基于计算思维培养的信息技术拓展课程实践探究

【摘要】本文基于计算思维是信息技术学科的核心素养之一，论述在义务教育信息技术拓展课程培养学生计算思维的方法，即通过“研、教、学、评”一体化设计和可视化编程拓展课程开发，促进学生计算思维的发展。

【关键词】计算思维 拓展课程 可视化编程 教学模式 评价指标

【中图分类号】G62 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）25-0057-05

2017年，计算思维被确定为信息技术学科核心素养之一。如何有效培养学生的计算思维是信息技术学科教师面临的挑战。国际上的普遍做法是通过课程建设予以解决，如美国、澳大利亚等国家为了培养学生的计算思维，开设了面向STEM（科学、技术、工程和数学）的全新课程，在课程实施工具方面，采用图形化编程，使学生不必面对晦涩难懂的代码语法，从而扫除了编程语言的障碍，使学生可以直接涉足设计与创造。

为了有效培养义务教育阶段学生的计算思维，笔者在借鉴国外经验的基础上，于2020年组织柳州市51所中小学校的相关教师及100名信息技术学科教师，开发了基于计算思维培养的义务教育多学科拓展课程。下面，笔者介绍如何通过“研、教、学、评”一体化有效设计和开发义务教育信息技术拓展课程。

一、“研”——目标正确与内容科学的保证

（一）科学制订课程目标

开发和建设信息技术拓展课程，首先需要确定课程目标，其次需要制订课程框架、内容，继而研究解决课程实施过程中的一系列问题。为使制订的信息技术课程符合学科改革发展需求，笔者带领团队对学段学情、现行信息技术教材的不足、信息技术课标衔接进行了调研。

1.调研可视化编程普及情况

我们团队对部分学校三至六年级学生进行不记名问卷调查，共收回问卷2 055份。调查发现，在三年级、四年级学生中，有48%的学生从来没有接触过可视化编程，了解可视化编程软件的学生不足26%。五年级、六年级学生中，有41%的学生从没学过编程，了解可视化编程的学生不到21%。而在接触过编程软件的学生中，超过54%的学生是在学校社团或竞赛队伍里学习编程，通过校外培训机构接触的有29.47%，有极少数学生是在家长的引导下自学的。

2.研析现行教材内容

2021年广西科教版《信息技术》教材涉及编程方面内容的只有五年级下册主题四《能说会道新朋友》，共有3课时3个任务，以体验、感受居多。初中教材（2016年版）只有八年级下册有4个主题涉及可视化编程，但这4个主题均是选修内容因而缺乏课时保证。

3.研读课程标准中的相关要求

《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》指出：课程要通过丰富多样的任务情境，鼓励学生在数字化环境中学习与实践；倡导基于项目的学习、多元化教学策略；课程设计体现层次性、多样性和选择性；在课程中嵌入与信息技术相关的社会现实问题情境，结合数据加工、问题解决和信息系统操作的真实过程，发展学生的计算思维；构建基于学科核心素养的评价，改进学习，优化教学和整体性评价。

综合以上几点，我们制订了基于计算思维培养的信息技术拓展课程目标：营造真实有趣的情境，通过提供丰富的数字化资源开展教学，帮助学生初步了解利用计算机科学基础知识解决问题的一般步骤、方法，会识别和进行简单问题的分析、拆解、抽象、建模、算法实现，能够自主、合作探究完成简单问题解决方案的制订，并通过软件平台编程、调试实现自己的创意及设计，初步培养学生的计算思维。

（二）科学选择课程内容的三个原则

1.多元化原则

（1）平台多元化

我们利用不同平台建设立体化的拓展课程，包括可视化编程、STEM课程、脚本语言Python课程等，满足不同学段、不同层次学生计算思维的培养需求。可视化编程引入“点猫科技”公司的源码编辑器，让学生通过玩积木方式创造游戏、故事、动画、应用程序等；STEM则以图形设计类“卡魅”“3D One”为平台开发教学内容，让学生解决问题具象化；Python课程采用海龟编辑器，适合学生从可视化编程向代码编程进阶。各实验学校可依据本校师资及条件选择合适的平台开设信息技术校本拓展课程。

（2）应用多元化

信息技术拓展课程的开发，应该为学校学科竞赛、社团活动、课后服务、特色课程开设等提供足够的支撑，主要包括以下方面。一是个别化拓展内容。学校从社团建设、学科竞赛角度考虑，挑选逻辑思维强、天赋高，对编程较感兴趣、有特长的学生，为他们提供与所学课程专题有关的知识，但又超出正规课程所覆盖的广度和深度。如Python平台课程，适合于逻辑思维强、数学功底好、爱好编程的初中生。此类拓展课程，适合社团课或信息“奥赛”成员学习。STEM课程内容跨学科融合，对学生的创新及动手能力要求较高，有些模块还需要一定的硬件设备，适合小范围开设。二是延伸性拓展内容。该内容针对全体学生，是学科正规信息课程的延续、深入、丰富。如小学可视化编程课程，有助于学生在源码编辑器中以游戏化、项目化的方式开展学习，完成对初级算法知识的学习和入门。素材库有趣多样，丰富的原创IP为学生构建了充满故事和真实感的源码世界。由于软件平台操作人性化、可视化、兴趣化，入门槛低，适合全体学生学习。

2.学段有效衔接原则

信息技术拓展课程内容的选取，要考虑不同年龄段学生的发展需求，原则上要小学、初中、高中一体化构思，义务教育要与高中教育有效銜接，小学低年级到高年级逐渐从形象思维向逻辑思维方向转变。

基于此，笔者的研究团队在选取小学拓展内容时，以可视化编程、STEM简单项目为主，而初中拓展课程则在小学基础上加大项目难度，加强算法学习，增加代码编程内容，如在可视化编程、STEM基础上，开设Python课程作为提升、补充，螺旋式培养学生利用计算机科学基础知识解决问题的能力，也保证初中生进入高中后可以无缝衔接，顺利适应以Python语言作为编程平台的高中课程内容学习。

3.生活真实化原则

培养计算思维的最终目的不是停留在课堂上解决问题，而是回归实际生活解决问题，即学生在遇到实际问题时，能够自然而然地运用课堂上形成的思维意识和能力来解决问题。因此，营造来源于学生身边的、熟悉的真实情境并设计真实的任务，成为课程开发的重点。

一是以学科融合为切入点，以学生日常生活为主线。小学生偏向形象思维，抽象思维、逻辑思维较弱，我们主张设计看得见、摸得着、听得到的情境化、游戏化、故事化学习主题，在知识与生活之间建立有意义的联系，促进学生理解与掌握知识。例如，我们所设计的其中一本拓展教材内容，就是由教师带领学生和“小Z”（编程软件虚拟角色）交朋友、做运动、学画画、讲故事、做算术、玩游戏，使学生能够轻松愉快地学习知识。教材中的案例涉及小学语文、数学、科学、体育等多学科融合，每个案例都有“跟我学”“小提示”等板块，编排结构合理，内容丰富实用。

二是以家国情怀为切入点，以地方民族风情为主线。我们以柳州各景点的游览作为初中可视化编程拓展教材的编写主线（如表1），设计出独具柳州特色的“小螺哥”“三妹”角色形象及教材图片素材，以顺序、选择、循环、函数几大编程算法作为教材编写的暗线，恰到好处地将本土特色和知识点相融合。每个章节都采取“两课操作案例+一课算法专题”的形式进行架构。案例课在做中学，难度递进提升；专题课对主要算法思维进行强化，并结合日常生活理解和运用算法，培养学生的计算思维。

三是以“学以致用”为切入点，以身边数据信息处理为主线。利用所学去分析、挖掘身边一些事物的内涵及规律，解决一些现实问题，这是深受学生欢迎的教学方式。初中是学生形象思维向抽象思维转变的阶段，学生的编码能力变强，能理解事物表象背后的一些道理和规律。为此，初中Python拓展课程的设计，以零基础为起点，内容贯穿顺序、选择、循环三大算法，以案例教学为主，坚持学以致用（如表2）。通过学习，学生能够融会贯通，完成较复杂的数据处理项目，体验到利用计算机科学知识解决问题的高效性，继而有效激发学习、探究的热情，加深对抽象知识和自动化知识的理解。至于平台，我们选择海龟编辑器。海龟编辑器兼顾积木式编程及代码编程两种方式，符合初中生思维处于形象思维向抽象思维转变的实际。

二、“教”——开发有效教学模式

（一）项目式教学模式

我们把项目教学法与计算思维培养几个关键步骤结合起来，项目即真实的问题，项目的分析、分解对应着问题的抽象、理解和分解，通过思维导图的方式让思维可视化（如图1）。在这样的教学模式中，学生以小组合作的方式设计项目，前几个课时由教师引导学生用流程图的方式呈现简单问题的解决过程，后几个课时由学生独立完成项目计划。此环节对应着计算思维中的算法与数据分析，通过流程图和项目计划书让学生的思维可视化。在项目实施环节，各任务的解决包含着新知的学习及规律探究，抽象与建模、优化，知识的拓展与迁移，问题的解决过程、方法的优化对应着项目的调试及程序的优化过程，以及模式识别拓展运用到生活当中，最终的作品展示、项目的评价则又促进学生的自我思辨与提升。

（二）STEM教学模式

基于STEM教学培养小学生计算思维的课程教学模式包含六个步骤：设置问题、拆解分析、抽象建模、计算机模拟、創作作品、评价共享成果（如下页图2）；四个环节：剧本设计、动手尝试、邀你挑战、我的收获；师生活动：在教学中，教师指导与学生活动也对应分为六个步骤。在师生活动的步骤2中，已经把问题拆解为若干个小任务，所以在“算法解析”和“计算机模拟”时，教师会根据需要重复此步骤，以促成学生完成小任务。基于STEM教学，我们选择了图形化编程、AutoCAD（卡魅制作）、3D One（3D设计）的课程教学内容，所以“计算机模拟”也在对应的软件中完成。

（三）任务驱动式教学模式

在任务驱动教学中，教师的教和学生的学都以完成一个具体任务为主线。教师提出问题，以任务的形式发送给学生。学生在接收到任务后对问题进行分析，得出解决问题的办法，从而调动学习主动性和积极性；在问题解决中给出自己的观点和做法，在同一个任务的不同解决方法中选择最佳方法。在多次解决问题的尝试中，学生掌握了解决实际问题的能力，培养了创造性思维和计算思维（如图3）。

三、“学”——配套数字学习资源

开发丰富的教材配套资源，营造立体化数字学习环境，给师生提供良好的教材使用体验，是破解师生使用新教材所遇难题的有效切入点，可有效促进师生共同成长。

（一）教师的“学”

教师使用信息技术拓展教材开展教学，其实就是无声的培训和学习成长过程。学科教师只有充分理解开发者的意图，了解与之相关的有效教学模式，掌握课程资源的正确使用方法，才能顺利实施教学。由优秀课例、教学设计、课件、微课、导学案、素材包等组成的资源库是教师用好信息技术拓展教材的有力保障。教师在使用教材之前，通过观摩配套优秀课例资源，从中接触到编者的教学理念、教学方法和经验，然后主动借鉴、模仿、创新、实践，内化吸收为自己的教学技能，并运用于课堂教学之中，课后反思改进，找到适合自己的教学方式方法。这种“不断观察—学习—实践—反思”的过程就是与编者无声的学术交流的过程，也是教师不断学习成长的过程。

（二）学生的“学”

资源库的开发，同样要全方位为学生服务。学生可利用导学案有效完成课前、课中、课后的学习任务，从资源库的微课中寻找到突破难点的方法，从素材包中找到合适的素材来完成学习任务等。资源库为不同层次学生的学习提供了有力的保障。

例如，初中可视化编程课程资源细化到拓展教材的每一章节内容，并作了分层考虑：每一个作品都制作一份基础版作品供能力有限的学生参照，一份提高版作品供学有余力的学生参照；对不同主题、不同设计思路的程序进行分解，提取每一课案例程序中使用到的角色和背景，单独存放于指定文件夹中；制作微课对知识难点进行讲解。

四、“评”——构建多维评价体系

（一）从作品完成效度方面设计评价表

从作品完成效度方面设计评价表主要是从知识维度出发，针对不同的课程内容，设计作品评价表、课后练习题等，引导学生开展自评、互评（如表3）。

（二）从学生计算思维发展角度设计评价表

这是对信息技术拓展课程开发的效果和培养学生计算思维的成效进行自我诊断的测评，为拓展课程的后续修改、丰富提供科学数据，赋予拓展课程生命力。笔者的研究团队借鉴了Bebras试题作为学生计算思维水平的测量工具。该试题以学生熟悉的生活场景为背景，将计算机科学概念具体化，其中要解决的问题需要学生利用计算思维和新方法。课题组共设计前后测试题各8题，均来源于“Bebras国际计算思维挑战赛”题库，并对应分解、抽象、算法、评估、概括五大计算思维能力维度（如表4）。

（三）从知识维度出发设计评价表

从知识维度出发设计评价表主要基于知识点开展自我评价，促进学生总结与归纳，反思本课学习效果，寻找原因，促进学生课后学习及下一课的修正，形成良好的学习方法和习惯（如表5）。

（四）从能力维度设计评价表

从能力维度设计评价表的目的是引导学生自我审视、思辨，形成一种习惯、一种能力。如初中可视化编程课程针对能力维度，在每一节案例类课中设计了一个总体评价表，让学生对应计算思维核心要素进行自评自查，重视对学生的过程性评价（如表6）。

信息技术拓展课程的设计和开发，是一种知识面广、时间跨度大的校本教研方式，笔者的研究团队经过实践，探索出了“研、教、学、评”一体化的拓展课程有效开发模式：“研”是基础工作，决定了课程是否有价值，课程目标是否正确，课程内容是否科學，需要进行多方面的调研及文献、理论的学习和论证；“教”体现课程的理念和方法，针对课程开发的各种教学模式，能有效促进教与学的变革，提高教学质量；“学”是课程实施的保障，各种配套数字学习资源可破解教师教学实施过程中的问题，提供丰富的参考经验，亦为学生的自主学习和探究提供足够的辅助；“评”是有效实施反馈，通过对教学行为和结果进行多维度的科学测评，促进师生反思与提升，亦为课程的修改、完善提供数据。依此设计和开发的基于计算思维培养的义务教育信息技术拓展课程，是学科教材的有益补充，有助于培养学生的计算思维。

参考文献

［1］刘敏娜，张倩苇.国外计算思维教育研究进展［J］.开放教育研究，2018，24（1）：41-53.

［2］钟志宏，周娟娟.AI战略下少儿可视化编程教育研究［J］.电脑知识与技术，2019，15（32）：204-207.

［3］刘晓玉.面向计算思维培养的中学信息技术PBL教学模式研究［J］.中国信息技术教育，2018（1）：34-36.

注：本文系广西教育科学规划2021年度重点课题“基于计算思维的义务教育信息技术学科拓展课程的开发及应用”（2021A063）的阶段研究成果。

作者简介：蓝海峰（1975— ），广西博白人，本科，工学学士，研究方向为信息技术与学科融合、课程开发。

（责编 黎雪娟）