基于Excel 模块的初中生计算思维能力培养策略研究

摘要：计算思维作为一种核心思维能力，不仅有助于学生更高效地处理复杂问题，提升其信息素养，更能帮助他们更好地适应未来社会的发展与挑战。文章综合运用文献分析、案例分析等多种研究方法，深入阐述计算思维的内涵，分析Excel模块教学与计算思维能力培养之间的关联性，提出了面向初中学生计算思维能力培养的策略，并以Excel模块教学为载体，设置具体的策略实施流程。旨在为有效提高初中生计算思维能力提供相应的参考思路，同时引发更多教育工作者对初中学生计算思维能力培养的关注与思考。

关键词：计算思维培养策略；计算思维能力；Excel模块；计算思维五要素

中图分类号：G424 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）02-0144-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

初中作为计算思维能力培养的关键期，正面临教学方法单一、学生基础差异大、理论与实践脱节等挑战，且国内外对计算思维的定义尚未达成普遍共识。本研究围绕John Woollard和Cynthia Selby两位博士提出的面向问题解决过程中的计算思维要素结构进行策略研究，即培养学生掌握并熟练运用分解、抽象、算法、评估和概括这五种思维，以此提升学生的计算思维能力。

鉴于此，本研究深入探讨初中学生计算思维能力培养策略，构建以Excel模块为例的具体实践流程，以期丰富和完善计算思维教育的理论体系，为解决当前计算思维教育中的瓶颈问题提供新思路、新视角，促进学生计算思维能力的全面发展。

1 计算思维内涵

2006年，周以真教授在ACM杂志中首次对“计算思维”这一概念展开阐述，将其定义为运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。这一划时代概念的提出，在国内外计算机教育领域内掀起了一场关于计算思维的研究热潮。

基于国内外权威专家学者关于计算思维的定义，计算思维可以理解为利用计算机科学的原理和工具进行复杂问题求解的一系列思维活动，且问题分析过程“涉及抽象、分解、建模、算法设计等思维活动”[2]，强调“利用算法思维来制定步骤与资源的最优组合的自动化解决方案，并可将问题的解决过程推广到其他领域”[3]。

计算思维超越了单纯关注计算机操作的层面，而是一种更广泛的思维方式。在使用这种思维方式解决问题的过程中，人脑无须像计算机那样高速运作，而是通过计算思维指导计算机完成一些耗时耗力的工作，从而实现质量和效率的提升。

显然，这种思维并非学者、科学家等高智商人群特有的思维，也不仅局限于计算机领域。它广泛渗透于每个人的学习和生活中。例如，面对重要且不便于随身携带的课堂笔记和资料时，计算思维可以帮助学生将其数字化，并利用简单的电脑软件（如Word、Ex⁃cel等） 进行整理分类，以便更高效地查阅和管理。

2 Excel模块与计算思维能力培养的关联性分析

在我国初中信息技术教材中，以Excel为载体的“数据分析”几乎是目前所有初中信息技术教材的必选内容，且具有最高的一致性[4]。Excel模块与计算思维能力培养之间存在紧密的关联性，这种关联体现在以下几个层面：

第一，Excel提供的排序、筛选、计算等基础功能，可以将复杂问题分解成一系列简单的小问题。例如，在处理图书借阅表的数据时，可以先将图书进行分类，再分别计算哪类图书最受欢迎。这正是计算思维中分解能力的体现。

第二，Excel中的数据输入与整理功能要求学生能够准确识别哪些数据是有效的，并将相关数据抽象成Excel表格中的行和列。这一过程充分锻炼了学生的抽象思维。

第三，Excel中公式的使用需要学生正确设计公式的使用范围和条件，部分任务甚至需要使用多种函数。这要求学生能够准确安排不同函数的使用顺序。在设计公式和函数的过程中，可以有效提升学生的算法思维。

第四，Excel的高级功能，如数据透视表和图表制作等，可以对数据进行可视化分析。例如，柱状图可以用来比较不同产品的销售额，折线图可以反映某产品的销售趋势。学生通过评估输出的结果是否满足需求，再决定是否需要调整模型并进行优化，这一过程充分培养了学生的评估思维。

第五，在使用电子表格进行数据研究的背景下，学生的计算视角得以拓宽。他们能够理解研究主题与相关数据集之间的关联性，同时面对如何使用计算工具在日常或未来生活中操作和利用数据的挑战。学生还将体验到该工具的可能性与局限性，并学会如何克服解决问题的困难以及在其他情境下灵活使用该工具[5]。这些挑战对应着学生概括思维的培养。

3 计算思维能力培养的策略

笔者以Excel模块教学为例，参照义务教育阶段信息技术课程标准，制定了以下计算思维能力培养策略：

1） 问题分解策略——对应分解思维的培养。

问题分解策略的核心在于将复杂问题分解成多个可解决的简单子任务，引导学生逐个解决，再整合到一起，有效解决问题。在Excel教学中，教师应选择贴近实际的复杂问题或任务，如设计早餐营养表、优化图书管理表、分析班级成绩表等，引导学生深入分析问题的整体结构和关键部分，并将复杂的Excel问题分解成数据整理、公式应用、图表制作等具体任务。学生分步解决后，整合成一个全面且有效的Excel工作表。

以数据的收集与录入教学为例，教师以“使用Ex⁃cel软件设计小组的早餐营养表”为任务导向，激发学生思考此表格需要哪些数据信息，包括但不限于食物种类、热量、蛋白质、脂肪等关键信息，以及思考通过什么途径可以获取信息。在获取数据之后，教师强调使用Excel工具，并讲解其页面组成；最后，教师可以演示利用Excel进行数据录入的过程，再让学生以信息技术小组为单位进行实践操作。在此教学过程中，复杂问题被分解成一系列可解决的小问题，有效培养了学生的分解思维和动手能力。

2） 抽象思维训练策略——对应抽象思维的培养。

抽象思维训练策略鼓励学生从具体任务的表面现象出发，摒弃无关因素，逐步挖掘其内在本质和根源。在Excel模块教学中，教师应将抽象思维训练策略融入该模块的所有教学设计中，每一个知识点都可以成为培养学生抽象思维的契机。从基础的数据排序与筛选，到函数和公式应用，再到数据可视化与图表制作，教师可以由浅入深地设计一系列任务，逐步提升学生的抽象思维。

以SUM函数为例，教师不仅要教授SUM函数的使用方法，还要引导学生思考该函数是如何遍历指定的单元格范围并求和、如何结合特殊公式进行合并单元格求和，以及在出现报错（如#DIV/0！） 时是如何运行的。在整个过程中，教师应及时给予反馈和指导，帮助学生理解Excel功能背后的原理和逻辑，从而有效培养学生的抽象思维。

3） 算法设计策略——对应算法思维的培养。

算法设计策略主张在面临问题时，教师引导学生不要第一时间尝试解决问题，而是要先进行周密的计划和布局，思考每一种可能性和限制条件，从而设计出精炼且有效的算法。在Excel的问题情境中，教师应鼓励学生先分析问题需求，选择合适的Excel功能并考虑其限制条件。随后，指导学生规划功能的使用顺序，设计并实施算法，并让学生观察算法实施效果，在不断的实践和反馈中优化算法，从而有效培养学生的算法思维。

以Excel的公式与函数教学为例，教师布置“运用Excel工具计算每位学生的平均成绩，并进行等级评定”的任务。在任务实施过程中，教师引导学生思考：该任务需要使用哪些函数？函数的使用有没有前后顺序？怎样设计其使用条件和范围？规范的操作流程是怎样的？让学生在操作之前先初步设计出算法。随后，教师指导学生进行实践：先选择 AVERAGE函数，精准计算出每个学生的平均成绩；再合理使用 IF 函数进行等级评定。此过程不仅能加深学生对函数选择和操作顺序重要性的认识，更能充分锻炼学生的算法思维。

4） 评估优化策略——对应评估思维的培养。

评估优化策略强调在算法设计和实施的过程中，学生要充分考虑各方面因素，权衡各种可能性的利弊，生成最佳解决方案。在Excel教学中，教师可以通过实际任务引导学生进行评估和优化，以培养评估思维。

以数据筛选和排序一课为例，教师布置一项“旅游酒店选择”的评估任务，让学生从酒店地址、价格、装修环境等各方面因素进行筛选和排序。在确定好酒店之后，教师搭建一个展示与交流的平台，让学生以信息技术小组为单位分享他们小组选择的酒店，并阐述选取它的原因。展示结束后，教师组织对学生作品的评价，评价方式可以包括教师评价、学生互评和学生自评等多种形式。通过多元化的评价方式，学生能够在交流评估中汲取灵感，从而更全面地优化自己的方案，有效培养评估思维，并提升其对问题解决方案的改进能力。

5） 知识联结策略——对应概括思维的培养。

知识联结策略强调在问题解决过程中，学生既要回顾已有的知识与经验，也要预测解决问题可能出现的问题，找到新旧知识点之间的内在联系，从而形成最佳解决方案。在Excel教学中，教师可以通过任务设计，引导学生在解决问题时联结多方面的知识点，培养其概括思维。

4 具体实施流程

本研究提出的五个策略聚焦于问题求解过程，旨在引导学生从实际问题出发，运用计算思维进行分解、抽象并解决问题。为此，本文设计了具体的实施流程，将策略充分融入实际教学中。

1） 前期准备。 教师制定切实合理的教学目标，设计以教学为主导、学生为主体的教学方案，准备好教学资源等；学生预习新知，复习旧知，培养知识迁移能力。

2） 创设情境，提出问题。 在课堂开始时，为了激发学生的学习兴趣并自然过渡到本节课的知识点，教师可以构建一个贴近初中生生活的情境。例如，在数据的收集与录入教学中，教师可以描绘“图书馆新购入的书籍还未登记，读者无法快速找到所需书籍”的场景，引导学生思考需要录入书籍的哪些信息，如作者、类别、出版社等。而在公式计算与函数计算教学中，教师可以让学生扮演校园商店店长的角色，通过计算销售额、利润等数据，制定下次的进货名单。在设定的情境中，鼓励学生主动发现问题，并将具体的事物或问题进行概括、简化。同时，使用抽象思维训练策略，持续追问学生可以从哪些角度对发现的问题进行深入分析，并进一步探讨为什么选择这个角度进行分析，从而引导学生忽略与问题无关的细节，只关注问题本质。

3） 新知讲授，分析问题。 教师讲授Excel知识点，引导学生关注问题本质，将问题描述符号化，从而实现对问题的抽象，培养抽象思维；进一步引导学生对提出的复杂且难以处理的问题进行分解，培养分解思维。例如，在数据的收集与录入中，教师引导学生思考从哪里收集数据，再到用什么软件收录数据，最后到怎样利用Excel进行数据录入，指导学生将任务抽丝剥茧，将一般性的问题求解方案转化为使用计算机中的Excel求解方案，从而起到培养学生抽象思维和分解思维的作用。

4） 任务驱动，解决问题。 教师布置任务，学生运用Excel功能解决问题。面对相似的新问题时，教师要引导学生运用已有问题的解决方案解决新问题，实现知识点的迁移和效率的提升，培养算法和概括思维。以数据的排序与筛选为例，笔者使用算法设计和知识联结策略，引导学生形成图2的算法设计。

5） 展示交流，优化方案。 教师组织学生将作品进行展示交流，分享自己设计的操作步骤。遇到优秀的操作方案时，学生可以相互交流、借鉴，并修改不足之处，从而培养评估思维。例如，在数据图表分析与可视化一课中，每个学生在此环节都可以分享自己的作品，对比不同方案下数据可视化的效果与差异。这不仅有助于学生拓展思维，不断优化自己的解决方案，还能让他们更深入地掌握数据可视化的原理和技能，以便在未来的学习和生活中灵活运用已有方案解决新问题。

5 结束语

综上所述，计算思维的培养是国内外教育领域共同关注的重点。本文参考权威的计算思维定义，深入阐述了计算思维的内涵，并对照面向问题解决过程中的计算思维要素结构，分析了Excel中的公式、函数、图表等功能与计算思维五个要素之间的对应关系。在此基础上，提出了相对应的策略和具体实施流程，并以Excel整个模块为例进行分析，具有一定的创新性。希望本文论述的策略能为计算思维能力培养工作注入新的灵感。

本研究构建的计算思维能力培养策略主要针对初中学生，且实施流程依托信息技术课程为载体。在今后的研究中，笔者将继续完善适用于其他学段的计算思维能力培养策略，并积极探索如何将计算思维融入其他学科的教学中。

参考文献：

[1] WING J M.Computational thinking[J].Communications of theACM，2006，49（3）：33-35.

[2] 顾小清， 姜冰倩. 以跨学科学习促进信息科技课程核心素养落地[J]. 现代远程教育研究， 2020， 35（6）： 3-10，29.

[3] 范文翔，张一春，李艺.国内外计算思维研究与发展综述[J]. 远程教育杂志，2018，36（2）：3-17.

[4] 范谊.华南地区初中信息教材形式特点的比较研究：以Ex⁃ceL模块为例[J].教学与管理，2015（3）：101-103.

[5] VAN BORKULO S P，CHYTAS C，DRIJVERS P，et al.Spread⁃sheets in secondary school statistics education：using authenticdata for computational thinking[J].Digital Experiences in Math⁃ematics Education，2023，9（3）：420-443.

【通联编辑：唐一东】

基金项目： 2023年衡阳师范学院教学改革研究项目：“互联网+”背景下师范生信息技术应用能力的培养研究（项目编号：JYKT202316） ；2022年衡阳师范学院卓越教师培养计划项目：“互联网+”背景下新一代信息技术教师培养模式的创新与实践