面向計(jì)算思維培養(yǎng)的微項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

楊瓊 岳仁超

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將計(jì)算思維列入高中信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，因此，如何將計(jì)算思維的培養(yǎng)真正滲透到信息技術(shù)課堂教學(xué)中，已成為中小學(xué)信息技術(shù)教育研究的重點(diǎn)。

● 微項(xiàng)目學(xué)習(xí)與計(jì)算思維培養(yǎng)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種圍繞項(xiàng)目展開的教學(xué)模式，其核心思想是“做中學(xué)”，注重實(shí)踐性和體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)在項(xiàng)目的完成中潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

微項(xiàng)目學(xué)習(xí)是在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上演化而來的一種以項(xiàng)目為核心的教學(xué)指導(dǎo)模式。微項(xiàng)目就是“小、近、實(shí)、活”的項(xiàng)目。小，即選題小，研究難度小，方法易操作;近，即貼近教學(xué)，聯(lián)系實(shí)際;實(shí)，即解決學(xué)習(xí)中的真實(shí)問題;活，即方法靈活，形式多樣。與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)相比，它對(duì)時(shí)間、資源的要求更低，具有切口小、周期短、知識(shí)承載量少、活動(dòng)任務(wù)體量較少等特點(diǎn)。

微項(xiàng)目學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)基于真實(shí)的情境創(chuàng)設(shè)具有驅(qū)動(dòng)性的挑戰(zhàn)問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)動(dòng)力，讓學(xué)生在看到所學(xué)知識(shí)與真實(shí)世界的某種聯(lián)系后，圍繞驅(qū)動(dòng)性問題進(jìn)行持續(xù)性的主動(dòng)探索與回應(yīng)，充分運(yùn)用抽象、分解、概括等計(jì)算思維的思想方法解決問題。微項(xiàng)目學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中建構(gòu)知識(shí)，發(fā)展思維，提升計(jì)算思維能力。

● 面向計(jì)算思維培養(yǎng)的微項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)分析

指向計(jì)算思維培養(yǎng)的微項(xiàng)目學(xué)習(xí)以微項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程為主線，將計(jì)算思維的五要素融入項(xiàng)目過程中（如圖1）。

（1）提出項(xiàng)目：創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，提出項(xiàng)目問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

（2）分析項(xiàng)目：分析項(xiàng)目主要包含分解和概括兩個(gè)部分。教師可以引導(dǎo)學(xué)生將項(xiàng)目問題進(jìn)行分解，降低問題解決的難度;概括則是教師針對(duì)所出現(xiàn)的問題引導(dǎo)學(xué)生搜索先前解決問題的方法。對(duì)于不能解決的問題，教師幫助學(xué)生尋找問題之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)問題解決的突破口。

（3）項(xiàng)目規(guī)劃：制訂項(xiàng)目規(guī)劃方案主要包含抽象思維。抽象是指將現(xiàn)實(shí)生活中的問題抽象出問題的本質(zhì)，摒棄重復(fù)與無關(guān)的信息，快速定位出本質(zhì)問題并表達(dá)成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的問題。

（4）項(xiàng)目實(shí)施：此過程主要包含算法思維，在此過程中教師要引導(dǎo)學(xué)生將規(guī)劃方案生成計(jì)算機(jī)能理解的方式，如圖形化編程、“畫程”或指令代碼等，并不斷調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)方案中存在的問題。

（5）項(xiàng)目評(píng)價(jià)：在此過程中，引導(dǎo)學(xué)生用自己的語言去表述創(chuàng)作思路，其他學(xué)生根據(jù)描述積極評(píng)價(jià)，在他人的評(píng)價(jià)中反思、改進(jìn)、提升，評(píng)估最優(yōu)方案。

（6）總結(jié)反思：該過程主要包含概括，即教師引導(dǎo)學(xué)生將此類解決問題的思考方法遷移到其他類似項(xiàng)目中，提高問題解決能力。

● 面向計(jì)算思維培養(yǎng)的微項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐

下面，筆者以“算法——探秘?cái)z像頭的背后”項(xiàng)目為例，對(duì)微項(xiàng)目學(xué)習(xí)助推計(jì)算思維培養(yǎng)的課堂教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行具體闡述。

1.創(chuàng)設(shè)情境，項(xiàng)目導(dǎo)入

師：交通擁堵問題已成為城市發(fā)展的一大難題，很多城市已經(jīng)實(shí)行了機(jī)動(dòng)車限號(hào)措施，對(duì)于違規(guī)者都會(huì)有相應(yīng)的處罰。那是誰在執(zhí)行這個(gè)工作呢？（播放視頻《2015年北京單雙號(hào)限行，高清探頭抓拍違法》）攝像頭是如何工作的呢？這節(jié)課我們以“探秘?cái)z像頭的背后”項(xiàng)目為例進(jìn)行算法學(xué)習(xí)。

設(shè)計(jì)意圖：以生活中的真實(shí)問題引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行分析，明確本節(jié)課的項(xiàng)目目標(biāo)——探秘車輛監(jiān)控?cái)z像頭背后的原理。

2.項(xiàng)目分析，走進(jìn)算法（生活算法）

項(xiàng)目背景知識(shí)：車牌號(hào)后5（6）位序號(hào)組成只有數(shù)字或數(shù)字加字母兩種組合;每個(gè)城市限號(hào)規(guī)則，我們模擬視頻中的單雙號(hào)限號(hào)規(guī)則，即判斷車牌中最后一位數(shù)字的奇偶性。

明確項(xiàng)目任務(wù)：如何判斷車輛的單雙號(hào)？

活動(dòng)一：簡(jiǎn)要描述人解決這一問題的辦法——①獲取車牌號(hào)信息;②取車牌號(hào)最后一位數(shù)字;③判斷奇偶數(shù);④輸出相應(yīng)結(jié)果。

小結(jié)：算法就是解決問題的方案和步驟。如上所述便是生活中的算法。

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生的真實(shí)生活出發(fā)，感受生活中的算法，用概括的方法將學(xué)生生活中無意識(shí)的算法轉(zhuǎn)化為有意識(shí)的算法思維。在描述過程中特意去其枝葉，用抽象的方法整體把握框架流程，符合程序從整體出發(fā)逐步細(xì)化的模塊化思想。

3.項(xiàng)目分解，理解算法（計(jì)算機(jī)算法）

（1）計(jì)算機(jī)算法。上述算法對(duì)于我們來說每一個(gè)步驟都很明確，但計(jì)算機(jī)卻犯難了。因此，需要把生活中的算法轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)算法，即將解決問題的方法細(xì)化成算法的執(zhí)行者——計(jì)算機(jī)能理解的步驟。

（2）項(xiàng)目方案分解：取車牌號(hào)尾數(shù)的方法;輸出單雙數(shù)的判斷方法。

設(shè)計(jì)意圖：生活算法的描述相對(duì)簡(jiǎn)單，只要算法的執(zhí)行者（人）能根據(jù)算法執(zhí)行即可，但用計(jì)算機(jī)解決問題，需要用計(jì)算機(jī)能理解的、更明確的、更細(xì)化的步驟去描述。因?qū)W生沒有算法基礎(chǔ)，用分治法是把一個(gè)較大的項(xiàng)目分成兩個(gè)較小的子問題，通過對(duì)子問題的求解，對(duì)問題各個(gè)擊破，分而治之，降低項(xiàng)目難度。

4.項(xiàng)目實(shí)施，描述算法

活動(dòng)二：對(duì)任意數(shù)字n，輸出奇偶判斷的結(jié)果。

自然語言描述算法：輸入n;判斷n的奇偶;輸出結(jié)果。

流程圖描述：為了便于交流，在設(shè)計(jì)好算法之后，還必須把它準(zhǔn)確清楚地表示出來。描述算法的方法有多種，除了用自然語言描述外，還可以用流程圖描述算法，流程圖是用一組規(guī)定式樣的幾何圖形、簡(jiǎn)明扼要的文字和帶箭頭的流線來表示算法。

思考并實(shí)踐：如何將自然語言轉(zhuǎn)化為流程圖描述？

小結(jié)：利用“選擇”框?qū)l件進(jìn)行判斷，根據(jù)給定的條件是否成立，從分支路徑中選擇執(zhí)行其中之一，這種控制結(jié)構(gòu)叫選擇結(jié)構(gòu)，也叫分支結(jié)構(gòu)。

活動(dòng)三：取出車牌號(hào)最后一個(gè)數(shù)字。

分析問題：用自然語言描述算法，分析循環(huán)條件、循環(huán)體。

實(shí)踐：用流程圖描述上述算法（如下頁圖2）。

小結(jié)：利用“循環(huán)”框?qū)l件進(jìn)行判斷，若條件成立，重復(fù)執(zhí)行某個(gè)操作，這種控制結(jié)構(gòu)稱為條件循環(huán)結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)意圖：用“畫程”畫圖的方式編寫程序，學(xué)生只需用拖拽圖標(biāo)的方式就能輕松地繪制流程圖。一方面它降低了編程對(duì)學(xué)生的干擾，把重點(diǎn)放在學(xué)生解決問題的思維方式上，而非具體的實(shí)現(xiàn)函數(shù)及語法。另一方面這個(gè)流程圖是可執(zhí)行的，以驗(yàn)證算法是否可行，也能讓學(xué)生體會(huì)到編寫程序并執(zhí)行顯示結(jié)果帶來的成就感。在活動(dòng)三中，讓學(xué)生用自然語言描述，再在教師的引導(dǎo)下一步步進(jìn)行分解、細(xì)化，將生活算法轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)算法。為了降低語法等對(duì)學(xué)生的影響，本活動(dòng)采用了半成品策略，將非本課重點(diǎn)內(nèi)容的“輸入車牌號(hào)”“是否為字母”“字符串取尾號(hào)”“切片”等方法用處理框提供給學(xué)生，學(xué)生只需要根據(jù)自然語言描述的方法去拖動(dòng)圖形框的位置即可輕松實(shí)現(xiàn)流程圖的繪制，從而將重點(diǎn)放在學(xué)生算法思維的培養(yǎng)上。

5.問題解決，總結(jié)算法

活動(dòng)四：項(xiàng)目整合，調(diào)試程序。

學(xué)生將分解的兩個(gè)子項(xiàng)目整合為完整的項(xiàng)目算法流程，程序整體依次從上到下執(zhí)行，即順序結(jié)構(gòu)，運(yùn)行調(diào)試程序，經(jīng)歷從生活算法到計(jì)算機(jī)算法的完整轉(zhuǎn)換。

算法總結(jié)：用思維導(dǎo)圖的方式展示，梳理算法及基本結(jié)構(gòu)等知識(shí)。

設(shè)計(jì)意圖：通過項(xiàng)目整合，讓學(xué)生感受分治思想的應(yīng)用，經(jīng)歷用分治的方法將生活算法轉(zhuǎn)化為具體的、可執(zhí)行的、確定的計(jì)算機(jī)算法?；仡櫵鶎W(xué)，利用思維導(dǎo)圖引導(dǎo)學(xué)生將關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)整合，進(jìn)一步鞏固學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

6.項(xiàng)目拓展與提升

各地的限號(hào)規(guī)則與多因素相關(guān)，遠(yuǎn)比單雙號(hào)復(fù)雜，限號(hào)規(guī)則的不斷完善也是算法不斷優(yōu)化的過程。機(jī)動(dòng)車限號(hào)僅僅是緩減交通擁堵的一種方式，各個(gè)城市也在做積極探索。播放視頻《鄭州聰明公交車》，感受算法對(duì)緩減交通擁堵的作用。生活中其實(shí)還有很多這樣聰明、智慧的應(yīng)用，其背后都是算法在支撐。

設(shè)計(jì)意圖：感悟高科技背后算法的作用，體會(huì)算法在生活中的應(yīng)用。

● 教學(xué)思考與總結(jié)

本節(jié)課結(jié)合生活中常見的車輛監(jiān)控?cái)z像頭，以“探秘?cái)z像頭背后的原理”項(xiàng)目引發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生用自然語言說出解決這一問題的方法步驟，從而理解生活算法，并引導(dǎo)學(xué)生將生活中無意識(shí)的生活算法轉(zhuǎn)化為有意識(shí)的計(jì)算機(jī)算法思維和方法。但要用計(jì)算機(jī)解決編程的方式問題，需要將生活算法轉(zhuǎn)化為明確具體的、可行的計(jì)算機(jī)能理解的算法。因?qū)W生沒接觸過算法，用分治法是把項(xiàng)目分解成“取尾數(shù)”“判斷奇偶”兩個(gè)子問題，再用算法的基本結(jié)構(gòu)去各個(gè)擊破，并以“畫程”畫圖的方式加以實(shí)現(xiàn)，最后再用順序結(jié)構(gòu)進(jìn)行項(xiàng)目整合。任務(wù)由簡(jiǎn)到難，層層深入，環(huán)環(huán)相扣，將計(jì)算思維的一般過程融入到微項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中，讓學(xué)生經(jīng)歷由生活算法到計(jì)算機(jī)算法的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到掌握算法概念，學(xué)會(huì)用流程圖描述算法的目的。

本次教學(xué)實(shí)踐取得了較好的教學(xué)效果。將計(jì)算思維融入微項(xiàng)目學(xué)習(xí)流程，為在信息技術(shù)課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維提供了一種新的思路。