基于计算思维的高中信息技术项目教学模式研究

张长水

“计算”是数字化人工智能时代的一个显著标志，在社会的各个领域计算的强度也日益提升。计算机作为信息技术迅猛发展的核心工具，无时无刻不在以一种计算的方式存在，人们也随时随地通过计算机进行信息访问和计算服务，这从根本上改变了人们的生活和工作方式。

“计算思维”作为蕴含于计算机科学中对人们现在和未来产生深远影响的一种思维方式，已被认为是当代每一个人应掌握的普适技能，并被提升到全民素养高度。在教育等众多领域，计算思维被认为是解决问题和创造新事物的必备技能之一。

《普通高中信息技术课程标准（2017 年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）将“计算思维”列为四大核心素养之中枢。“新课标”倡导基于“项目”的学习方式，将知识建构、技能培养与思维发展融入到运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，全面提升信息素养[1]2。因此，在当前承担信息技术教育重任的高中信息技术课程中，积极开展基于计算思维的项目教学研究，对提升学生信息素养和实现学科核心价值均有重要意义。

一、概念界定：计算思维与项目教学内涵阐释

计算思维，早在2006 年由美国周以真教授首次提出，她认为，借助计算机科学领域的基本原理和概念来求解问题是计算思维的常用方式，也是信息系统设计和人类行为理解的主要方式[2]。“新课标”将计算思维概念详细界定为“个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动”[1]6。“抽象和自动化”是它的本质特征，其基本方法是包含了数学和工程方面的一系列思维方法，如抽象与分解，推理与约简，建模与仿真，递归与迭代，容错、纠错与恢复，冗余保护，分治与面向对象等[3]。

项目教学，又称项目学习，是一种新型的课堂教学模式，即师生共同围绕一个完整的项目开展教与学的活动。教师设置一定项目情境，向学生提供富有难度的问题和任务，借此过程让学生学会描述、分析和解决问题，并学会展示、反思和评价。

基于计算思维的项目教学，是指教师引导学生使用抽象、分解、建模、算法设计等体现计算思维培养的方法进行信息交流，在项目实施和问题解决过程中提升实践能力、发展核心素养。

二、模式构建：教学模式的应用设计

随着计算思维受到教育等众多领域的关注，国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会（CSTA）等组织提出了计算思维的操作性定义，即计算思维在本质上是一种问题求解的过程，可包含五大操作要素[4]，如图1 所示。

图1 运用计算思维求解问题的五大操作要素

在高中信息技术课程中发展计算思维，就是要改变学科原有陈旧的教学模式，凸显学科自身具有的教学创新性优势和价值。在操作层面，其目标是要让学生学会从生活中的实际项目出发，围绕运用计算思维求解问题的五大操作要素设计合理算法，并通过计算机等数字化工具编制程序实现，提升学生信息素养，帮助学生树立正确的信息社会价值观和责任感。

（一）模式的理论依据

建构主义理论认为，学习过程是自我建构的过程，学生是认知的主体，是主动的意义建构者，教师是发挥学生主体作用的协助者、促进者和引领者。在建构主义理论指导下，“项目教学”主张教学活动的开展以生活中的项目完成为中心，教师将教学内容嵌入一个或多个要完成的项目中，指导学生合理化运用教学资源，自主探究，合作学习，通过项目实施而实现意义的建构。从“信息加工理论”的角度来看，学生是信息加工的主要实施者和活动的中心，教学过程是对一个个“问题空间”不断搜索的问题解决过程[5]。根据概念界定，计算思维实际上是一种问题求解的方式，这与信息加工理论的思想不谋而合并达到了高度统一。

本文以建构主义、信息加工理论为依据，以“新课标”为指导文件，以培养计算思维为宗旨，将项目教学法、计算思维基本方法以及运用计算思维求解问题的五大操作要素融入高中信息技术课程，构建“基于计算思维的项目教学模式”（Projectbased Teaching Model based on Computational Thinking，简称为PTCT）。

选择SPSS23.00软件进行分析,计量资料采用均数加减标准差(±s)表示,计数数据采用构成比、率、百分比表示,对比使用χ2检验与t检验,检验水准为ɑ=0.05。

（二）模式的内涵阐释

该模式以“项目”为中心，以项目的立项、分析、实施和结项为主线，在项目计划制定中，运用“问题驱动”等教学策略优化项目教学实施；在问题情境创设中，应用“导学平台”等教学资源支持课堂问题解决；在师生活动开展中，将计算思维的本质特征和基本方法贯穿融入教学过程的各个环节，采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立模型、组织数据，寻找支持自动化执行的算法方案并使问题得以解决，总结方法并迁移到与之相关的其他问题解决中，最终实现计算思维培养的真正落地，体现学科应有的育人价值[6]。

（三）模式的操作程序

为更好表达教学模式实施过程，本文构造一数学函数加以阐释，即PTCT=F（P，T，CT）。式中，PTCT 是模式名称（由“项目教学”和“计算思维”英文首字母组成），F（）是过程函数，P（Project，项目）、T（Teaching，教学）和CT（Computational Thinking，计算思维）是函数自变量的三个参数。若将参数虚拟为坐标系中X 轴和Y 轴，则参数P 表示推进课堂教学进程的横向X 轴（时间轴）上以“项目”为主线的动作集，包括项目立项、分析、实施和结项；参数T 则表示开展教学活动的纵向Y 轴上以“教学”为主线的动作集，包括教师活动及教师组织活动实施的教学策略，学生活动及学生参与活动支持的教学资源；参数CT 表示应用于教学活动且融入P 和T 两个动作集的计算思维本质特征与基本方法[7]。模式操作程序如图2 所示。

图2 “基于计算思维的项目教学模式（PTCT）”操作程序

（四）模式的组织实施

在该模式的实施过程中，师生按照“项目主线”和“教学主线”并融合应用计算思维开展活动。Y 轴上师生活动共同在X 轴（时间轴）上项目的教学进程推进下完成，“教师活动”中教师是项目顺利完成的协助者、促进者和引领者，“计算思维（CT）”则贯穿应用于项目教学实施的所有环节，同时将“教学策略”和“教学资源”有机连接起来，“学生活动”中学生围绕计算思维五大操作要素完成项目。在“项目立项”环节，教师引导学生确定项目、制定计划、创设体现计算思维应用的问题情境，学生感知项目需求、激发计算思维意识；在“项目分析”环节，教师呈现项目主题，引导学生界定描述问题，将计算思维应用到分解的教学任务中，抽象本质特征，学生收集素材、建立模型并融入系列信息活动过程中；在“项目实施”环节，教师在对学生进行教学指导的基础上，运用“问题驱动”等教学策略辅助和引导学生进行思考，为学生提供“导学平台”等教学资源作为操作的“脚手架”，支持学生知识点建构和课堂问题解决[8]，引导学生寻找并实施自动化方案；在“项目结项”环节，教师组织学生完成项目创作和成果展示，总结和评价，巩固和拓展，将符合自身风格的学习框架拓展迁移到其他项目中。

三、应用探索：项目教学模式的课堂实践

在高中信息技术课堂中开展基于计算思维的项目教学模式应用探索，有助于培养学生在项目实践中系统设计和高效求解问题的计算思维能力，掌握计算思维的方法论。根据PTCT，本文以“新课标”高中信息技术教材《必修1 数据与计算》（教科版）“2.1 计算机解决问题的过程”一节中“最强大脑”游戏算法实现为例，开展实践探索，探讨在项目立项、分析、实施和结项的主线框架下，教师运用计算思维基本方法，打造高品质课堂。学生理解运用Python 语言实现游戏算法的主要过程，感受利用计算机解决问题的优势和独特魅力，为在后续学习和生活中更深入理解数字化工具解决问题打下基础，以便更好地融入信息社会[9]。

（一）确定项目需求，发现生活中的实际问题

根据PTCT，在“项目立项”环节，教师引导学生确定项目需求，制定项目计划，展示课堂中计算思维应用的本质特征和基本方法，创设问题情境，学生感知明确项目。

本案例以“让学生在项目情境中经历和理解计算机解决问题的基本过程”为知识目标，确定简易版“最强大脑”游戏算法实现为项目需求，规则是：10 秒内记忆屏幕上出现的10 个物品名称及其编号，清屏后根据计算机随机提问回答5 个物品对应编号，最后显示答对题数，答对越多，则表示脑力越强。游戏算法程序实现截图如图3 所示。

图3 “最强大脑”游戏算法的程序实现截图

（二）抽象分解建模，界定问题生成活动任务

在“项目分析”环节，教师引导学生呈现项目主题，界定并描述问题，对问题解决本质进行抽象，并将其分解为若干个容易解决的子任务，再将子任务转化为学习活动，形成“项目→问题→任务→活动”主题链。学生按照教学策略对项目进行充分讨论，并根据教师提供的“导学平台”等教学资源收集素材，初步建立项目实施和问题求解的模型。

本案例呈现的项目主题为：用计算机编程方法实现简易版“最强大脑”游戏算法，感受利用计算机解决问题的优势和独特魅力；界定并描述的问题为：在Python 程序语言环境下如何实现“最强大脑”游戏算法？根据上述问题描述，结合计算思维求解问题的五大操作要素，设计并分解出五个子任务（如图4 中1 所示）。

图4 分解的子任务、寻找的自动化执行方案数据模型及Python 程序代码对应关系

（三）分组协作探究，寻找并实施自动化方案

本案例根据上述分解的五个子任务，分析从计算机解决问题的角度理解需要获取的计算机能够自动化执行的必要数据（模型抽象），寻找计算机编程求解的自动化方案（如图4 中2 所示）。

在实施自动化执行方案环节，学生借助导学平台，以Python 为编程工具，以教师提供的“半成品代码”作为创作的“脚手架”（如图4 中3 所示），在过程中感悟应用计算思维解决问题的流程和优势。

围绕问题描述及分解的子任务，教师设计三个实践活动，让学生完善半成品代码，体验算法设计、程序编制、程序调试及运行的基本流程。

（四）总结反思评价，实现求解方案拓展迁移

在“项目结项”环节，学生在教师引导下完成归纳总结、成果展示、反思评价和拓展迁移。具体而言，教师运用计算思维系列方法对整个学习过程、问题求解方案及项目作品完成情况进行总结性概括，引导学生通过电子教室和导学平台对成果（作品）进行展示，同时在小组内和班级中利用评价量表开展自评、生评和师评活动，并拓展迁移到更为广泛的问题解决和项目学习中。

对求解方案拓展和迁移包括“拓展已完成的求解方案”和“迁移求解方案到其他未知项目领域中”两个方面。首先，对“最强大脑”游戏算法方案进行拓展，通过修改已有程序代码，提高“最强大脑”游戏难度（如对需记忆的物品数目、物品的停留时间、随机抽出物品的数目进行改变，对输入的答题序号与物品名称进行互换等），从而改变算法思想，加深学生对程序代码的认识，引导学生讨论交流，并在班级汇报修改意见，使学生更进一步理解算法思想和计算思维基本方法在解决实际问题中的重要意义。其次，将应用计算思维方法求解问题的基本过程迁移到其他未知项目领域中。例如，交通信号灯在人们的日常生活中起到指挥控制交通的重要作用，我们可用计算机编程来模拟控制红绿灯延时与切换，将“最强大脑”求解方案，迁移到“红灯变绿灯”的算法实现中，设计方案中“分解的三个项目子任务”及可执行的“Python 语言编写的核心代码”对应关系如表1 所示。

表1 交通灯“红灯变绿灯”算法设计任务分解及Python编写的核心代码对应关系

综上，基于计算思维的项目教学模式的应用实践，充分体现了学生在项目立项、分析、实施和结项过程中，应用计算思维的本质特征和基本方法正确描述问题、逻辑分析问题、设计并实施自动化方案和推广迁移方案的思维能力提升过程。在模式应用实践中，学生依托教学资源，开展了基于计算思维的课前诊断性、课中过程性和课后终结性教学评价，进行了“形成正确计算思维认识的有关调查”和“反映计算思维能力的相关测试”。结果表明，PTCT 模式在高中信息技术课程中的应用实践对于学生计算思维的认识形成、方法运用、能力培养和信息素养提升等方面均有显著作用。

计算思维概念的提出、“新课标”中学科核心素养的凝练和项目教学方式的倡导，为高中信息技术课程发展赋予了全新的生命力，学科四大核心素养之中枢——计算思维的发展和落实必将成为信息技术教师关注的重要课题。在高中信息技术课堂实践中开展一系列“基于计算思维的项目教学模式”研究与实践活动，有其重要意义和推广价值，必将助推学生形成正确信息意识和价值判断力，提升学生计算思维能力与创新能力，以更好地引领和促进高中信息技术课程的可持续发展。