基于計算思維培養(yǎng)的高中編程課程教學(xué)思考
——以Python語言為例

吳 江

（上海師范大學(xué)附屬中學(xué) 上海 200124）

一、前言

隨著計算機的問世，信息技術(shù)核心由計算機轉(zhuǎn)化為互聯(lián)網(wǎng)，再由互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。信息技術(shù)核心發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為知識更新與技術(shù)革新速度劇增，社會現(xiàn)代化、智能化水平大幅提升。數(shù)據(jù)計算每時每刻都在發(fā)生?！暗脭?shù)據(jù)者得天下”，誰能在這個數(shù)據(jù)暴增的時代掌握數(shù)據(jù)處理與分析的能力，誰就能在未來占據(jù)一席之地。2006年，“計算思維”的概念首次被提出，這一概念對人們解決問題的過程進行了描述。概念一經(jīng)提出，迅速引起了各界專家學(xué)者的關(guān)注?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標準（2017年版）》將計算思維作為高中學(xué)生信息課程教育的核心，需要各學(xué)校結(jié)合該校的基本條件與特色開展信息技術(shù)教學(xué)。在高中階段，將編程類課程（如Python編程課程）作為高中學(xué)生的必修課程，成為計算思維培養(yǎng)的主要陣地和媒介。因此，高中編程類課程如何與計算思維能力的培養(yǎng)相結(jié)合，以及如何對學(xué)生的計算思維進行有效評估等問題值得深入探究。

二、高中階段計算思維培養(yǎng)的重要性

（一）計算思維的內(nèi)涵

周以真在美國計算機權(quán)威期刊〈Communications of the ACM〉雜志上率先明確提出了計算思維的定義，將計算思維的培養(yǎng)與研究引入到中小學(xué)階段。我國的《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》中正式指出，計算思維是指能夠運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案過程中產(chǎn)生的一系列思維活動。該標準的培養(yǎng)目標中指出，具備計算思維的學(xué)生，能夠采用計算界定問題、抽象特征、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)的其他問題解決中。具體表現(xiàn)為解決問題過程中的形式化、模型化、系統(tǒng)化、自動化。

從上述的定義中可以看出，計算思維是一系列思維過程，在這個過程中圍繞具體的問題展開，人們在解決問題的過程中去思考和認知，這個過程不僅包含編程技能、算法概念等技能層面的內(nèi)容，還應(yīng)體現(xiàn)分解能力、抽象能力、設(shè)計能力、概括能力、社交能力以及評估能力，是一種綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。因此，在培養(yǎng)計算思維時應(yīng)注意如下特征：

特征一，計算思維的主體是人，而不是計算機本身。人們利用計算思維可以解決日常生活中遇到的問題，可以用來處理面對的各類關(guān)系，甚至可以用來處理人際關(guān)系。人是計算思維的主體，賦予計算機思想，幫助人解決問題。在編程課程中，要讓學(xué)生通過自身的思維過程，尋找計算機可執(zhí)行的步驟與方法，從而解決實際問題。

特征二，計算思維是抽象的，而不是具體的。在我們解決問題時，它給我們提供了思維方式，而不是具體的某個工具。在編程課程中要突出解決問題的思維過程，降低工具對教學(xué)的限制。

特征三，計算思維更多的是體現(xiàn)出高層次的認知水平，它與數(shù)學(xué)思維、工程思維相互補充。

特征四，狹義的計算思維是指運用一些思想方法去得到問題的解決方案，這些思想方法來自計算機科學(xué)領(lǐng)域。在利用計算機解決問題的過程中，學(xué)習(xí)者總結(jié)過程中的方法步驟，在生活中舉一反三，活學(xué)活用，遷移到其他相關(guān)問題的解決中。

（二）培養(yǎng)計算思維的重要性

學(xué)生在高中階段計算思維培養(yǎng)的重要性主要體現(xiàn)在兩個方面。

一是培養(yǎng)計算思維順應(yīng)高中生思維發(fā)展。在高中階段，學(xué)生的思維意識通過小學(xué)和初中階段的培養(yǎng)已經(jīng)逐漸成熟起來，他們的主觀判斷能力較強。高中階段各類課程的難度提升，知識儲備逐漸豐富，能夠逐步進行分解、抽象、歸納以及評價等操作，對算法、邏輯、推理也有了個人的理解，學(xué)生在完成復(fù)雜性與靈活性更高的任務(wù)時，學(xué)習(xí)能力和知識水平的提升都需要計算思維的進一步提升，計算思維能幫助學(xué)生更好地應(yīng)用所學(xué)知識，做到問題意識的建立與獨立思考能力的提升。

二是計算思維是信息時代重要的核心素養(yǎng)。信息化時代下計算機應(yīng)用技能已經(jīng)成為每個人的基礎(chǔ)能力，僅掌握工具的使用已經(jīng)無法適應(yīng)當今時代對人才的需求，現(xiàn)在更看重信息素養(yǎng)與計算思維等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標準（2017年版）》將計算思維列為信息技術(shù)學(xué)科的四個核心素養(yǎng)之一，使得計算思維的培養(yǎng)成為高中信息技術(shù)教育的重要內(nèi)容。計算思維的核心體現(xiàn)在提取問題、分析問題、設(shè)計過程、解決問題的過程上，在日常生活任何情境中都需要解決問題，因此，都可以應(yīng)用計算思維能力來實現(xiàn)。高中教育做為基礎(chǔ)教育的最后階段，計算思維這一核心素養(yǎng)的培養(yǎng)就是高中階段的重要任務(wù)。

三、基于Python編程課程的計算思維的培養(yǎng)要求

（一）Python編程課程有助于培養(yǎng)學(xué)生計算思維

在高中階段，高中信息技術(shù)課程一方面加強學(xué)生對數(shù)字化軟件工具的熟練程度，另一方面，必須格外重視培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，關(guān)注其提出問題、分析問題與解決問題的能力。目前，通過高中編程課程來提升學(xué)生的計算思維成為主要的教學(xué)方法。

編程語言有很多種，如常見的C語言、C++語言、JAVA語言、Python語言等，不同的語言擁有各自的特點，在不同的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。在以往的編程課堂中，由于程序語言復(fù)雜、學(xué)習(xí)難度較高，教師不得不將教學(xué)重點放在了程序語言的語法與使用技巧上，沒有引導(dǎo)學(xué)生利用編程語言解決實際問題，也沒有突出解決問題的思路。

Python語言是由吉多·范羅蘇姆（Guido van Rossum）在1989年開發(fā)的一種面向?qū)ο?、解釋型的計算機高級程序語言，使用者可以免費使用Python進行程序編寫。Python具備代碼開源、語法簡單、類庫豐富、功能強大、支持中文等特點，對于編程語言的初學(xué)者而言容易入門。Python語言的設(shè)計更接近自然語言，弱化了對程序語法的規(guī)則，因此，Python語言相較于其他編程語言的學(xué)習(xí)難度更低、適用性更廣，在高中編程語言教學(xué)課堂中可以有效減少學(xué)生修正語法錯誤的時間，降低工具使用難度，從而關(guān)注利用編程語言解決實際問題的過程。

（二）Python編程課程培養(yǎng)學(xué)生計算思維的要求

1.以解決具體問題為導(dǎo)向

計算思維最突出的表現(xiàn)之一就是問題解決的能力。學(xué)生可以在教師引導(dǎo)的問題解決過程中不斷地吸收知識，培養(yǎng)自身的問題解決能力。教師通過對教學(xué)內(nèi)容的把握，結(jié)合具體的情境，以任務(wù)驅(qū)動的方式，并輔助一些教學(xué)手段來啟發(fā)學(xué)生解析問題，同時鼓勵他們采取自主探究和合作探究的方式來獲取問題的解決方案。在整個問題解決的過程中，學(xué)生需要經(jīng)歷問題內(nèi)容提起、問題分析、算法的設(shè)計、代碼的實現(xiàn)、結(jié)果的生成等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在該過程中不斷提升自身解決問題的能力。與此同時，在過程中會涉及教學(xué)知識的應(yīng)用、Python代碼編寫、小組合作交流以及表達陳述能力等，這些能力的提升，最終表現(xiàn)為學(xué)生計算思維的整體提升。

2.尊重學(xué)生的水平差異

學(xué)生在進行Python語言學(xué)習(xí)時，會受到一些自身因素的影響。一方面是之前不同地區(qū)、不同學(xué)校的信息技術(shù)教育使得學(xué)生的計算機操作水平存在差異，學(xué)生對計算機基礎(chǔ)知識的了解存在一定的差異；另一方面是學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不同，當然，學(xué)習(xí)能力也不盡相同。因此，教師在進行教學(xué)活動時，由于這些外界因素的影響，很難做到考慮到每位學(xué)生的內(nèi)在需要。教師在進行授課時要充分考慮這些因素，尊重學(xué)生的水平差異，加強對學(xué)生知識基礎(chǔ)的培養(yǎng)，并且在授課時進行案例拓展，鼓勵學(xué)生積極思考，建立課堂案例基礎(chǔ)任務(wù)與案例拓展任務(wù)之間的聯(lián)系，以這種方式培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

3.以教師主導(dǎo)學(xué)生主體為準則

在實際教學(xué)過程中，教師需要發(fā)揮主導(dǎo)作用；要保證學(xué)生在實際的學(xué)習(xí)過程中的主體角色，優(yōu)化教學(xué)效果。保證教師的主導(dǎo)作用，一方面是為了保證教學(xué)進度的推進與教學(xué)目標的達成，另一方面，Python作為一門編程語言，雖然它具有“重算法、輕語法”的特點，相較于其他編程語言來說，簡單方便易上手，但在代碼實現(xiàn)與程序算法的設(shè)計上仍具備一定的難度，需要教師發(fā)揮主導(dǎo)作用，在有限的教學(xué)時間內(nèi)依據(jù)教學(xué)進度安排進行教學(xué)，保證教學(xué)效果的優(yōu)化。

為保證學(xué)生的主體角色，要通過教師引導(dǎo)學(xué)生進行問題分解，“從大變小”，“大”指的是難度大的問題，“小”指的是難度小的問題。將“大”變“小”之后，學(xué)生可以逐步求解難度小的問題，從而進行整合，最終解決難度大的問題。在這一過程中，要培養(yǎng)學(xué)生主動掌握知識的熱情，逐步讓他們將問題處理方式不斷內(nèi)化，從而促進思維的轉(zhuǎn)變。

4.以掌握Python語言為基礎(chǔ)

Python程序作為培養(yǎng)計算思維的工具載體，雖然Python語言的語法相對簡單，接近人類語言，但作為一個計算機編程語言，仍需要學(xué)習(xí)其語法規(guī)則和常用的程序邏輯。在Python語言過程教學(xué)過程中也要充分體現(xiàn)以解決問題為導(dǎo)向的思路，圍繞問題的解決來組織知識內(nèi)容，不再以知識為導(dǎo)向設(shè)計課程。一方面可以實現(xiàn)學(xué)以致用，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面，也能發(fā)揮學(xué)生主體教師指導(dǎo)的準則，讓學(xué)生掌握更多的自主權(quán)，專注解決問題所需的知識，降低學(xué)生學(xué)習(xí)語言的難度。

四、基于計算思維培養(yǎng)的高中Python編程課程教學(xué)設(shè)計

結(jié)合計算思維培養(yǎng)的需要，Python編程課程教學(xué)設(shè)計從前期教學(xué)分析、教學(xué)活動設(shè)計、教學(xué)實施過程設(shè)計、教育評價設(shè)計四個階段來進行。

（一）前期教學(xué)分析

1.教學(xué)目標分析

Python編程課程的目標之一就是要提升學(xué)生的計算思維。新課標中對學(xué)生的計算思維水平提出預(yù)備級、水平1、水平2、水平3的等級劃分，每個等級都提出了計算思維的培養(yǎng)目標。

預(yù)備級要求學(xué)生能夠認識到數(shù)字化表示信息的優(yōu)勢，結(jié)合教師給定的任務(wù)，能分析任務(wù)要求，識別任務(wù)本質(zhì)，能用流程圖表示解決任務(wù)的關(guān)鍵過程，選擇Python工具解決問題，了解到Python工具可以更有效率并且對問題的最終解決更有幫助。

水平1要求學(xué)生結(jié)合教師的給定任務(wù)，進行需求分析，明確要解決的關(guān)鍵問題，能提取問題的基本特征，并進行抽象處理，選擇合適的形式化工具對問題進行表述，能設(shè)計基本算法，借助Python語言來實現(xiàn)算法，并且能夠根據(jù)問題解決方案，進一步獲取、組織、分析數(shù)據(jù)，能在應(yīng)用中解決其他相關(guān)問題。

水平2要求學(xué)生能夠?qū)^復(fù)雜的任務(wù)進行分析，采用模塊化和系統(tǒng)化的方法設(shè)計解決方案，在利用Python完成任務(wù)時，能使用適當?shù)臄?shù)據(jù)類型對任務(wù)中所涉及的數(shù)據(jù)進行表示，在算法選擇上，更細致地進行考量，選擇合適的算法，用Python語言來分塊實現(xiàn)模塊功能，最后進行模塊整合，得出整體解決方案。

水平3要求學(xué)生針對整體解決方案進行全面的評估，對解決方案進行迭代優(yōu)化，并且要求學(xué)生在處理學(xué)習(xí)和生活中的實際問題時聯(lián)系上述問題解決過程，綜合表現(xiàn)為學(xué)生計算思維的提升。

2.學(xué)習(xí)者分析

首先，了解學(xué)生的特征信息，能在進行Python編程課程教學(xué)活動的設(shè)計時，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)風格，有針對性地設(shè)置知識案例內(nèi)容。然后，需要了解學(xué)生的編程基礎(chǔ)，若學(xué)生在小學(xué)和初中接觸過Python語言之外的編程語言，在教學(xué)設(shè)計時教師可以適當對比，突出工具的通用性。最后，需要了解學(xué)生的思維水平，高中階段的學(xué)生具備了一定的數(shù)學(xué)思維，也有了抽象推理能力，利用學(xué)生已經(jīng)具備的思維能力解決問題有助于發(fā)展學(xué)生的計算思維，也能為計算思維的發(fā)展水平和教學(xué)目標提供參考。

3.學(xué)科知識分析

基層思想政治工作是激活力、促發(fā)展的軟實力?；鶎影l(fā)展離不開規(guī)模、技術(shù)、裝備、資金等方面的硬實力，同樣離不開思想政治工作的軟實力。在企業(yè)做強、做優(yōu)的過程中，理想、信念、意志、責任、境界、作風等精神方面加強了，硬實力就有了核心、靈魂。

本研究教學(xué)內(nèi)容為高中Python編程基礎(chǔ)課程，知識內(nèi)容較為豐富，但內(nèi)容相對抽象，給發(fā)展學(xué)生計算思維創(chuàng)造了有利條件。利用Python課程知識內(nèi)容的這一特點，可以將教學(xué)知識內(nèi)容具體化，就是把教學(xué)內(nèi)容設(shè)計成一個或者多個教學(xué)活動環(huán)節(jié)，讓每一個環(huán)節(jié)任務(wù)都足夠明確。

4.教學(xué)策略分析與設(shè)計

結(jié)合學(xué)生的日常學(xué)習(xí)生活，從中挑選出適合教學(xué)內(nèi)容的情境進行設(shè)計，激發(fā)學(xué)生的認知熱情，對相關(guān)問題進行分析分解，使學(xué)生在學(xué)習(xí)基本知識之后，掌握案例的基本操作。

（二）教學(xué)活動設(shè)計

教學(xué)活動設(shè)計是該教學(xué)設(shè)計模型的關(guān)鍵內(nèi)容。為了完成教學(xué)目標，教師與學(xué)生需要共同參與一系列的教學(xué)活動。在該教學(xué)過程中，需要分別從教師活動與學(xué)生活動兩個方面進行設(shè)計。在設(shè)計教師活動時，思考教師需要做哪些準備來加強學(xué)生計算思維的培養(yǎng)；在設(shè)計學(xué)生活動時，也需要考慮什么樣的方式能夠更好地促進他們計算思維的培養(yǎng)。

1.教師活動設(shè)計

前期階段，教師首先需要確定教學(xué)任務(wù)、分析教學(xué)目標、準備任務(wù)知識點、設(shè)定教學(xué)流程，然后細化教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計。同時，需要根據(jù)實際情況，選擇問題或者項目來開展教學(xué)活動設(shè)計。在設(shè)計教學(xué)活動時，要注意將計算思維的培養(yǎng)方法加入進來。高中Python編程課上，教師需要根據(jù)實際任務(wù)案例講解任務(wù)知識點，提醒學(xué)生易錯點與難點，在學(xué)生自主完成課堂任務(wù)時，對學(xué)生進行一定的引導(dǎo)，避免因某個知識性問題而導(dǎo)致最終的任務(wù)無法完成。課后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進行反思，采用的方式一般為教師針對課程實施開展情況進行總結(jié)評價。引導(dǎo)學(xué)生思考的重點是學(xué)生自身在完成案例任務(wù)時究竟學(xué)到了什么。

2.學(xué)生活動設(shè)計

高中Python編程課程教學(xué)前期階段，學(xué)生需要對課程新知識進行熟悉，了解案例任務(wù)內(nèi)容、學(xué)習(xí)任務(wù)知識點，并且制訂初步計劃，以便學(xué)習(xí)后續(xù)教學(xué)活動中所涉及的知識。課中，學(xué)生需要掌握任務(wù)知識點，嘗試自我分析課堂任務(wù)案例，自主編程解決任務(wù)難題。學(xué)生可以根據(jù)自己的實際情況，先完成課堂基本任務(wù)，在這個過程中，注重自主思考或者交流協(xié)作，在遇到問題時及時尋求教師的幫助或者與同伴交流協(xié)作。在掌握好課程基本任務(wù)的解決方法之后，嘗試完成拓展任務(wù)，利用已有的知識結(jié)構(gòu)與所掌握的新知識內(nèi)容，將拓展任務(wù)與基礎(chǔ)任務(wù)建立聯(lián)系，用問題分解的方式將復(fù)雜問題化難為簡。高中Python編程的課后，學(xué)生應(yīng)積極展示自己的任務(wù)成果，查看他人的任務(wù)成果，對自己與他人的任務(wù)成果都能進行中肯的評價，并從中獲取經(jīng)驗，吸收他人好的地方，意識到自己的不足所在。教師除了是教學(xué)的引導(dǎo)者之外，還是學(xué)生行為與態(tài)度的觀察者，要及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)活動開展過程中出現(xiàn)的問題，對所設(shè)計的教學(xué)活動進行修訂。

（三）實施過程設(shè)計

為了保證教學(xué)活動的順利進行，需要考慮活動實施過程中所需的教學(xué)環(huán)境，比如Python編程環(huán)境、Python自學(xué)教程等。另外，還需要教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計或整理相關(guān)資料輔助課程教學(xué)，使得學(xué)生在知識的獲得上更加方便快捷，而不僅僅依靠教師個人，這樣做也方便學(xué)生查漏補缺，及時調(diào)整學(xué)習(xí)進度。

（四）教學(xué)評價設(shè)計

在高中Python編程課程教學(xué)設(shè)計中，教學(xué)評價是不可或缺的因素。一個教學(xué)設(shè)計模型若沒有教學(xué)評價就是不完整的。教學(xué)評價的存在，一方面，可以讓學(xué)生了解自己的真實情況，通過個人反思與他人評價使他們快速了解自己對知識內(nèi)容的掌握程度；另一方面，教學(xué)評價數(shù)據(jù)也能幫助教師真實了解學(xué)生的實際情況與教學(xué)效果，可以根據(jù)這些參數(shù)及時調(diào)整教學(xué)活動，更好地開展教學(xué)。

首先，可以使用學(xué)生的任務(wù)完成情況來評測學(xué)生的計算思維能力水平，在提出問題、分解問題以及解決問題的環(huán)節(jié)中設(shè)計測評問題或者測評任務(wù)，記錄學(xué)生的完成情況。其次，可以使用設(shè)計計算思維評測量表的形式來量化學(xué)生的計算思維能力，計算思維的評測量表需要結(jié)合實際任務(wù)來進行設(shè)計，突出學(xué)生解決問題的過程。最后，設(shè)計學(xué)生自評、小組互評、組間評價，對學(xué)生的表現(xiàn)進行主客觀評價。

（五）教學(xué)反思

縱觀整個教學(xué)設(shè)計流程，四個階段環(huán)環(huán)相扣，指導(dǎo)教師以Python語言為載體，培養(yǎng)高中生的計算思維。在教學(xué)過程中為了符合高中生的思維水平，采用“項目制”教學(xué)形式，將學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)置在不同學(xué)習(xí)情境中，注重學(xué)生參與問題解決的過程而非僅限于Python編程的結(jié)果。如教師在問題情境中引導(dǎo)學(xué)生探究數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，可以利用Python語言、使用不同的圖形進行可視化表征。

同時，在教學(xué)過程中也需要重視學(xué)習(xí)者的個人發(fā)展特點，但在普通高中信息技術(shù)課堂很難實現(xiàn)個性化教學(xué)，因此，課后拓展課、興趣課也可以成為計算思維培養(yǎng)的重要方式。在這類課堂上可以充分發(fā)展學(xué)生的主觀能動性，在已有課程的基礎(chǔ)上進行進一步深入探究，為學(xué)生提供更多學(xué)習(xí)與發(fā)展機會。

五、結(jié)語

在Python編程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生計算思維能力水平的提升，綜合表現(xiàn)為學(xué)生運用分解、抽象、算法、概括等方法提高問題解決能力。在使用Python程序解決問題的過程中，學(xué)生操作Python軟件的能力與計算思維能力相輔相成。本研究基于計算思維培養(yǎng)的高中編程課程，提出自己的思考，驗證了Python編程課程用于提升學(xué)生計算思維的可行性，試圖解決以往高中編程語言教學(xué)中存在的“重語法、輕算法”、機械式語法記憶等普遍問題，為這些問題的解決提供一些方案與經(jīng)驗，具有一定的實踐價值。另外，在教學(xué)過程中應(yīng)加強對學(xué)生問題分析、問題解決等能力的培養(yǎng)，結(jié)合具體的教學(xué)設(shè)計方案，激發(fā)學(xué)生編程學(xué)習(xí)的熱情，以促進他們計算思維水平的提升。