高中計(jì)算思維技能培養(yǎng)教材的設(shè)計(jì)與開發(fā)

閻姝宇，駱科亞，寸珊娜，許靖宇

（天津師范大學(xué)教育學(xué)部，天津 300000)

1 研究背景

著眼于高考改革新模式的發(fā)展走向與教育領(lǐng)域可預(yù)見性的全面改革，為著力推動(dòng)構(gòu)建高中階段基本普及的社會(huì)新形勢，教育部重新修改訂正了普通高中的課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，為全體國民素質(zhì)提供強(qiáng)化助推力，同時(shí)將提升創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量作為新時(shí)代強(qiáng)根鑄魂的發(fā)展需求。對(duì)比《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版2020 修訂版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”) 與《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》（以下簡稱“老課標(biāo)”)，計(jì)算思維登上信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的舞臺(tái)，為信息技術(shù)學(xué)科的培養(yǎng)目標(biāo)提供了思維站位的蝶變空間。異于老課標(biāo)側(cè)重對(duì)操作行為的培養(yǎng)，新課標(biāo)圍繞數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)、信息社會(huì)四大概念，將這一核心素養(yǎng)在課程教學(xué)中予以實(shí)現(xiàn)促成為亟須解決的問題——即如何從培養(yǎng)思維能力的角度強(qiáng)調(diào)分解、抽象、評(píng)估和遷移[1]。

新課標(biāo)中25 次提及“自主可控”、5 次提到“原始創(chuàng)新”、4次提到“原創(chuàng)精神”，強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)課程對(duì)“促進(jìn)科技創(chuàng)新自主可控、維護(hù)國家安全”的重要“基礎(chǔ)性意義”，因此，信息技術(shù)課程明確成為培養(yǎng)學(xué)生信息思維與科技能力的重要載體[2]。持續(xù)更新?lián)Q代的信息技術(shù)對(duì)日常生活學(xué)習(xí)所產(chǎn)生的影響是自然而然地進(jìn)行內(nèi)化轉(zhuǎn)移或外顯轉(zhuǎn)變的，具有忽略時(shí)空限制的繼承性和持久性，而計(jì)算思維作為一種必備的態(tài)度與技能，應(yīng)該被每個(gè)人學(xué)習(xí)和應(yīng)用[3]。

對(duì)現(xiàn)有問題進(jìn)行闡釋，在理解的基礎(chǔ)上完成對(duì)其的解決這一籌思步驟，最終形成的解法對(duì)策能夠被信息處理機(jī)構(gòu)有效執(zhí)行——該過程即計(jì)算思維。老課標(biāo)過于強(qiáng)調(diào)對(duì)操作和行為的訓(xùn)練，是以技術(shù)為導(dǎo)向，以熟練程度和技巧為方向的教學(xué)過程。新課標(biāo)則是呼吁信息技術(shù)課程內(nèi)容轉(zhuǎn)向注重對(duì)思維能力和能動(dòng)意識(shí)的培訓(xùn)，是以科技為導(dǎo)向，以舉一反三和融會(huì)貫通為橋梁，致力于提升學(xué)生的適應(yīng)力、勝任力和創(chuàng)造力。

2 文獻(xiàn)綜述

計(jì)算思維概念最早是在1996 年由麻省理工學(xué)院(MIT) 的Seymour Papert 教授提出[4]。2006 年3 月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授對(duì)計(jì)算思維再次做出定義，從此計(jì)算不再單純是編程的指代，而是通過抽象過程描述并解決實(shí)際問題，將人類行為與信息處理流程相串聯(lián)。

近年來針對(duì)基礎(chǔ)教育階段提出了幾種培養(yǎng)方式：使用機(jī)器人參與課程建構(gòu)[5]、借助游戲活動(dòng)或教學(xué)游戲化[6]和利用編程軟件[7]。但以上三種方式均有局限，如現(xiàn)在教育機(jī)器人仍然處于研發(fā)進(jìn)步階段，成果產(chǎn)出不明顯，且生產(chǎn)、維修價(jià)格相對(duì)較高，使得教學(xué)活動(dòng)難以有效開展；如多數(shù)游戲化教學(xué)的開展只針對(duì)解決單一問題，缺少系統(tǒng)性的計(jì)算思維培養(yǎng)過程；如多數(shù)用于教學(xué)的編程軟件均采用圖形化編程軟件進(jìn)行，更適用于小學(xué)、初中學(xué)段。少數(shù)采用代碼化的編程平臺(tái)更適用于大學(xué)階段教學(xué)。

綜上，高中生缺乏對(duì)算法理論化的學(xué)習(xí)資源[8]，如何將理論化的算法知識(shí)以計(jì)算思維培養(yǎng)的形式為學(xué)生開展教學(xué)，成為本研究的重點(diǎn)之一。

目前信息技術(shù)教學(xué)模式仍有不足，具體表現(xiàn)為互動(dòng)模式過于單一化、形式化。這樣的模式一方面很難實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的主觀能動(dòng)選擇，也很難實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的遷移和整合。同時(shí)人機(jī)之間依托技術(shù)進(jìn)行互動(dòng)的過程也褪去創(chuàng)新底色，學(xué)生越來越少地在作業(yè)中表現(xiàn)自己的想法，很難做到知識(shí)的復(fù)述與加工。

評(píng)價(jià)方式過于單一。大部分學(xué)校僅重視學(xué)業(yè)水平考試成績，對(duì)于學(xué)期測評(píng)并沒有納入考評(píng)，忽略了平時(shí)的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，致使教師在教學(xué)上熱情不高，學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容失去興趣，進(jìn)而導(dǎo)致忽視信息技術(shù)課程內(nèi)容的現(xiàn)象發(fā)生。

隨著新課標(biāo)的全面推進(jìn)，應(yīng)有意識(shí)地利用計(jì)算工具分解、抽象、遷移作為解決問題的思維過程，并以其為目的，促使生活經(jīng)驗(yàn)在解決問題的過程中得以獲取，保證實(shí)際行為在生活經(jīng)驗(yàn)的取得中得以體現(xiàn)，讓計(jì)算思維真正發(fā)揮其教育作用與創(chuàng)新精神。設(shè)計(jì)并開發(fā)一套完整的、以計(jì)算思維技能培養(yǎng)為主導(dǎo)的高中信息技術(shù)教材可以有效解決上述問題。

3 設(shè)計(jì)依據(jù)

本項(xiàng)目以東北師范大學(xué)于穎博士提出的教材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念框架CTACK 作為培養(yǎng)計(jì)算思維教材設(shè)計(jì)的理念框架和理論依據(jù)[9]。如圖1所示，在該框架中，把“雙基”定位為專業(yè)知識(shí)，對(duì)應(yīng)信息技術(shù)學(xué)科中的“專業(yè)知識(shí)”，把“問題解決”定位為活動(dòng)，對(duì)應(yīng)教與學(xué)的活動(dòng)過程與教與學(xué)的方法，把學(xué)科思維定位為信息技術(shù)學(xué)科四大核心素養(yǎng)中的計(jì)算思維。

圖1 CTACK關(guān)系框架簡圖

在關(guān)系框架中包含了完整的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，其中，計(jì)算思維作為關(guān)鍵技能對(duì)其他三個(gè)核心素養(yǎng)起引領(lǐng)作用，在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維技能的同時(shí)，也逐步發(fā)展學(xué)生的信息意識(shí)、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新以及信息社會(huì)責(zé)任。學(xué)科知識(shí)為框架圖的最底層，支撐活動(dòng)的開展并為其提供底層邏輯。學(xué)生從一系列學(xué)習(xí)活動(dòng)中不斷提取、凝練和總結(jié)方法論，從而不斷促進(jìn)其計(jì)算思維技能的形成。在設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維技能的教材時(shí)，可逆向分析此關(guān)系框架簡圖，首先將計(jì)算思維解構(gòu)為抽象、程序化、分解、評(píng)估、概括五個(gè)關(guān)鍵技能，再設(shè)計(jì)與之匹配的教學(xué)活動(dòng)，從教學(xué)活動(dòng)中提取與凝練學(xué)科知識(shí)，這樣有利于促進(jìn)學(xué)生逐步內(nèi)化和吸收在學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)和參與相應(yīng)教學(xué)活動(dòng)過程中形成的方法論，并將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化形成學(xué)生的計(jì)算思維技能。

綜上所述，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)以計(jì)算思維為導(dǎo)向、在CTACK理論框架指導(dǎo)下，面向具有學(xué)科育人功能的新型高中信息技術(shù)校本教材。

4 教材設(shè)計(jì)與開發(fā)

4.1 教材結(jié)構(gòu)和功能

在水平維度，本教材選擇了合適的信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)理念，從信息技術(shù)學(xué)科思維的角度考慮了教材資源所承載的更高層次的知識(shí)形態(tài)，并根據(jù)橫向?qū)用鎸⒏骱诵恼鹿?jié)的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為不同的課程內(nèi)容。

在垂直維度層面上，由于學(xué)生的年齡水平和發(fā)展階段不同，在設(shè)置教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)時(shí)，呈現(xiàn)一個(gè)逐漸從容易到困難螺旋上升的過程，最終形成垂直難度內(nèi)容水平序列。在不同內(nèi)容水平的要求下，其學(xué)習(xí)根據(jù)學(xué)生的個(gè)人能力逐漸進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)垂直深度。

在深度維度層面，本教科書借助實(shí)際案例解釋，使學(xué)生能夠更好地積極地與教科書資源互動(dòng)，獲得有意義的知識(shí)形狀。根據(jù)信息技術(shù)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，加強(qiáng)教科書資源和課程內(nèi)容的綜合性、具體性和發(fā)展性，使學(xué)生獲得更多的方式知識(shí)和價(jià)值知識(shí)，將教科書資源和課程內(nèi)容轉(zhuǎn)化為學(xué)生獨(dú)立改進(jìn)的個(gè)人知識(shí)體系。

4.2 核心素養(yǎng)維度要素

信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的落地，教材成為重要影響因素之一。為符合信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，采取案例學(xué)習(xí)作為主要方式，能夠驅(qū)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行良好的合作探究式學(xué)習(xí)，完成學(xué)習(xí)活動(dòng)的過程中，掌握基本知識(shí)提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

層級(jí)合理、內(nèi)容適量、避免成為“滿堂灌”的知識(shí)課堂，圍繞信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編寫，結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活情境，強(qiáng)調(diào)學(xué)生利用計(jì)算思維幫助自己分析問題、解決問題。

能夠?qū)⒗碚搶W(xué)習(xí)和實(shí)踐遷移相結(jié)合，能夠良好地映射CTACK框架對(duì)教材結(jié)構(gòu)的作用。

4.3 指向信息技術(shù)學(xué)科大概念

“學(xué)科大概念”是課程設(shè)計(jì)思想和理論的載體，其作用為整合過去離散的學(xué)科知識(shí)，提供強(qiáng)有力的學(xué)科知識(shí)核心支撐，學(xué)生依靠“概念錨”充分挖掘課程核心，有效洞察學(xué)科知識(shí)和內(nèi)化遷移已學(xué)知識(shí)，真正獲得信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)[10]。

本教材以現(xiàn)實(shí)世界案例作為支撐，根據(jù)以學(xué)生為主體，教師主導(dǎo)的教學(xué)方法，在教材的深入指導(dǎo)下，以學(xué)生為主體，以問題為基礎(chǔ)，根據(jù)思考和討論，圍繞問題收集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。

4.4 具體設(shè)計(jì)流程

首先，明晰現(xiàn)階段的要求，在已提出的基礎(chǔ)知識(shí)與“基本技能—問題解決—學(xué)科思維”三層架構(gòu)下，掌握推出CTACK 框架的理論推理流程，并深入理解其應(yīng)用原理。清楚對(duì)計(jì)算思維從“抽象、程序化、分解、評(píng)估、概括”五個(gè)方面的解構(gòu)及其理論來源，掌握其中的分類依據(jù)，為后續(xù)教材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、知識(shí)分類、教材內(nèi)容設(shè)計(jì)等步驟做好鋪墊[11]。

其次，基于已掌握的CTACK 框架進(jìn)行教材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過CTACK 框架搭建具體的教材結(jié)構(gòu)，為教材的模塊、章節(jié)、課程等內(nèi)容提供前提與保障。

再次，將計(jì)算思維技能培養(yǎng)的知識(shí)進(jìn)行整理與分類，從“抽象、程序化、分解、評(píng)估、概括”五個(gè)方面解構(gòu)的結(jié)果，按照前期完成的教材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行教材的詳細(xì)設(shè)計(jì)。結(jié)合教學(xué)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，完成每一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)，建立課程教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制，完成試題編制、考核標(biāo)準(zhǔn)等教學(xué)評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)，從而完成教材主體內(nèi)容。

最后，對(duì)教材界面與版式進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合前期完成的教材主體內(nèi)容，完善數(shù)字化資源的開發(fā)，對(duì)全部內(nèi)容進(jìn)行資源整合，完成紙質(zhì)教材與數(shù)字化資源結(jié)合下的立體化教材開發(fā)。嘗試將教材應(yīng)用于實(shí)際教育教學(xué)過程中，根據(jù)反饋不斷迭代、完善。結(jié)合實(shí)際教材應(yīng)用情況，開發(fā)輔助教學(xué)使用的教案、PPT、教學(xué)參考資料等資源。

在整體上先對(duì)教材進(jìn)行整體的主體編寫與開發(fā)，完成主體開發(fā)后，再逐步依據(jù)理論與實(shí)踐反響進(jìn)行修改，最后完成相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

4.5 教材主體開發(fā)

4.5.1 主體模塊

此模塊對(duì)學(xué)生將抽象問題具體化的能力要求較高，不適合使用傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，因此，使用以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教學(xué)方法。使用此教學(xué)方法幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，培養(yǎng)信心，促進(jìn)知識(shí)內(nèi)化。同時(shí)，為了防止大量知識(shí)對(duì)學(xué)生造成認(rèn)知負(fù)荷，引起學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)感到疲倦或產(chǎn)生厭惡感，本部分選擇使用案例引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過學(xué)習(xí)理解日常生活案例，在問題解決的過程中深化學(xué)科核心素養(yǎng)，提升專業(yè)技能，并積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)計(jì)算思維的形成。

4.5.2 拓展鏈接

此模塊介紹了與本課程相關(guān)的拓展內(nèi)容，技術(shù)前沿和相關(guān)知識(shí)發(fā)展趨勢，并以知識(shí)卡片的形式呈現(xiàn)。在有限的范圍內(nèi)擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)圖譜，為學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、對(duì)僅僅學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)不滿意的學(xué)生提供不斷深化學(xué)習(xí)的知識(shí)渠道。在最后一個(gè)模塊中呈現(xiàn)“拓展鏈接”，為以后的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，建立起新舊知識(shí)的連接。拓展鏈接有利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的個(gè)性化特征，有利于學(xué)科核心素養(yǎng)的產(chǎn)生，充分體現(xiàn)了教材設(shè)計(jì)的時(shí)代性和合理性。

4.5.3 問題討論

此模塊設(shè)立問題討論活動(dòng)。學(xué)生能夠在問題討論的過程中產(chǎn)生思維碰撞，了解他人的思考方式以及想法，并與自身的對(duì)比整合。在此過程中，學(xué)生能夠?qū)W會(huì)與同齡人交往，學(xué)會(huì)分享，最大限度地發(fā)揮信息的價(jià)值，并感知自身的認(rèn)知與其他同學(xué)的差異，不斷發(fā)展。此外，在同學(xué)之間，學(xué)生能夠更好地發(fā)揮和表現(xiàn)自己，減少了課堂上回答問題時(shí)的緊張和局促感。問題討論是培養(yǎng)學(xué)生表達(dá)能力、分享能力以及創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力的重要手段，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生在課堂中的參與度和參與感，使學(xué)生在彼此的差異感知體驗(yàn)中深化計(jì)算思維的學(xué)習(xí)。

4.5.4 思考與練習(xí)

此模塊是在學(xué)生掌握和理解基本知識(shí)后進(jìn)行具體實(shí)踐。旨在培養(yǎng)學(xué)生解決問題和實(shí)踐創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)課上所學(xué)知識(shí)和技能的擴(kuò)展訓(xùn)練。該模塊要求學(xué)生獨(dú)立完成項(xiàng)目活動(dòng)，并根據(jù)“抽象-程序化-分解-評(píng)估-概括”五個(gè)方面解構(gòu)問題，從而使計(jì)算思維進(jìn)一步得到強(qiáng)化[12]。

5 結(jié)束語

教材設(shè)計(jì)需要不斷滿足國家戰(zhàn)略和社會(huì)對(duì)人才的需求，設(shè)計(jì)者應(yīng)準(zhǔn)確把握教材內(nèi)容的時(shí)代性與形成性，在不斷實(shí)踐的過程中，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)打磨潤色。教材是課程理念的具體體現(xiàn)，也是師生教與學(xué)的重要載體。在實(shí)踐教學(xué)的過程中要善于總結(jié)發(fā)現(xiàn)學(xué)生是否真正內(nèi)化所學(xué)的知識(shí)，能夠?qū)W(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的問題解決中去，進(jìn)而對(duì)教材進(jìn)行二次開發(fā)。