职业院校学生计算思维培养的实践研究及启示

摘要：计算思维教育是新形势下职业院校提高人才培养质量的必然追求。本文对如何在职业院校培养学生计算思维能力进行了实践探索，从系统规划的角度设计职业院校学生计算思维能力培养方案;明确计算思维培养的路径和方法;开发基于理解和计算思维能力培养的课程单元教学设计方案，指导教师在不同专业进行迁移和操作，有效进行教学设计;从实践教学的角度提出引导学生深入探究，发展计算思维能力的教学组织模式。根据实践反思，从课程单元教学设计及教学实施角度得到启示并提出建议，以期为同行提供参考和借鉴。

关键词：职业院校;计算思维;问题探究;理解为先

中图分类号：G715 文献标志码：A 文章编号：1673-9094-（2021）12C-0075-06

计算思维是信息时代处理问题的一种重要思维方式。教育部发布的中职和高职信息技术课程标准中明确指出，计算思维是学科的核心素养之一，强调了核心素养对课程的统领作用，并对计算思维培养提出了具体要求。本文对职业院校培养学生计算思维进行研究探索。

一、计算思维教育是职业院校人才培养的应然追求

（一）计算思维的本质是解决问题的思维和能力

周以真教授认为，“计算思维”是一种解决问题的思维过程，能够清晰、抽象地将问题和解决方案用信息处理代理（机器或人）所能有效执行的方式表述出来[1]。职业院校信息技术计算思维是解决问题的一种客观思路，从分析问题、理解问题、识别问题再到解决问题，是学生知识体系构建，养成逻辑推理能力的重要素养。

（二）计算思维教育是培养创新型人才的有效路径

通过调查，目前职业院校在对学生计算思维能力的培养方面存在欠缺，计算思维的培养是提升学生问题解决能力和创新能力的有效途径，在国家实施创新驱动战略的新形势下，培养学生的计算思维势在必行。

二、探索职业院校学生计算思维培养路径，系统设计培养方案

职业院校学生计算思维能力培养强调系统性和螺旋上升性，根据人才培养现状，设计系统性培养方案。

（一）探索职业院校计算思维培养的路径和方法

1.分析信息技术课程蕴含的计算思维要素[2][3]。基于计算思维概念框架视角，中职信息技术课程中蕴含的计算思维要素分布在不同的课程模块[4]，如信息技术应用基础、程序设计入门、人工智能初步及机器人操作课程模块等，能很好地体现计算、抽象、自动化、设计的思想和方法。通信、协作的思想和方法则在网络应用、小型網络系统搭建模块中集中体现。

2.从计算思维操作性定义视角探索培养方法。信息技术课程中运用计算思维解决问题的过程包括“制订问题—组织分析数据—抽象再现数据—支持自动化解决方案—探寻有效方案—应用于更广泛问题和情境”几个步骤。

综上，根据信息技术课程蕴含的计算思维分析及运用计算思维解决问题的流程，明确计算思维能力培养的路径和方法，主要是单项培养和综合性训练相结合的方法。

（二）系统设计职业院校学生计算思维培养方案

1.计算思维能力培养以信息技术课程为主。信息技术课程中蕴含着计算、抽象、设计等计算思维要素，基于计算思维进行教学方案设计，探索培养学生计算思维能力的有效策略，探索教学模式变革，如以问题引领、项目任务驱动、小组合作等方式开展教学，使计算思维贯穿于信息技术课程教学过程的每一个环节中，通过项目任务的实施进行发展和评估。

2.计算思维能力在计算机专业课程、数学等相关课程统筹培养。除信息技术课程以外，还需要数学、计算机专业课程等相关课程统筹培养学生的计算思维能力。贯彻计算思维能力培养理念，以问题解决及迁移的思路进行课程设计。

以计算机网络技术专业为例，在实施性人才培养方案的设计上，以计算思维培养为主线重构并系统设计课程体系，包含平台课程、核心课程、方向课程及专业技能实训课程。在学期安排上，贯穿计算思维相关要素，使计算思维能力的培养螺旋上升。数学课程是学生发展计算思维的重要平台，如“算法”部分的学习，教师引导学生对生活中的具体问题进行算法设计。

3.计算思维能力培养还需要学生活动进行有益补充。除了课堂教学，在活动课程中也要注重培养学生计算思维能力。课题组通过VEX机器人课程、VR设计等活动课程进行实践和探索。以计算思维能力培养为主线，培养学生抽象、归纳、迁移等能力。

三、开发职业院校基于计算思维培养的教学设计方案

（一）明确信息技术课程单元设计的原则

由美国的课程专家格兰特·威金斯和杰伊·麦克泰（Grant Wiggins，Jay McTighe）创立的“理解为先设计理论”（Understanding by Design，即UbD）反映了为理解而教的理念，可以帮助学生获得深入的理解，并参与真实的情境性评估，掌握学习迁移能力，是培养学生计算思维能力的有效路径[5]。

理解为先设计[6]认为，当教师的教学旨在使学习者理解可迁移的概念和过程，给其提供更多机会将理解的内容应用到真实情境时，才更可能获得长期的成就。基于计算思维培养的单元设计目标要使学生获得深入持久的理解，单元设计应该包含提问、质疑、提议等环节让学生进行探索，关注如何通过事实和技能获得理解，提升能力，遵循“明确预期学习结果及目标—确定恰当评估方法—规划相关教学过程”三阶段设计过程。

（二）明确信息技术课程问题设计的原则、过程和方法

学会迁移是教育的长期目标，理解意义是学习迁移的前提，不断提出核心问题并引导学生主动质疑，是激励学生不断主动地挖掘深入内容，达成深度学习的有效策略。

问题设计原则。一是要依据课程标准，问题选择要和真实的生活和岗位情境联系。二是根据认知规律将问题展开与转换迁移。根据认知规律，问题设计层层递进，从单一到综合，从封闭到开放。问题转换的关键在于通过问题产生思维迁移，解决生活中的问题。

问题设计的过程和方法。首先，设计核心问题并将问题情境化。依据课程标准和教学内容要求，基于计算思维能力的培养设计核心问题。依据职业院校学生的特点，结合学生实际生活及未来岗位需求，设置问题情境。其次，提供解决问题的支撑。教师要搭建支架，让学生沿着一条清晰的解决问题的脉络逐步推进。同时，教师要作为学生学习的有力支撑，提供丰富的资源，以便学生随时获取处理问题的信息。如中职信息技术课程程序设计入门单元的一个核心问题是：如何通过程序设计的方法解决现实世界中业务场景和生活场景的具体问题？核心问题引导学生探讨需要持久理解的内容，给学生提供学习迁移的机会，将所学自主地应用到新的情境中，使学生能通过解决问题达成学习目标。

（三）基于整体方案，形成基于计算思维培养的单元设计框架

1.设计课程教学的整体解决方案。以职业院校信息技术课程为例，计算思维是信息技术学科的核心，要和不同专业结合起来，教学目标的确定是重点，问题、情境、活动、项目内容的设计和选择是关键，需结合职场进行课程教学的整体设计和单元化教学设计。

2.借鉴UbD模式，依照“逆向设计”的三个阶段，确立课程单元设计框架。

第一，明确预期学习结果及目标。明确单元预期学习结果及目标，在单元学习目标基础上，分解确立单元中每个项目的学习目标。目标中包含学习迁移、知识技能、核心问题等元素，其中问题是为了达到预期的学习目标。

第二，确定恰当的评估方法。评价作为衡量学习者计算思维水平以及判断计算思维能力的关键环节，可以分为三大类型——评价任务、题目测试、评价量表。三种形式可以结合使用。

第三，規划相关教学过程。教师要思考什么样的学习活动可以帮助学生达到目标并且在评估中表现优异，并根据教学单元的学习目标，选择与组织学习内容，设计一系列活动和任务，让学生通过一系列活动完成学习任务并达成目标。

（四）开发基于计算思维培养的信息技术课程教学设计方案

通过研究，明确在教学设计过程中问题选择的基本特征，研究问题转换的方法及关注点，开发单元教学设计方案的案例指南，通过案例指南指导教师在不同专业进行迁移和操作，有效进行教学设计。

1.明确预期学习结果，研制单元学习目标。依据教育部发布的中职信息技术课程标准，根据学科核心素养与课程目标、学业质量要求确定预期学习结果和目标。

“理解为先设计理论”将理解分为六个维度——解释、释义、应用、洞察、移情、自知。解释和释义强调对现象的分析和对问题的理解;应用强调能够灵活、恰当地将所掌握的基本的知识和技能应用到新的情境中或解决新的问题;洞察，强调学会质疑、探究和论证;移情和自知强调完善和改进。课标中程序设计入门单元的计算思维学业质量要求关键词是掌握方法、形成问题解决方案、解决实际问题、形成问题优化解决方案。“理解”正是本单元计算思维质量要求的核心，按以下三个步骤确定预期学习结果和目标。

首先，确定学习迁移能力，强调应用获得的理解、知识和技能解决现实生活中的具体问题。其次，确定深入持久理解的内容及核心问题。在进行单元设计时，需要围绕单元的重要思想确立核心问题，为理解性学习和发展计算思维提供框架。学生在经历真正的理解性学习时，经常会不断地提出质疑，一系列问题的探究形成对核心问题的回答。最后，确定需要掌握的知识和技能。

2.确定达标证据，设计评估方法。在这个阶段教师要确定能够证明学生已经理解的有效证据，为教学单元设置一定的评估标准。评估可以通过多种形式进行，教师根据教学内容及学生学习特点选择合适的方式。在确定评估标准的基础上，设计真实的情境任务，制订评估量表及测试是常用的方式。

（1）确定评估标准。根据预期目标，本单元评估标准确定为：一是从计算思维运用、结构及语法规范、调试优化等方面评估应用程序设计解决问题的能力;二是掌握用程序设计的思维解决现实生活及生产中实际问题的方法;三是掌握编写简单程序的知识和技能。

（2）设计恰当的评估方法。第一，设计教学情境和任务。确定能够考察学生理解和迁移的情境，开发教学项目，以此提供反思和评估平台。抓住计算思维和项目任务及单元内容的关联点，与第一阶段的预期目标保持一致，开发三个项目任务：绘制螺旋线、编写益智游戏、开发弹球游戏。任务层层递进，学生通过完成真实情境任务、自我评估、反思改进，发展计算思维。第二，设计评价量表。设计评价量表时关注学生计算思维能力的发展，评价量表的设计由通用和单元内容两部分组成，关注学生问题分析与解决能力、协同合作能力、算法思维、批判性思维和创造力。

3.规划相关教学过程。这个阶段需要安排相关的教学活动和学习体验，确保学生通过设计的一系列教学活动获得真正的理解和计算思维训练。

指向预期学习结果和目标，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教学项目、任务、活动的整体化设计和实施。以计算思维能力训练为主线，选择与组织学习内容，将计算思维能力训练贯穿在系列活动中，引领学生思维能力提升。在程序设计入门单元教学活动中，教学内容按模式识别—抽象问题—解决问题—发展迁移能力的逻辑进行组织。

基于理解和计算思维训练安排教学活动的操作流程：明确教学目标—情境引入，激发学习意愿—逐步探究主题，分析并实施任务—反思学习过程—评估（展评）学习所得—改进优化—拓展学习。不同主题的学习单元根据内容特点，教学活动展开形式有差异。

四、推进职业院校计算思维培养的教学实践路径

基于计算思维的方法，以项目化、任务驱动、问题探究等方式进行教学，在教学过程中以核心问题及深入理解引导学生深度学习和持续探究，是进行计算思维培养、发展学生计算思维能力的有效路径。

（一）基于计算思维实施项目化探究教学

基于项目化学习流程，教学设计分解为以下六个步骤：需求分析—探究开发思路、制订解决方案—活动探究—完成项目任务—项目展示、分享交流—项目测试、迭代优化。在项目化探究教学活动中，教师设置探究任务和问题，提供资源，引导学生依据自顶向下的原则，建立大的逻辑框架，逐步细化，探究解决问题的方案，并对学生提供帮助。学生在教师的引导下查阅资料，讨论探究，运用简约、分解、抽象、建模、转化等计算思维方法分组协作，讨论解决方案，完成项目任务。

按项目化工作流程，选取完整的项目，设计基于计算思维能力培养的项目化探究学习活动流程，分解为五个步骤：需求分析—确定开发流程—项目逻辑结构及技术分析—实现项目功能—项目评估优化。在学习活动的每个环节中，通过教师提出探究问题，设计探究活动，组织学生通过调查、小组讨论、体验尝试、查阅资料、画思维导图和流程图、教师解惑、头脑风暴、交流分享、实践探索等多种方式进行活动探究。在活动探究的过程中引导学生发展系统性思维、逻辑思维，抽象、分解、建模、简约等计算思维，从而使学生的思维能力和解决问题能力得到提升。

（二）基于计算思维实施任务驱动教学

任务驱动教学模式以学习者为中心，强调学习者的学习过程和学习任务相结合[7]，在创设的教学情境中，以任务为主线，教师为主导，学生为学习主体，以任务驱动教学。

在基于计算思维的任务驱动式教学过程中，围绕核心问题，教师和学生以计算思维的一系列方法，如：关注点分离、抽象、分解、冗余、容错等计算思维方法，围绕任务展开教与学活动，教师引导学生将所学知识进行理解、迁移和应用。

教师活动主线由课前准备、任务设计、任务呈现、任务分析、指导实施、总结评价几个步骤组成，学生活动主线则对应包括学习准备、明确任务、任务分析、任务实施、成果展示、反思評价几个步骤。

（三）基于计算思维实施线上自主探究学习

基于计算思维组织学生进行线上学习是一种有效的学习方式。开发网络课程并提供丰富的网络资源，通过泛雅学习平台组织学生进行线上学习，教师参与学生的学习过程，把握正确的学习方向。学生通过相应的信息检索、筛选进行自主学习，从中解决相应的学习问题，同时对知识巩固内化、拓展迁移，通过实践发现线上自主学习模式有助于学生进行深入学习，提高计算思维能力，同时学生还能自主利用线上资源建构自己的学习模式，从而使学习更主动。

如何引导学生顺利开展学习活动，教师的学习问题和任务的选择是关键，问题设计要层次清晰，搭建问题支架，让学生在解决复杂问题时，能够在已学的知识结构的基础上通过关注点分离、约简、分解等计算思维方法将问题进行解析，通过协作、迁移从而找出解决问题的途径。

五、启示和建议

通过对职业院校计算思维培养的实践研究，提出如下建议，供我国计算思维教育者提供参考与借鉴。

1.系统设计，将计算思维与不同学科深度融合。基于真实生产生活，创设教学情境，激发学生的学习兴趣。在信息技术课、专业课、综合实践活动中，师生通过灵活多样的方式进行探究，形成解决方案，将计算思维要素融合于解决问题的过程中，提高学生的计算思维能力。

2.理解为先，基于核心问题进行教学设计和实施。基于预期学习结果和目标进行逆向设计，提出核心问题，引导学生主动质疑、深入挖掘，达成目标;确定恰当的评估方法，通过真实的情境任务等方式评估学生对所学内容的迁移和理解;规划相关教学过程，创设学习空间和环境，通过项目化探究教学、任务驱动教学、线上自主探究学习等方式，结合不同学段学生的特点，通过流程图（类图）、思维导图等方式使思维可视化，通过头脑风暴、自主探究、反思改进等方式，使学习深度化，发展学生计算思维。

3.多元风格，基于计算思维培养发展学生创新能力。设计多元风格，组织教学活动。学生的个性化决定着不同个体计算思维的发展适合不同的路径，教师需要设计多元的项目任务、评估方式、教学及学习组织过程，发展计算思维，培养创新型高技能人才。

参考文献：

[1]陈鹏，黄荣怀，梁跃，等.如何培养计算思维——基于2006—2016年研究文献及最新国际会议论文 [J].现代远程教育研究，2018（1）.

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

[3]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）.

[4]张翠红.职校学生计算思维能力培养策略——以信息技术课程为例[J].江苏教育，2020（1）.

[5]吴新静，盛群力.理解为先促进设计模式——一种理解性教学设计的框架 [J].当代教师教育，2017（6）.

[6]格兰特·威金斯，杰伊·麦克泰.理解为先模式单元教学设计指南（一）[M].盛群力，沈祖芸，柳丰，等，译.福州：福建教育出版社，2018.

[7].牟琴，谭良，周雄峻.基于计算思维的任务驱动式教学模式的研究 [J] 现代教育技术，2011（6）.

责任编辑：陈向阳

本文系第四期江苏省职业教育教学改革重点资助研究课题“职业学校学生计算思维能力培养的实践研究”（项目编号：ZZZ8）阶段性研究成果。

收稿日期：2021-10-25

作者简介：张翠红，南京财经高等职业技术学校（江苏南京，210001）高级讲师，主要研究方向为职业教育课程改革。