习项目完成后，引导学生思考用所学知识解决现实中的相关问题，通过算法思想来支持自动化解决方案，让学生的计算思维能力又上了一个层次。

3.任务学习组织流程。在一个学习项目中，每个任务展开实施的过程中，以学生计算思维能力培养为主线，设计一系列教学环节进行教学组织：分析设计算法——编制各模块程序——编制完成该任务。在每个环节中，以分析问题、解决问题、设计算法、画流程图、编写代码、调试运行等活动训练学生的计算思维能力。如表1。

案例：“编制数学计算游戏”任务学习过程设计。教师通过组织小组讨论，引导学生自主探究问题，在分析问题、寻找解决方案（设计算法、画流程图）、解决问题的过程中引导学生思维的发展和提升。

（四）设计评价任务和课后反思

从“在何种情境下能运用什么知识完成什么任务”评价计算思维的达成程度。评价任务和学后反思是教學过程的关键环节，从具体的知识与技能到核心素养的升华是需要学生来悟的，计算思维是解决具体问题的思维活动，教师要设计提供反思的情境，提升学生的计算思维能力和解决问题的能力。如“程序设计”教学单元，设计了经典的猜词游戏开发这一问题情境，设计支架引导学生找到解决问题的方案和算法，让学生通过所学知识技能编程解决问题。

四、结语

指向学科核心素养的教学大单元设计是新课程改革的要求，“信息技术”课程是培养学生计算思维的主要载体，除程序设计模块（学习领域）之外，如数据处理、信息安全、人工智能初步等学习领域，都蕴含着计算思维能力。解决问题能力的培养需要“以学习者为中心”设计新的学习方案，让计算思维能力的培养落地可行，教学单元设计要综合相关元素考虑，设计出相对完整的设计方案，包括项目名称、教学目标、情境任务、评价任务、课后反思等。

除中职信息技术课程外，计算思维能力可以在计算机专业课，数学、工程等相关课程统筹培养，同时，相应的学生活动也是计算思维能力培养的有益补充。以培养学生解决问题能力为原则，开发课程项目，将会使学生积极参与讨论与探究，实现深度学习，使计算思维能力得到提高。

参考文献：

[1]陈国良，董荣胜.计算思维的表述体系[J].中国大学教学，2013（12）.

[2]张学军，郭梦婷，李华.高中信息技术课程蕴含的计算思维分析[J]. 电化教育研究， 2015（8）.

责任编辑：陈向阳

Unit Teaching Design Based on the Cultivation of Computational Thinking Ability

ZHANG Cuihong

（Nanjing Vocational College of Finance and Economics， Nanjing 210001， Jiangsu Province）

Abstract： Computational thinking has become a necessary mental quality in the 21st century. It is one of the core disciplines in the information technology curriculum of vocational schools. How to cultivate the students' computational thinking in the information technology curriculum requires the teachers to carry out curriculum unit teaching design， and realize the effective coherence between the teaching design and the core literacy objectives. This paper discusses the principles and methods of curriculum unit teaching design based on the training of computational thinking ability by taking the program design module of information technology as an example， aiming to promote vocational school students' development of computational thinking ability.

Key words： computational thinking; information technology curriculum; teaching design