中学生计算思维能力的培养研究

吉红兰

【摘 要】本研究将从Python程序设计课程的角度出发，从基础知识点、数据分析知识点、机器学习算法知识点及深度学习算法知识点四个方面探讨学生计算思维能力培养的要求，并分析借助Python程序设计课程培养学生计算思维能力的策略。

【关键词】Python；程序设计；计算思维能力

【中图分类号】G434   【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2024）01-076-02

人工智能的三要素是数据、算法和算力，最终的目的则是通过应用去解决真实问题。计算思维就是一种解决问题的思维方式，这种思维方式要运用计算机科学的基本理念。而Python程序设计课程作为计算思维能力培养的重要载体，它的培养效果直接影响着学科核心素养的落地。

Python程序设计课程中学生计算思维能力的培养要求

信息科技学科知识包含了很多概括性、抽象性的学科概念和学科原理等内容，我们要根据不同模块的特点，挖掘有利于培养学生计算思维的内容，让学生在问题解决的过程中发展计算思维。因此，本研究将从提升学生的计算思维的方向对其专业知识点进行映射，为学校相关教学工作的开展提供一定的指导，促进学生计算思维能力的提升。

1.计算思维能力与深度学习基础知识点映射阶段

Python程序设计课程教学过程中针对学生的基础知识进行教学，对学科的基础概念、重点工具、基本框架等开展针对性的教学，不仅能够加深学生对于基础知识点的了解和认知，也能为后续的深度教学提供一定的基础。但在实际教学过程中对于学生的计算思维能力也有着较高的要求。学生在学习过程中需要同时具备一定的抽象能力、形式化能力以及思辨能力。例如，在学习神经网络数学基础知识点时，学生应具备形式化证明、符号表示等方面的计算思维能力。

2．计算思维能力与Python数据分析知识点映射阶段

相较于基础知识点映射阶段的内容不同，数据分析阶段更加重视的是对学生具体程序能力的体现。Python程序设计课程中针对学生数据分析能力的提升主要体现在将人工智能程序设计作为提升学生能力的重要内容，学生不仅需要熟悉Python程序的基本内涵，同时还需灵活掌握Numpy、Pandas、Matplotlib等涉及科學计算、预处理、可视化库的知识，确保能够为后续深度学习的开展奠定一定的基础[1]。因此，综合分析这一阶段应当重点培养学生的抽象思维、模型建构、迭代计算等计算思维能力。

3.计算思维能力与机器学习算法知识点映射阶段

基于基础知识与Python数据分析知识点能力的掌握之后，学生可以开展进一步的Python程序设计学习。机器学习算法知识点教学过程中学生需要掌握高阶建模、符号表示、模型计算、抽象思维等计算思维方法，其具体学习内容及要求如表1所示。

4.计算思维能力与深度学习算法知识点映射阶段

深度学习算法阶段的学习内容更加深化，常见的内容有卷积块、池化、激活函数、学习率、全连接等。这一阶段的学习内容及要求是整个Python程序设计课程中的重点及难点内容，对于学生计算思维能力的培养有着较高的标准。例如，学生需要使用 Mnist的手写识别来融合所有的新概念，在有了一定的基本知识后，利用 Alexnet、VGG、Google LeNet、 Resnet等典型的卷积神经网络，完成对YOLOV3的后续目标检测。这一阶段对于数据建模、抽象思维、符号表示、模型评估等都有很高的要求[2]。

Python程序设计课程中学生计算思维能力的培养策略

1．转变教学观念，培养计算思维能力

在Python程序设计课程中，很多教师已经意识到要注重培养和提高学生的计算思维能力。但是，教师的普遍做法是让学生反复经历抽象、分解、算法设计、编程调试和应用迁移等环节，认为这就是培养计算思维了。那么，学生的计算思维达到了一个什么水平？我们都不得而之。究其原因是我们没能将教学过程与计算思维的发展对应起来。我们要认识到培养学生计算机思维的有效途径就是解决问题，它是一个逐步发展的过程。教师可以尝试改变课堂的教学方式，以真实问题或项目驱动，引导学生主动建构知识，让知识和思维达到内在统一，从而提升学生的问题解决能力。只有尝试对计算思维进行分解，设计面向核心素养的课程，学生的计算思维能力才能得到有效提升。

2.落实目标先行，运用逆向课程设计

在课程设计环节，教师首先要明确我们更关注的是教学输入还是教学输出。关注教学输入的教师，往往按照教科书内容的顺序设计教学活动，他们是教教材，而不清楚如何用教材来教。他们会把大量时间用于思考自己要做什么，要求学生做什么，而不是思考学生要通过怎样的学习过程才能达成学习目标。这样的课程设计有两个弊端：一是教师无法掌握课堂实施的结果，教学质量大打折扣；二是学生无法明确自己努力的方向，无法进行深度学习。我们的教学应该更关注教学输出，要从学习结果倒推教学活动，采用逆向设计策略，才能保证学生向着预定的目标行进。

3．创新教学方法，采用项目整合策略

当我们有了明确的学习目标之后，我们就需要思考如何达成这些目标。如我们要培养学生的批判性思维能力、通过试错学会解决问题的能力、合作能力、沟通能力等元技能，我们或许会把每个技能进行拆解，以非项目的形式逐个教学。这样的教学仅仅停留在期望层面，通过在教学过程中不断地提及、陈述、训练和评价这些技能，导致的结果只能是学生“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。而项目式学习会告诉学生，我们不是要学会什么内容，而是要去创造一个新产品，在完成项目的过程中，令人信服地证明其重要性。学生通过频繁地练习、反复地实践、严谨地评价，在积极地获得和建构知识的过程中，体验学习的乐趣，最终达成深度学习。

4．转变评价方式，丰富考核内容

Python程序设计课程的测试重点在于考查学生运用计算机解决问题的能力。计算思维是一种比较复杂的思维方式，对于这样一个抽象的概念，已经无法用传统的纸笔测试进行评价。素养导向的教育变革需要表现性评价。表现性评价的主要特征是评价一系列综合知识和综合能力，它要求学生可以是完成一项任务，而不是提交一个正确的答案[3]。它通常以评分规则为评价标准，评分规则描述了学生达成不同学习水平的表现，为学生提供了目标参照，这样的评价其实就是学习。所以说，表现性评价不仅能检测学生的计算思维能力，更重要的是学生能通过表现性评价反思自己的学习过程，促进计算思维能力的提升。

结  语

综上所述，Python程序设计课程中学生计算思维能力的培养及提升需要经过长时间的积累。想要确保学生计算思维能力得到有效提升，应当重视对于教师教学方法、教学内容、考核方式等的转变与创新，在提升学生的基础知识的同时将计算思维能力映射到更多的跨学科课程当中，促进学校教学质量的稳步提升。

参考文献

肖卓宇，黄俊，徐运标，陈果，郭杰. 新工科视角下以计算思维为导向的高职Python程序设计公共课程教学改革研究[J]. 电脑知识与技术，2020，16（21）： 154-155.

穆俊. 基于计算思维的“python程序设计”课程教学探究[J]. 长江工程职业技术学院学报，2020，37（2）： 48-51.

经济合作发展组织. 为了更好的学习：教育评价的国际新视野[M]. 上海： 上海教育出版社，2019.