面向计算思维培养的跨学段衔接教学实践探索

【摘 要】文章在分析计算思维跨学段衔接教学重要性的基础上，结合衔接教学实践，提出了面向计算思维培养的跨学段衔接教学实践策略：采用大单元“逆向设计”的教学设计策略、“用数学思维连接计算思维、借助算法探索拓宽计算思维广度、历经问题解决全过程拓展计算思维深度”的教学实施策略和“关注思维发展，体现教、学、评一致性”的教学评价策略。

【关键词】计算思维;跨学段;衔接教学

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2022）09-014-03

2022年义务教育阶段新课标颁布，义务教育阶段的信息技术课程成为一门独立的国家课程并正式更名为“信息科技”，这不仅是课程地位的提升，更是学科育人价值追求的变化。高中阶段于2020年开始全面实施基于新教材的课程教学，信息意识、计算思维、数字化学习与创新和信息社会责任是它们共同追求的学科核心素养。在高中项目教学实践过程中一线教师普遍认为时间紧、任务重，究其根源在于学生学习准备不完备，思维训练匮乏。因此探索面向计算思维培养的初高中衔接教学策略对学生成长、课程建设和学科发展都意义重大。本文以“鸡兔同笼”问题的解决为例来谈谈如何开展计算思维培养的跨学段衔接与螺旋上升。

计算思维跨学段衔接的重要性

1.课程标准的内在要求

国内外不同专家从不同层面界定了计算思维的内涵，结合2017年版普通高中信息技术课程标准中关于计算思维的定义，本文认为计算思维表现在问题解决过程中的思维活动，从问题解决的过程来看，思维活动包含了分析问题、设计问题解决方案、基于方案解决问题并评估优化方案，即界定问题、抽象建模、算法实现、评估优化。普通高中信息技术课程标准将计算思维的学业水平划分为四个等级，2022年颁布的义务教育阶段信息科技课程标准给出了计算思维四个学段的学段特征，从课标描述可以看出，高中阶段计算思维的预备级水平与义务教育第四学段（7-9年级）计算思维的水平相当，第四学段中的迁移能力包含在了高中阶段的水平1，由此可见，学科核心素养培养的学段衔接与螺旋上升是课标的要求。

2.计算思维发展的内在规律要求

计算思维是人类高阶思维之一，其发展以学科知识和技能为基础，以问题解决过程为载体。人的思维是一个由简单到复杂，再回归简约的过程，即人类对世界的认识和理解是螺旋式深入并最终归纳出事物的本质。皮亚杰将儿童思维发展分为直观行动思维、具体形象思维和抽象逻辑思维三个阶段，计算思维更多地体现在以直观行动思维和具体形象思维为基础的抽象逻辑思维上。小学阶段是计算思维的重要启蒙期，初中生的抽象逻辑思维逐渐发展起来并日益占据主导地位，计算思维的发展必须遵循思维发展的规律，因此做好思维培养的学段衔接教学紧迫且重要。

面向计算思维培养的跨学段衔接教学实践策略

思维是核心素养最本质的构成要素，发展计算思维是信息科技课程和信息技术课程共同的价值追求之一，要将计算思维的培养落实到课堂教学实践中，就要遵循学生思维发展规律，优化组织教学内容，精心设计课堂学习活动，有效落实课堂探究活动以及跟踪评价活动。面对学生基础参差不齐、教学时间紧、学习任务重的现状，在第二轮的必修1教学中设计实施了“‘鸡兔同笼’问题解决”的衔接项目。

1.采用大单元“逆向设计”的教学设计策略

所谓“大单元”就是打破教材章节限制，根据项目探究的需要整合不同章节、学段的内容;所谓“逆向”设计就是首先明确目标，在目标引领下设计证明学生达到预期目标的评价指标，进而设计促进目标达成的系列学习活动。大单元教学设计用项目贯穿单元知识点和基本技能，贯通不同单元，增强知识技能之间的连接，让学生在问题解决的过程中建构知识、习得技能，发展思维，促进学生的深度学习和迁移能力提升。“‘鸡兔同笼’问题解决”项目整合了必修1（教科版）教材中1.2数据的计算、第二单元编程计算、第四单元计算与问题解决的内容。

作为学段衔接的探究项目，项目主题选择和深度把控尤为重要。在教学设计时可参考如下步骤：（1）明确项目探究目标与预期学习成果;（2）梳理核心概念，形成知识框架;（3）根据学情设计问题情境，确定学习主题;（4）设计学习活动和持续性的评价活动。“‘鸡兔同笼’问题解决”项目的总目标是培养计算思维，因此将学生的预期学习成果分解为五大关键能力：问题界定与分解、抽象与建模、算法设计与实现、算法评估与优化。围绕教材和项目目标，梳理出了项目的知识框架如图1所示。从学习准备、学习能力和学习意愿三个方面进行了学情分析，确定了经典数学问题解决的活动主题，并创设了“鸡兔同笼”问题解决的真实情境。

2.“问题解决为形，思维培养为神”的教学实施策略

计算思维体现在问题解决过程中，计算思维的培养也渗透在问题解决过程中，用计算思维的方法解决问题与在问题解决过程中培养计算思维相辅相成，互为促进。计算思维培养是灵魂，“问题解决”是载体和手段。

（1）数学思维：连接计算思维之桥

在衔接项目教学时，以经典数学问题解决为切入点是较好的选择。因为经典数学问题的解决不仅为学生使用计算机解决熟悉的问题提供了契机，而且也有利于学生在利用数学思维解决问题的过程中逐步理解、经历计算思维中的“分析与界定问题”“抽象与建模”“设计与实现算法”“评估与优化算法”等思维活动过程。在“鸡兔同笼”问题解决中，教师将求解数学问题的过程、数学解题方法、“未知数”的概念、“分类讨论”思想、“依次列举”等类比到计算机求解问题的过程、程序设计中的算法、变量、分支结构、循环结构。这一系列的类比有效地激活了学生的已有经验，实现了知识、技能和思维的迁移。

（2）算法探索：拓宽计算思维广度

在“鸡兔同笼”问题的解决中，学生会给出列表法、假设法、抬腿法、方程法等不同的问题解决方法。教师首先让学生完成三项工作：分组描述不同方法解决问题的过程;说一说不同算法的区别与联系;哪个方法可以很快得出答案呢？然后引导学生对比分析假设法和抬腿法，通过分析学生能找到鸡或兔的头数与鸡、兔的总脚数和总头数有一个固定的数量关系，比如得出其中一个公式：兔的只数=（总腿数-总头数*2）/2，实质上公式的得出过程就是学生抽象建模的过程。紧接着引导学生分析列表法和方程法，学生会发现列表法的本质是最朴素、最笨拙的一个一个去试的方法，教师也就顺势给出了“枚举”的思想。方程法是在限定条件下去列举，方程法是列表法的优化。最后，引导学生思考利用Python程序实现算法，在算法实现的过程中学生就会接触到变量、赋值、表达式等基础概念以及算法的三种程序结构。除了从直观上引导学生分析算法效率，也鼓励学生探索Python程序的运行效率。

算法是问题解决的灵魂，算法探索对学生计算思维的发展尤其重要。只有学生思维打开了，才会运用计算思维的方法来解决问题，形成“问题解决”和“思维发展”的良性互动。

（3）问题解决：拓展计算思维深度

按照布卢姆的教育目标分类学理论，分析、评价和创造属于高阶思维技能。计算思维作为一种高阶思维，其培养需要学生在问题解决中经历联想、拓展、迁移的学习过程，在不断解决认知冲突的过程中促进深度学习。在“鸡兔同笼”项目探究中，不仅让学生联想数学学习经验、迁移数学中的问题解决方法，而且引导学生思考比较不同算法，以及利用Python程序实现算法。为了检验学生是否掌握了问题解决的方法，还设计了“小试牛刀”活动：“小明用6.8元在中国邮政购买了50张面值1角和2角的两种邮票，求1角和2角的邮票各购买了多少张？请同学们编写程序来计算”。项目最后设计一个拓展活动：用计算机程序求解经典的“百钱买百鸡”问题。

3.“关注思维发展，体现教学评一致性”的教学评价策略

评价是教学的重要组成部分，在大单元逆向设计项目教学中，每个阶段都要设计可以证明学生达成学习结果的证据，开展跟踪性评价。大单元项目学习中跟踪性评价方案应该包括评价目标（评价的角度或对象）、评价标准（参照课标和单元预期目标要求）、评价任务和评价方式（工具）等要素。以培养学生计算思维为主要目标的项目教学实施过程中，教师重点关注学生思维的发展状态。在本项目中评价目标对应计算思维核心素养所蕴含的关键能力;评价方式（工具）主要包括项目探究单、学生作品、课堂观察等方式。该项目评价方案如表1所示。

总结与反思

“鸡兔同笼”问题是一个经典的数学问题，作为初、高中的衔接项目，项目情境本身并不复杂，但该类问题的解决方法有很多，且贴近学生的学习经验，是一个比较成功的衔接教学项目。项目将算法、Python程序的基础知识、程序控制三种基本结构等内容都融入其中。在本项目中特别关注了算法的探究和数学思维对于计算思维培养的桥梁作用。从某种意义上说，算法就是用于计算的一种过程模型，程序是该模型的一种形式化表达。理解并运用成熟算法，或经历算法形成的建模过程，都是良好的计算思维培养渠道。

作为衔接学习项目，项目难度和复杂度需要把控。教师可以根据学校学生的实际情况进行调整。鉴于学情，本衔接项目的开放性和扩展性都具有一定局限性。作为培养学生计算思维的学习项目，学生要解决的应该是真实且相对复杂的问题，这样更有利于学生经历分析和界定问题、分解问题、抽象建模、算法设计与实现、算法评估与优化的全过程，有利于生发问题和发现问题。

参考文献

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