基于計算思維的高中信息技術(shù)課程案例研究

鄧輝

摘? 要： 為了探究高中信息技術(shù)課程中教師將計算思維與課程融合的情況，以上海某中學的高中信息技術(shù)課程為例進行分析。研究發(fā)現(xiàn)案例課程的教學活動較好地體現(xiàn)了計算思維，但課堂中分解和概括部分教學內(nèi)容還有待優(yōu)化。文章針對這些問題提出了教學建議。

關(guān)鍵詞： 高中信息技術(shù); 計算思維; 案例研究; 核心概念

中圖分類號：G633.67? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1006-8228（2020）02-98-04

Case study of high school information technology course Based on

computational thinking

Deng Hui

（Inner Mongolia Normal University， Hohhot， Inner Mongolia 010022， China）

Abstract： In order to explore the integration of computational thinking and curriculum in high school information technology curriculum， a high school information technology course in Shanghai is analyzed as an example. It is found that the teaching activities of the case reflect the computational thinking well， but some teaching contents in the class such as the decomposition and generalization still need to be optimized. This paper puts forward some teaching suggestions for these problems.

Key words： high school information technology course; computational thinking; case studies; core concept

0 引言

關(guān)于計算思維的研究歷史至少要追溯到上世紀50年代[1]，計算思維研究最早出現(xiàn)在計算機教育、神經(jīng)科學等領(lǐng)域。美國心理學和教育學家 Robert J. Sternberg指出：思維是能力的基礎(chǔ)，學習者不僅需要知識的學習，還需要思維的培養(yǎng)，幫助他們學會發(fā)現(xiàn)問題和解決問題[2]。2011年美國已經(jīng)將計算思維納入《CSTAK-12標準（2011修訂版）》。英國在2013年也將計算思維作為其新信息技術(shù)課程的重要內(nèi)容[3]。我國于2010年7月在西安交大主辦了“C9計算機基礎(chǔ)教育研討會”，會上我國多位計算機教育的研究者首次認真的討論了計算機基礎(chǔ)教學中如何培養(yǎng)學生計算思維，并把計算機能力的培養(yǎng)看作是計算機基礎(chǔ)教育的核心內(nèi)容，同時也強調(diào)我國現(xiàn)在應(yīng)該加強培養(yǎng)計算思維能力的課程研究。為了加強中學生計算思維的培養(yǎng)，教育部將計算思維納入《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》的核心素養(yǎng)，并且在課程的學業(yè)要求中也多次提出計算思維培養(yǎng)的策略和內(nèi)容。

計算思維不僅有利于解決實際問題還有利于人們批判思維的發(fā)展以及信息素養(yǎng)的發(fā)展。學生思維能力的培養(yǎng)也是邏輯能力、創(chuàng)新能力和自我調(diào)節(jié)能力等的培養(yǎng)，思維作為能力的基礎(chǔ)，是教學的重點。

1 計算思維

美國卡內(nèi)基.卡梅隆大學計算機學院的周以真教授在2006年提出計算思維的概念，認為計算思維就是運用計算機科學的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[4]。周教授認為計算思維是通過簡化、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看起來困難、復(fù)雜的問題重新闡釋成一個比較淺顯易懂的問題，以便于處理問題。

Selby博士和Woollard博士根據(jù)計算課程的理解和實踐探究提出了計算思維要素是算法思維、評估、分解、抽象、歸納，其關(guān)于計算思維的觀點比較適合中小學信息技術(shù)教育[5]。算法思維是將解決問題的過程通過流程圖等簡單結(jié)構(gòu)表示成清晰明確的步驟。評估分析是對算法中方案能否達到目標進行價值判斷，這個過程中往往帶有反思、批判思想。分解是從子模塊的角度來考慮問題，將系統(tǒng)劃分為部分，系統(tǒng)經(jīng)過分解后可以細分為多個部分，每個部分再被逐一解決。抽象是忽略一些不必要的細節(jié)內(nèi)容，隱藏對象的復(fù)雜性性，只顯示主體部分，從而降低處理的難度。歸納是總結(jié)和修改解決問題的方案的，一種模式可以多次利用有利于提高解決問題效率。處理問題需要掌握的是處理問題的技巧，而培養(yǎng)計算思維可以讓學生形成一種高效的解決問題的能力。

2 計算思維教學案例

課程教學分析是教師了解課程教學效果、提升教學能力的一種方法，教師通過對他人或自己教學過程的分析從而找出自己在教學中的不足并加以改正。

2.1 教學案例

研究選擇了上海市某中學的一個高中信息技術(shù)課程，通過分析案例了解涉及計算思維的核心思想是如何在課程中體現(xiàn)的，以及課程的整體活動安排是否有利于培養(yǎng)學生的計算思維能力。案例的課程內(nèi)容是華東師大新課標“算法與程序設(shè)計”（選修）中第二章的基本算法實例中的“選擇排序”。教學的對象是高一學生，教學環(huán)境是多媒體教室。計算思維的核心是抽象和自動化，編程類課程比較滿足計算思維的要求，編程類課程中對數(shù)據(jù)的表征、建模等教學活動能激發(fā)學生的思維。

2.2 該課程的主要目標

要求能描述選擇排序的基本思想，能解釋并識讀選擇排序算法的流程圖，利用選擇排序解決簡單的生活問題（知識與技能）。通過微視頻，觀察并分析選擇排序的基本思想。通過實例分析，學會用選擇排序基本思想對數(shù)據(jù)進行排序，能記錄每一趟排序后數(shù)組中數(shù)據(jù)的變化。歸納選擇排序的規(guī)律，遷移到流程圖的識讀，學會從具體到一般的歸納方法（過程與方法）。感受利用計算機來實現(xiàn)排序的優(yōu)勢，體驗選擇排序在生活中的應(yīng)用。積極參與小組合作，感受團隊協(xié)作共同解決問題的力量（情感態(tài)度與價值觀）。

課堂主要是情節(jié)導入、講授新課、知識延伸、課堂總結(jié)和布置作業(yè)五個環(huán)節(jié)。

第一個環(huán)節(jié)：情景導入

教師設(shè)定一個現(xiàn)實中的真實情景：學生的體質(zhì)健康狀況非常重要，為此，老師課前向同學們做了一項問卷調(diào)查，并展示了問卷調(diào)查結(jié)果。然后讓學生們討論“從調(diào)查結(jié)果中你發(fā)現(xiàn)了哪些結(jié)論？假如要從全部數(shù)據(jù)中找到每周鍛煉時間在5小時以上的同學，并授予‘鍛煉小達人稱號，應(yīng)該首先對全部數(shù)據(jù)進行怎樣的處理”。這個環(huán)節(jié)主要是為了引導學生對情景中產(chǎn)生的問題進行思考從而進行課程內(nèi)容的學習。

第二個環(huán)節(jié)：講授新課

⑴ 教師解釋什么是排序，并與學生互動解答生活中排序的例子有哪些。

⑵ 讓學生帶著問題觀看視頻“選擇排序”，教師指導學生一邊觀看教學微視頻一邊完成學習單對應(yīng)的題目，并且在觀看微視頻的過程中巡視指導。當學生自學視頻并完成相應(yīng)的練習之后教師對學生進行提問，讓學生指出每一趟排序后的結(jié)果以及數(shù)據(jù)一共比較了幾趟， 之后歸納總結(jié)選擇排序的過程。通過這個過程學生可以體會降序具體的步驟并理解降序排序中所體現(xiàn)的逐步解決問題的思想。

⑶ 通過新的實例（學生會主席得票數(shù)排序）來鞏固選擇排序的思想。在學生理解了排序的內(nèi)容之后結(jié)合視頻截圖，啟發(fā)學生將有N個數(shù)組的元素選擇排序的算法流程圖補充完整，指出選擇排序算法的兩個關(guān)鍵步驟，在這個過程中學生也能體會抽象思維，培養(yǎng)學生對問題進行細節(jié)隱藏處理，確定關(guān)鍵點的思想活動。

⑷ 讓學生進行小組討論，完成第一趟排序?qū)ふ易畲髷?shù)的算法流程圖。

⑸ 讓學生結(jié)合之前的兩個流程圖，上機調(diào)試選擇排序的程序。

第三個環(huán)節(jié)：知識延伸

引導學生思考排序的方法其實有很多，不僅僅只有選擇排序一種，引導學生思考回，鼓勵學生課后的延伸學習。

第四個環(huán)節(jié)：課堂總結(jié)

在該環(huán)節(jié)展示體質(zhì)測試成績，告知學生鍛煉對于身體健康的重要性并總結(jié)什么是選擇排序。

第五個環(huán)節(jié)：布置作業(yè)

讓學生設(shè)計程序完成任務(wù)：將本學期學習的英語單詞按照英文字典的排序方式編排成一個有序的單詞表并輸出。這一環(huán)節(jié)可以培養(yǎng)學生將這種解決問題的方法應(yīng)用到其他類似問題中的能力。

2.3 教學案例分析

通過案例分析發(fā)現(xiàn)在此課程中計算思維內(nèi)容主要體現(xiàn)在教學設(shè)計和實際的課堂教學過程中，分別以表格的形式呈現(xiàn)對于計算思維體現(xiàn)具體分析的內(nèi)容。表1表示教學目標中計算思維的體現(xiàn)情況，表2表示課堂中計算思維的體現(xiàn)情況。

從教學設(shè)計的計算思維中可知計算思維核心概念并沒有包含所有，教學設(shè)計中的教學目標還是分析的三維目標，缺乏對計算思維的具體內(nèi)容分析。

選擇排序本就是一種算法思想的體現(xiàn)，教師在教學活動過程中引導學生思考，并在學習過程中也有意識地對學生的抽象思維、評估思維進行了培養(yǎng)。對于教學內(nèi)容從簡單入手，讓學生從簡單的問題入手抽象出概念，再對概念進行提煉，最后將這種策略方法遷移到解決生活中的問題。課程所涉及到的這種活動過程本來就是對計算思維的高度融合，即讓學生在信息活動中能夠采用計算機可以處理問題的方式界定問題、抽象概念、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案，總結(jié)利用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題中。

在整個過程中學生積極回答老師對排序程序的提問，完成了選擇排序?qū)W習任務(wù)單，對排序步驟進行羅列、整理并展示結(jié)果，最后在程序調(diào)試出現(xiàn)問題時積極找出存在的問題，集思廣益并選擇合適的方法解決了問題。

通過對案例的研究分析發(fā)現(xiàn)，在這種以教師主導、學生為主體的教學模式中學生基本能較好地完成任務(wù);對于展示問題解決結(jié)果這種給他人講授的方法，不僅可以讓其他學生從中學習到內(nèi)容和受到啟發(fā)，還可以讓其他人通過分析對問題的解答結(jié)果來發(fā)現(xiàn)問題。

本節(jié)課主要體現(xiàn)了歸納、抽象、評估和計算思維四個計算思維的核心概念，課程設(shè)計對于分解這一核心概念還沒有很好地涉及到，分解可以將復(fù)雜的問題簡單化，可以總結(jié)出解決問題方案的關(guān)鍵點，教師在程序算法課堂中對于算法思想，算法程序的整體結(jié)構(gòu)強調(diào)的比價多，對于計算思維IPO（input-process-output）思想融入的還不夠。教師對于課堂融入計算思維中評估的概念還可以提高，在課程中教師給出多種調(diào)試程序的語句，為學生提供了多種解決問題的方法，但是學生只是停留在簡單地選擇，由于課堂時間有限等因素，課堂中對幾種方案有哪些差異的深入理解環(huán)節(jié)還沒有很好的展示出來。在優(yōu)化教學中可以通過讓將算法處理問題的關(guān)鍵點提煉出來讓學生體會就算思維的分解，可以通過學生改正錯誤程序過程體會不同程序的調(diào)試。

3 結(jié)束語

在對案例分析的過程中發(fā)現(xiàn)，計算思維的五大核心概念對于評價課程中計算思維有很大的幫助，有利于掌握計算機教學中計算思維教學的實際教學情況;除此之外，以核心概念為評價維度對課程教學進行分析進而改進課程的教學，對提高教師能力很有幫助。在高中信息技術(shù)教育中教師能正確的把握知識，以生活中的問題引入，最后以處理生活中的問題為落腳點，對于學生計算思維的培養(yǎng)大有好處。在信息技術(shù)課程中評價課程的教學，結(jié)合定性評價與定量評價更能反映出課堂教學效果，更有利于提出改進課程教學的建議幫助教師更好的實施課程。計算思維是當今國內(nèi)外研究的一個新領(lǐng)域，也是一個熱點，計算思維作為我國高中信息技術(shù)課程的核心素養(yǎng)是高中信息技術(shù)教育的重點之一。我國的計算思維教學還處于初級階段，如何設(shè)計課程、如何制作教學課程資源、如何從計算思維角度評價信息技術(shù)課程等研究，還需要一線教師與計算機教育研究者共同努力。

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