高中信息技術(shù)課程中計(jì)算思維多維度進(jìn)階教學(xué)探究

周曉燕

摘要：作者論述了計(jì)算思維與信息技術(shù)課程的緊密聯(lián)系，并根據(jù)高中信息技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容，總結(jié)了計(jì)算思維的五要素在整個(gè)知識(shí)體系中的體現(xiàn)，提出了六個(gè)維度及其進(jìn)階要求，同時(shí)基于進(jìn)階學(xué)習(xí)理論，設(shè)計(jì)了教學(xué)實(shí)踐探索的步驟，以期在高中信息課程中讓學(xué)生在掌握知識(shí)模塊的同時(shí)，科學(xué)高效地提升計(jì)算思維水平。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；學(xué)習(xí)進(jìn)階；六維度；五要素；高中信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2023）10-0017-04

計(jì)算思維（Computational Thinking）[1]是以數(shù)字和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的思維方法，它將解決問題的過程分解成不同步驟，通過抽象和分析，將復(fù)雜的問題重新構(gòu)建，并使用有效的算法對(duì)其中的每一個(gè)操作進(jìn)行優(yōu)化，最終得出精確的解決方案。

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將計(jì)算思維定義為個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)。[2-3]筆者采用了“五要素”作為計(jì)算思維技能的二級(jí)指標(biāo)。

計(jì)算思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練，為信息技術(shù)課程教學(xué)提出了新任務(wù)、新要求，教學(xué)方法需要在實(shí)踐中不斷總結(jié)和完善。學(xué)習(xí)進(jìn)階（learning progressions）[4]是一種教育心理學(xué)理論。美國國家研究理事會(huì)（NRC）認(rèn)為，學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述。在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間跨度下，學(xué)生在學(xué)習(xí)和探究某一重要的知識(shí)或者實(shí)踐領(lǐng)域時(shí)，其思維方式逐漸進(jìn)階。理論注重通過對(duì)經(jīng)驗(yàn)的反思來不斷改進(jìn)和提高，同時(shí)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)環(huán)境的重要性。針對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)，筆者基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論和高中信息技術(shù)課程內(nèi)容，對(duì)知識(shí)模塊細(xì)化維度，并設(shè)計(jì)實(shí)施了一套過程規(guī)范、結(jié)合實(shí)際、持續(xù)完善的教學(xué)方案。

信息技術(shù)課程與計(jì)算思維

信息技術(shù)課程的實(shí)施與計(jì)算思維的培養(yǎng)相輔相成，密不可分。但在具體的教學(xué)實(shí)踐中，需要理清如下三個(gè)方面的問題。

1.計(jì)算思維是一種普適性的思維方式

計(jì)算思維源于計(jì)算機(jī)科學(xué)，是一種解決問題的思考方式，而不是具體的學(xué)科知識(shí)，這種思考方式要運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本理念。在高中階段，學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)和信息技術(shù)課程緊密相關(guān)。但作為一種普適的思維方式，計(jì)算思維的應(yīng)用絕非信息技術(shù)或計(jì)算機(jī)科學(xué)所獨(dú)有。[5]所以在教學(xué)過程中，需要體現(xiàn)其作為科學(xué)思維方法的通用性和普遍性。在條件允許的情況下，鼓勵(lì)跨學(xué)科交叉，如解決數(shù)理學(xué)科中的典型問題。[6-7]教學(xué)實(shí)踐表明，可以收到很好的學(xué)習(xí)效果。

2.培養(yǎng)計(jì)算思維和學(xué)習(xí)信息技術(shù)是互相促進(jìn)的，且需要教師引導(dǎo)

優(yōu)秀的信息技術(shù)教學(xué)，不僅教授基本概念和編程，還培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。對(duì)于大部分學(xué)生而言，計(jì)算思維的培養(yǎng)需要教師有意識(shí)地引導(dǎo)。在分析解決典型問題的基礎(chǔ)上，做好對(duì)比、總結(jié)、啟發(fā)、拓展等工作，對(duì)學(xué)生將更有意義。

3.信息技術(shù)課程的知識(shí)體系與計(jì)算思維關(guān)系緊密，需要細(xì)化具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系

高中信息技術(shù)課程的模塊較多，涉及的知識(shí)點(diǎn)龐雜。培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐，需要根據(jù)大綱要求、課時(shí)安排、軟硬件條件等具體情況，梳理知識(shí)體系，分類細(xì)化，循序遞進(jìn)，并與計(jì)算思維的培養(yǎng)要素相對(duì)應(yīng)，合理安排教學(xué)進(jìn)度。

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的教學(xué)實(shí)踐

培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐是一個(gè)系統(tǒng)工程。筆者進(jìn)行的教學(xué)實(shí)踐研究，遵循學(xué)習(xí)進(jìn)階理論中階段性、漸進(jìn)性、學(xué)生支持等原則[8-9]，將其作為具體實(shí)施過程的指導(dǎo)?；舅枷胧牵簩⒔虒W(xué)目標(biāo)分段設(shè)計(jì)，通過持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)課程大綱的教學(xué)目標(biāo)和計(jì)算思維培養(yǎng)，并設(shè)計(jì)了較為規(guī)范的推進(jìn)步驟（如右圖）。

①教學(xué)實(shí)踐的推進(jìn)是一個(gè)長期的過程，教學(xué)過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，需要持續(xù)不斷地應(yīng)用到后期的持續(xù)改進(jìn)過程中去。同時(shí)，作為一個(gè)新課題，計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)的科學(xué)性和可行性也需要不斷修正?？傮w而言，圖中體現(xiàn)出的是一個(gè)分階段反思改進(jìn)并不斷循環(huán)的過程。

②以教學(xué)大綱為出發(fā)點(diǎn)。計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)不能脫離大綱，教師在教學(xué)實(shí)施過程中，要根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，分階段細(xì)化培養(yǎng)目標(biāo)，并通過對(duì)應(yīng)的教學(xué)方案保證教學(xué)質(zhì)量。

③計(jì)算思維的具體培養(yǎng)目標(biāo)取決于三個(gè)方面的因素——大綱、計(jì)算思維理論發(fā)展、學(xué)校具體情況（對(duì)應(yīng)圖中標(biāo)有“修訂”字樣的三根雙線箭頭），并在教學(xué)過程中不斷修訂。需要說明的是，由于每所學(xué)校的情況不一樣，具體的培養(yǎng)目標(biāo)很難做到完全一致。

④教學(xué)方法的改進(jìn)主要取決于教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況。同時(shí)，在質(zhì)量保證的情況下，仍然有必要持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展，精益求精（對(duì)應(yīng)圖中三根粗黑線箭頭）。

⑤在學(xué)習(xí)進(jìn)階理論和持續(xù)改進(jìn)思想的指導(dǎo)下，筆者設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)施推進(jìn)流程充分體現(xiàn)出“學(xué)”的進(jìn)階也是“教”的進(jìn)階。整個(gè)過程以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，共同完成信息技術(shù)課程中的計(jì)算思維培養(yǎng)。

計(jì)算思維“五要素”、知識(shí)體系“六維度”和學(xué)習(xí)進(jìn)階“八階段”

在上文所述的教學(xué)推進(jìn)方案中，不論是計(jì)算思維的培養(yǎng)，還是學(xué)習(xí)進(jìn)階的階段內(nèi)容和目標(biāo)，都需要一個(gè)相對(duì)客觀的標(biāo)準(zhǔn)，幫助教師和學(xué)生評(píng)估教學(xué)效果。以下是筆者總結(jié)出的計(jì)算思維“五要素”、知識(shí)體系“六維度”和學(xué)習(xí)進(jìn)階“八階段”。

①基于計(jì)算思維的三個(gè)理論關(guān)鍵“算法、抽象和自動(dòng)化”、美國ISTE和CSTA劃分的計(jì)算思維特征[10]、英國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)提出的計(jì)算思維核心概念[11]和我國高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中的表述，筆者確定了高中信息技術(shù)課程對(duì)應(yīng)的計(jì)算思維五要素：算法、評(píng)估、分解、抽象、歸納。

②按照教學(xué)模塊和知識(shí)體系，確定高中技術(shù)課程的六個(gè)維度為：算法、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)和信息、計(jì)算機(jī)硬件、通信網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)應(yīng)用。

③基于學(xué)習(xí)進(jìn)階，考慮每個(gè)維度中知識(shí)難度的循環(huán)遞進(jìn)，以及各個(gè)維度之間的聯(lián)系，筆者結(jié)合高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的四個(gè)水平標(biāo)準(zhǔn)，將高中信息技術(shù)細(xì)化為八個(gè)階段，并指出每個(gè)階段和維度與計(jì)算思維要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

計(jì)算思維的五要素在知識(shí)體系的六個(gè)維度中都有具體表現(xiàn)，從縱向發(fā)展進(jìn)階為八個(gè)階段，總結(jié)歸納成上頁表。在教學(xué)過程中，教師可以靈活掌握，并根據(jù)客觀條件刪減。

后期工作

后續(xù)，筆者將在以下三個(gè)方面繼續(xù)深入研究：①設(shè)計(jì)各階段間有效銜接，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維進(jìn)階的教學(xué)策略。主要考慮知識(shí)遞進(jìn)、學(xué)以致用。②各階段信息技術(shù)課程設(shè)計(jì)與開發(fā)研究。主要針對(duì)具體知識(shí)點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)用例和學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)。③學(xué)情跟蹤，考核評(píng)價(jià)創(chuàng)新。在客觀分析教學(xué)效果的前提下，對(duì)整個(gè)教學(xué)過程不斷優(yōu)化、持續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jeannette M. Wing. Computational thinking[J].Communications of the ACM，2006（03）.

[2]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.

[3]熊璋，趙健，陸海豐，等.義務(wù)教育階段信息科技課程的時(shí)代性與科學(xué)性——《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》解讀[J].教師教育學(xué)報(bào)，2022，9（04）：63-69.

[4]NATIONAL RESEARCH COUNCIL.Systems for state science assessment[M].Pittsburgh： National Academies Press，2006，1：248.

[5]陳娟娟，陳凱亮.計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)：多學(xué)段科學(xué)教育中科學(xué)和計(jì)算思維協(xié)同發(fā)展路徑[J].遠(yuǎn)程教育雜志. 2022，40（06）：22-33.

[6]鄭興航.從解決數(shù)學(xué)問題出發(fā)認(rèn)識(shí)計(jì)算思維[J].中國信息技術(shù)教育，2023（02）：40-43.

[7]曹玉峰，李明明，石忠磊.應(yīng)用計(jì)算思維建構(gòu)高中物理解題方法和步驟[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，38（06）：90-94.

[8]劉晟，劉恩山.學(xué)習(xí)進(jìn)階：關(guān)注學(xué)生認(rèn)知發(fā)展和生活經(jīng)驗(yàn)[J].教育學(xué)報(bào)，2012（02）：81-87.

[9]GAO F，CHEN Z. Learning progressions： new approaches to American science education reform[J].Studies in foreign education，2011（14）：1895－1900.

[10]ISTE&CSTA.Computational thinking teaching in K-12 Education： teacher resources，second edition[DB/OL].http：//www.csta.acm.org/Curriculum/sub/CurriFiles/CSTA_K-12_CSS.pdf.

[11]Curzon P，Dorling M，Ng T，Selby C，& Woollard J.Developing Computational Thinking in the Classroom： a Framework[DB/OL].https：//pdfs.semanticscholar.org/e4f3/c24924c5a707a196b2015494c829c15618d1.pdf.

本文是江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃課題“學(xué)習(xí)進(jìn)階理論下學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐研究”（D/2021/02/184）的研究成果之一。