基于计算思维的高中信息技术课程案例研究

邓辉

摘  要： 为了探究高中信息技术课程中教师将计算思维与课程融合的情况，以上海某中学的高中信息技术课程为例进行分析。研究发现案例课程的教学活动较好地体现了计算思维，但课堂中分解和概括部分教学内容还有待优化。文章针对这些问题提出了教学建议。

关键词： 高中信息技术; 计算思维; 案例研究; 核心概念

中图分类号：G633.67          文献标识码：A    文章编号：1006-8228（2020）02-98-04

Case study of high school information technology course Based on

computational thinking

Deng Hui

（Inner Mongolia Normal University， Hohhot， Inner Mongolia 010022， China）

Abstract： In order to explore the integration of computational thinking and curriculum in high school information technology curriculum， a high school information technology course in Shanghai is analyzed as an example. It is found that the teaching activities of the case reflect the computational thinking well， but some teaching contents in the class such as the decomposition and generalization still need to be optimized. This paper puts forward some teaching suggestions for these problems.

Key words： high school information technology course; computational thinking; case studies; core concept

0 引言

关于计算思维的研究历史至少要追溯到上世纪50年代[1]，计算思维研究最早出现在计算机教育、神经科学等领域。美国心理学和教育学家 Robert J. Sternberg指出：思维是能力的基础，学习者不仅需要知识的学习，还需要思维的培养，帮助他们学会发现问题和解决问题[2]。2011年美国已经将计算思维纳入《CSTAK-12标准（2011修订版）》。英国在2013年也将计算思维作为其新信息技术课程的重要内容[3]。我国于2010年7月在西安交大主办了“C9计算机基础教育研讨会”，会上我国多位计算机教育的研究者首次认真的讨论了计算机基础教学中如何培养学生计算思维，并把计算机能力的培养看作是计算机基础教育的核心内容，同时也强调我国现在应该加强培养计算思维能力的课程研究。为了加强中学生计算思维的培养，教育部将计算思维纳入《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的核心素养，并且在课程的学业要求中也多次提出计算思维培养的策略和内容。

计算思维不仅有利于解决实际问题还有利于人们批判思维的发展以及信息素养的发展。学生思维能力的培养也是逻辑能力、创新能力和自我调节能力等的培养，思维作为能力的基础，是教学的重点。

1 计算思维

美国卡内基.卡梅隆大学计算机学院的周以真教授在2006年提出计算思维的概念，认为计算思维就是运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[4]。周教授认为计算思维是通过简化、转化和仿真等方法，把一个看起来困难、复杂的问题重新阐释成一个比较浅显易懂的问题，以便于处理问题。

Selby博士和Woollard博士根据计算课程的理解和实践探究提出了计算思维要素是算法思维、评估、分解、抽象、归纳，其关于计算思维的观点比较适合中小学信息技术教育[5]。算法思维是将解决问题的过程通過流程图等简单结构表示成清晰明确的步骤。评估分析是对算法中方案能否达到目标进行价值判断，这个过程中往往带有反思、批判思想。分解是从子模块的角度来考虑问题，将系统划分为部分，系统经过分解后可以细分为多个部分，每个部分再被逐一解决。抽象是忽略一些不必要的细节内容，隐藏对象的复杂性性，只显示主体部分，从而降低处理的难度。归纳是总结和修改解决问题的方案的，一种模式可以多次利用有利于提高解决问题效率。处理问题需要掌握的是处理问题的技巧，而培养计算思维可以让学生形成一种高效的解决问题的能力。

2 计算思维教学案例

课程教学分析是教师了解课程教学效果、提升教学能力的一种方法，教师通过对他人或自己教学过程的分析从而找出自己在教学中的不足并加以改正。

2.1 教学案例

研究选择了上海市某中学的一个高中信息技术课程，通过分析案例了解涉及计算思维的核心思想是如何在课程中体现的，以及课程的整体活动安排是否有利于培养学生的计算思维能力。案例的课程内容是华东师大新课标“算法与程序设计”（选修）中第二章的基本算法实例中的“选择排序”。教学的对象是高一学生，教学环境是多媒体教室。计算思维的核心是抽象和自动化，编程类课程比较满足计算思维的要求，编程类课程中对数据的表征、建模等教学活动能激发学生的思维。

2.2 该课程的主要目标

要求能描述选择排序的基本思想，能解释并识读选择排序算法的流程图，利用选择排序解决简单的生活问题（知识与技能）。通过微视频，观察并分析选择排序的基本思想。通过实例分析，学会用选择排序基本思想对数据进行排序，能记录每一趟排序后数组中数据的变化。归纳选择排序的规律，迁移到流程图的识读，学会从具体到一般的归纳方法（过程与方法）。感受利用计算机来实现排序的优势，体验选择排序在生活中的应用。积极参与小组合作，感受团队协作共同解决问题的力量（情感态度与价值观）。

课堂主要是情节导入、讲授新课、知识延伸、课堂总结和布置作业五个环节。

第一个环节：情景导入

教师设定一个现实中的真实情景：学生的体质健康状况非常重要，为此，老师课前向同学们做了一项问卷调查，并展示了问卷调查结果。然后让学生们讨论“从调查结果中你发现了哪些结论？假如要从全部数据中找到每周锻炼时间在5小时以上的同学，并授予‘锻炼小达人称号，应该首先对全部数据进行怎样的处理”。这个环节主要是为了引导学生对情景中产生的问题进行思考从而进行课程内容的学习。

第二个环节：讲授新课

⑴ 教师解释什么是排序，并与学生互动解答生活中排序的例子有哪些。

⑵ 让学生带着问题观看视频“选择排序”，教师指导学生一边观看教学微视频一边完成学习单对应的题目，并且在观看微视频的过程中巡视指导。当学生自学视频并完成相应的练习之后教师对学生进行提问，让学生指出每一趟排序后的结果以及数据一共比较了几趟， 之后归纳总结选择排序的过程。通过这个过程学生可以体会降序具体的步骤并理解降序排序中所体现的逐步解决问题的思想。

⑶ 通过新的实例（学生会主席得票数排序）来巩固选择排序的思想。在学生理解了排序的内容之后结合视频截图，启发学生将有N个数组的元素选择排序的算法流程图补充完整，指出选择排序算法的两个关键步骤，在这个过程中学生也能体会抽象思维，培养学生对问题进行细节隐藏处理，确定关键点的思想活动。

⑷ 让学生进行小组讨论，完成第一趟排序寻找最大数的算法流程图。

⑸ 让学生结合之前的两个流程图，上机调试选择排序的程序。

第三个环节：知识延伸

引导学生思考排序的方法其实有很多，不仅仅只有选择排序一种，引导学生思考回，鼓励学生课后的延伸学习。

第四个环节：课堂总结

在该环节展示体质测试成绩，告知学生锻炼对于身体健康的重要性并总结什么是选择排序。

第五个环节：布置作业

让学生设计程序完成任务：将本学期学习的英语单词按照英文字典的排序方式编排成一个有序的单词表并输出。这一环节可以培养学生将这种解决问题的方法应用到其他类似问题中的能力。

2.3 教学案例分析

通过案例分析发现在此课程中计算思维内容主要体现在教学设计和实际的课堂教学过程中，分别以表格的形式呈现对于计算思维体现具体分析的内容。表1表示教学目标中计算思维的体现情况，表2表示课堂中计算思维的体现情况。

从教学设计的计算思维中可知计算思维核心概念并没有包含所有，教学设计中的教学目标还是分析的三维目标，缺乏对计算思维的具体内容分析。

选择排序本就是一种算法思想的体现，教师在教学活动过程中引导学生思考，并在学习过程中也有意识地对学生的抽象思维、评估思维进行了培养。对于教学内容从简单入手，让学生从简单的问题入手抽象出概念，再对概念进行提炼，最后将这种策略方法迁移到解决生活中的问题。课程所涉及到的这种活动过程本来就是对计算思维的高度融合，即让学生在信息活动中能够采用计算机可以处理问题的方式界定问题、抽象概念、建立结构模型、合理组织数据，通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案，总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题中。

在整个过程中学生积极回答老师对排序程序的提问，完成了选择排序学习任务单，对排序步骤进行罗列、整理并展示结果，最后在程序调试出现问题时积极找出存在的问题，集思广益并选择合适的方法解决了问题。

通过对案例的研究分析发现，在这种以教师主导、学生为主体的教学模式中学生基本能较好地完成任务;对于展示问题解决结果这种给他人讲授的方法，不仅可以让其他学生从中学习到内容和受到启发，还可以让其他人通过分析对问题的解答结果来发现问题。

本节课主要体现了归纳、抽象、评估和计算思维四个计算思维的核心概念，课程设计对于分解这一核心概念还没有很好地涉及到，分解可以将复杂的问题简单化，可以总结出解决问题方案的关键点，教师在程序算法课堂中对于算法思想，算法程序的整体结构强调的比价多，对于计算思维IPO（input-process-output）思想融入的还不够。教师对于课堂融入计算思维中评估的概念还可以提高，在课程中教师给出多种调试程序的语句，为学生提供了多种解决问题的方法，但是学生只是停留在简单地选择，由于课堂时间有限等因素，课堂中对几种方案有哪些差异的深入理解环节还没有很好的展示出来。在优化教学中可以通过让将算法处理问题的关键点提炼出来让学生体会就算思维的分解，可以通过学生改正错误程序过程体会不同程序的调试。

3 结束语

在对案例分析的过程中发现，计算思维的五大核心概念对于评价课程中计算思维有很大的帮助，有利于掌握计算机教學中计算思维教学的实际教学情况;除此之外，以核心概念为评价维度对课程教学进行分析进而改进课程的教学，对提高教师能力很有帮助。在高中信息技术教育中教师能正确的把握知识，以生活中的问题引入，最后以处理生活中的问题为落脚点，对于学生计算思维的培养大有好处。在信息技术课程中评价课程的教学，结合定性评价与定量评价更能反映出课堂教学效果，更有利于提出改进课程教学的建议帮助教师更好的实施课程。计算思维是当今国内外研究的一个新领域，也是一个热点，计算思维作为我国高中信息技术课程的核心素养是高中信息技术教育的重点之一。我国的计算思维教学还处于初级阶段，如何设计课程、如何制作教学课程资源、如何从计算思维角度评价信息技术课程等研究，还需要一线教师与计算机教育研究者共同努力。

参考文献（References）：

[1] Denning P J，Denning P J. The Long Quest for Computational Thinking[C].New York：ACM Press，2016：120-129

[2] 斯滕伯格.思维教学——培养聪明的学习者[M].北京：中国轻工业出版社，2001：127.

[3] 肖广德，高丹阳.计算思维的培养：高中信息技术课程的新选择[J].现代教育技术，2015.7：38-43

[4] 周以真.计算思维[J].中国计算机学会通讯，2007.3（11）.

[5] 谢忠新，曹杨璐.中小学信息技术学科学生计算思维培养的策略与方法[J].中国电化教育，2015.11：116-120