培養(yǎng)指向計算思維的高中信息技術(shù)教學(xué)策略

摘要：項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是一種綜合性的學(xué)習(xí)方式，借助于項(xiàng)目，可以激發(fā)學(xué)生的興趣，訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力。在高中信息技術(shù)教學(xué)中，計算思維是核心素養(yǎng)的內(nèi)涵之一，是提高學(xué)生信息技術(shù)能力的基礎(chǔ)。因此，本文以教科版高中信息技術(shù)項(xiàng)目化教學(xué)為例，分別從指向計算思維的信息技術(shù)項(xiàng)目頂層規(guī)劃、任務(wù)設(shè)計、活動實(shí)施等三個方面，論證了項(xiàng)目化教學(xué)是發(fā)展學(xué)生高中信息技術(shù)計算思維的應(yīng)然選擇。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目化；計算思維；高中信息技術(shù)；路徑

一、引言

項(xiàng)目化教學(xué)法強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過執(zhí)行實(shí)際項(xiàng)目，自主體驗(yàn)設(shè)計、實(shí)施、評估、迭代的整個周期，深度鍛煉自身的實(shí)踐應(yīng)用技能，促進(jìn)綜合素質(zhì)的長遠(yuǎn)發(fā)展。鑒于此，教師應(yīng)基于教學(xué)內(nèi)容，以計算思維為培養(yǎng)目標(biāo)，以學(xué)習(xí)共同體為組織核心，以項(xiàng)目實(shí)踐活動為載體，完善“項(xiàng)目—任務(wù)—活動”的層級結(jié)構(gòu)，使學(xué)生在完成項(xiàng)目計劃中做到“學(xué)以致用”。

二、指向計算思維的信息技術(shù)項(xiàng)目頂層規(guī)劃

（一）統(tǒng)整教學(xué)內(nèi)容，確定項(xiàng)目主題

教學(xué)主題是構(gòu)建教學(xué)活動架構(gòu)的基石，往往決定了學(xué)生將要探索的問題領(lǐng)域，能夠強(qiáng)化學(xué)習(xí)過程的針對性和實(shí)用性。項(xiàng)目化教學(xué)的核心在于圍繞精心設(shè)計的主題展開，將其作為教學(xué)設(shè)計的“骨架”，保障教師的課程實(shí)施不偏離預(yù)設(shè)軌道。教師應(yīng)對內(nèi)容進(jìn)行深入分析，挖掘課程標(biāo)準(zhǔn)與學(xué)生需求之間的連接點(diǎn)，通過分析課程大綱和生活實(shí)際，挖掘促進(jìn)學(xué)生計算思維發(fā)展的核心元素，構(gòu)建涵蓋這些核心元素的綜合主題，立好項(xiàng)目頂層設(shè)計的“起點(diǎn)”。以教科版必修1“加密與解密”為例，本課教學(xué)內(nèi)容包括加密技術(shù)的發(fā)展歷史，使學(xué)生了解古典加密技術(shù)到現(xiàn)代加密技術(shù)的演變，以及凱撒密碼作為一種替換式加密技術(shù)的工作原理，即通過字母替換的方式實(shí)現(xiàn)信息加密。同時，還需要涵蓋如何通過字母偏移量設(shè)置密碼強(qiáng)度，破解凱撒密碼，理解密鑰、密文和明文等密碼學(xué)的概念。教師可以聯(lián)系以上內(nèi)容，選定合適的項(xiàng)目主題為“保護(hù)社交媒體信息”。高中生普遍使用社交媒體，而其隱私問題常常得不到重視，需要通過分析社交媒體安全漏洞，探討如何通過簡單的加密措施防止個人信息泄露，進(jìn)而促使他們學(xué)習(xí)基本的數(shù)據(jù)加密知識。教師抑或選擇“嘗試電子郵件加密”，緊扣公鑰、私鑰等電子郵件中常用的加密技術(shù)，指引學(xué)生通過模擬創(chuàng)建加密電子郵件應(yīng)用這些加密方法。借助以上生活化的主題，學(xué)生得以將課堂知識應(yīng)用于實(shí)際問題，為鍛煉他們的計算思維鋪設(shè)坦途。

（二）根植核心素養(yǎng)，制定學(xué)習(xí)目標(biāo)

新課標(biāo)將學(xué)科核心素養(yǎng)作為落實(shí)“立德樹人”的有力抓手，明確了信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四個方面的核心素養(yǎng)內(nèi)涵。其中，計算思維不僅僅是學(xué)習(xí)技術(shù)的工具，更是一種必要的邏輯思維方式，它能夠幫助學(xué)生采用算法解決問題，為他們打造今后投身信息化時代的“敲門磚”。而教師需要從計算思維內(nèi)涵的關(guān)鍵要素出發(fā)，細(xì)化學(xué)習(xí)目標(biāo)，使其覆蓋從問題界定到數(shù)據(jù)組織，再到利用算法形成解決方案的全過程，使實(shí)施教學(xué)有據(jù)可依[1]。

同樣，以上述課程為例，教學(xué)內(nèi)容需要讓學(xué)生學(xué)習(xí)準(zhǔn)確界定安全問題，識別數(shù)據(jù)的關(guān)鍵特征，并抽象化現(xiàn)實(shí)問題。該過程涉及算法的選擇和應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)計算思維在實(shí)操中的必要性。據(jù)此，教師可以明確項(xiàng)目式教學(xué)目標(biāo)為：1.學(xué)會分析加密中的問題，能夠識別需要保密的數(shù)據(jù)和潛在的安全威脅。2.掌握數(shù)據(jù)抽象和建立加密模型的技巧，通過理解不同加密技術(shù)的原理來選擇合適的加密方法。3.能夠科學(xué)處理加密所需的數(shù)據(jù)，學(xué)會應(yīng)用適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行加密和解密。4.學(xué)會使用編程工具操作加密算法，能夠編寫用于數(shù)據(jù)加密的程序代碼。5.能夠準(zhǔn)確評估加密方案的效果，通過測試驗(yàn)證加密方法的實(shí)用性。

這些教學(xué)目標(biāo)直接體現(xiàn)計算思維的核心要素，將理論與實(shí)操相結(jié)合，促使學(xué)生在實(shí)踐活動中應(yīng)用所學(xué)知識，同時增強(qiáng)他們的解決信息安全問題的能力。

三、指向計算思維的信息技術(shù)項(xiàng)目任務(wù)設(shè)計

在項(xiàng)目式教學(xué)中，學(xué)習(xí)任務(wù)群承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)、組織教學(xué)活動以及推動教學(xué)進(jìn)程的使命。學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計和分配必須精準(zhǔn)對接課程需要，結(jié)合學(xué)生真實(shí)的能力水平，幫助其逐步構(gòu)建計算思維的發(fā)展階梯。鑒于此，教師需要分析每個課時的教學(xué)內(nèi)容，明確每節(jié)課的重難點(diǎn)，在前述主題框架下設(shè)計項(xiàng)目的主體任務(wù)群，并根據(jù)每節(jié)課的時長和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況調(diào)整任務(wù)量，按照難易度、知識深度、計算思維鍛煉強(qiáng)度漸次排列任務(wù)，筑牢項(xiàng)目化教學(xué)的“承重墻”。

以教科版必修1“加密與解密”為例，本課內(nèi)容包括函數(shù)的數(shù)值求解、迭代算法的實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用，如著名的斐波那契序列（兔子數(shù)列）。課程還涵蓋繪制復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)圖像的技術(shù)，教學(xué)過程中學(xué)生將學(xué)習(xí)如何使用編程語言（Python）進(jìn)行數(shù)值計算并用圖形表示。教師可確立“實(shí)用數(shù)值計算”為主題的項(xiàng)目，按照層層遞進(jìn)的次序設(shè)計如表1所示的項(xiàng)目任務(wù)單。

以上所有任務(wù)都以實(shí)戰(zhàn)為導(dǎo)向，促使學(xué)生通過編程實(shí)踐深入理解數(shù)值計算的原理，為后續(xù)活動實(shí)施提供了框架，幫助學(xué)生逐步強(qiáng)化計算思維。

四、指向計算思維的信息技術(shù)項(xiàng)目活動實(shí)施策略

（一）積極界定問題，提煉抽象特征

問題界定可以幫助學(xué)生清晰地認(rèn)識問題的本質(zhì)和邊界，從而更有針對性地應(yīng)用信息技術(shù)工具。在處理問題時，通過抽象特征的提煉，學(xué)生能夠從復(fù)雜的實(shí)際情況中提取核心信息，構(gòu)建解決方案。教師在實(shí)踐中可以要求學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施前分析擬解決的問題，并識別問題的關(guān)鍵抽象特征，通過引導(dǎo)學(xué)生思考哪些信息是解決問題是必需的，哪些可以忽略，幫助其鍛煉自己的抽象思維能力，打好計算思維的基石。

以教科版必修2“無線局域網(wǎng)的組建”為例，教學(xué)內(nèi)容涵蓋無線通信的工作原理、不同無線通信標(biāo)準(zhǔn)（如802.11a/b/g/n/ac）的特點(diǎn)，要求學(xué)生了解無線路由器的各項(xiàng)功能，學(xué)會配置無線路由器來滿足特定的網(wǎng)絡(luò)需求。教師可以確定“優(yōu)化校園圖書館無線網(wǎng)絡(luò)”的實(shí)踐項(xiàng)目，讓學(xué)生分組在圖書館內(nèi)完成現(xiàn)場調(diào)查，使用Wi-Fi分析器App記錄各區(qū)域的信號強(qiáng)度，繪制圖書館內(nèi)的信號覆蓋圖，標(biāo)出信號強(qiáng)弱位置，從而直觀看到哪些區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)信號較弱，完成問題界定。收集數(shù)據(jù)后，學(xué)生要展開詳細(xì)分析，通過提取現(xiàn)實(shí)情況的共通點(diǎn)和差異，進(jìn)而抽象出核心問題。如果信號在書架密集區(qū)特別弱，可能是物理原因阻擋信號。如果在閱覽室用戶多的時段信號弱，則可能是帶寬分配不足所致。每個小組根據(jù)從數(shù)據(jù)中提煉的特征制定改進(jìn)方案，并使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)計軟件模擬改進(jìn)措施的效果，以解決上述界定問題。整個活動強(qiáng)調(diào)從實(shí)際問題出發(fā)，結(jié)合理論與實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

（二）練習(xí)組織數(shù)據(jù)，學(xué)會建立模型

面對多樣的數(shù)據(jù)源時，組織數(shù)據(jù)是提取有用信息、簡化問題解決過程的先決條件。建模能力則幫助學(xué)生通過抽象化簡化實(shí)際問題，轉(zhuǎn)化為可用計算方法解決的形式，增強(qiáng)解決方案的適用性和擴(kuò)展性。因此，教師需要提供原始數(shù)據(jù)或復(fù)雜情景，引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)關(guān)系及其對問題解決的意義，從大量信息中篩選關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將其通過邏輯和數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)化為模型，鼓勵學(xué)生借助反復(fù)試錯強(qiáng)化計算思維的核心要素[2]。

以教科版必修2“小型信息系統(tǒng)的組建”為例，本課涵蓋基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、信息系統(tǒng)的硬件組件，讓學(xué)生掌握如何搭建和管理小型信息系統(tǒng)，學(xué)習(xí)如何根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，使其滿足特定功能。

首先，教師可以立足“利用開源硬件組建超聲波測距警報系統(tǒng)”主題項(xiàng)目開展實(shí)踐活動：學(xué)生由超聲波傳感器生成的原始距離數(shù)據(jù)，連續(xù)收集時間戳和由傳感器讀取的每個時間點(diǎn)的距離值，從CSV文件或直接從硬件接口讀取數(shù)據(jù)，使用Python編程語言導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

其次，學(xué)生需要編寫函數(shù)完成清洗數(shù)據(jù)任務(wù)，包括濾除不合邏輯的讀數(shù)（例如距離過大或過小的異常值），并對連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以減少讀數(shù)中的隨機(jī)波動。該步驟是數(shù)據(jù)組織過程的關(guān)鍵，旨在確保模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

最后，學(xué)生要開始構(gòu)建模型以決定警報的觸發(fā)條件，即先設(shè)定閾值，當(dāng)讀取的距離低于此閾值時，系統(tǒng)會發(fā)出警報。為了達(dá)成效果，學(xué)生需要使用Python編寫if語句，檢查每個時間點(diǎn)的距離是否低于預(yù)設(shè)的安全距離。如果是，則通過GPIO（通用輸入輸出）引腳觸發(fā)連接在同一開源硬件上的警報器。該項(xiàng)目活動可以提升學(xué)生的技術(shù)技能，鍛煉他們的數(shù)據(jù)組織、模型建立計算思維。

（三）綜合調(diào)用資源，掌握算法解題

對于信息技術(shù)而言，解決問題依賴于對算法的理解和應(yīng)用，以及如何利用軟件工具、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)資源等利用資源。綜合運(yùn)用這些資源不僅可以優(yōu)化問題的解決方案，也是提高解決問題效率的關(guān)鍵，掌握高效算法的學(xué)生能夠系統(tǒng)分析問題，并按照一定的步驟逐步逼近最優(yōu)解。教師在設(shè)計教學(xué)活動時，需要提供多樣化的信息資源，鼓勵學(xué)生自行運(yùn)用排序、搜索或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)算法，完成實(shí)踐活動，評估算法的效果并優(yōu)化選擇，增強(qiáng)計算思維[3]。

以教科版必修1“非數(shù)值計算”為例，內(nèi)容包括分治算法、二分查找算法、遞歸方法等，有助于幫助學(xué)生掌握解決復(fù)雜問題的算法思想。教師可以設(shè)置“優(yōu)化在線詞典的查找效率”的主題項(xiàng)目，基于包含數(shù)十萬條詞條的大型文本文件，要求學(xué)生利用Python構(gòu)建可以快速響應(yīng)查詢請求的系統(tǒng)。學(xué)生需要編寫文本解析器，從提供的大型文本文件中提取所有詞條及其定義，并將這些數(shù)據(jù)存儲在適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。隨后，學(xué)生采用二分查找算法，在排序好的詞條列表中高效地定位用戶查詢的詞條。二分查找需要學(xué)生將算法的邏輯理解透徹，確保在最壞情況下也能保持較高的查找效率。最后，教師鼓勵學(xué)生采用分治法初步分類詞條，按照首字母分組后，在其內(nèi)部再進(jìn)行二分查找。通過這種深入淺出的方式，可以提升學(xué)生的計算思維和編程技能。

（四）驗(yàn)證方案實(shí)效，助力知識遷移

驗(yàn)證解決方案強(qiáng)調(diào)測試其在特定條件下的功能表現(xiàn)，檢驗(yàn)其在新的或變化情況下的適用性，確保學(xué)生所學(xué)技能不局限于理論或單一實(shí)例，而可以廣泛應(yīng)用于不同情境。在實(shí)踐中，教師通過設(shè)置驗(yàn)證任務(wù)，指引學(xué)生應(yīng)用設(shè)計的解決策略于類似或衍生的新問題，分析結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)的偏差，并引入變化因素，鼓勵學(xué)生調(diào)整實(shí)踐方案以適應(yīng)新條件，從而加強(qiáng)知識遷移能力，培育計算思維。

同樣，以上述課程為例，基于上述“優(yōu)化在線詞典的查找效率”的主題項(xiàng)目，當(dāng)學(xué)生的系統(tǒng)開發(fā)完成后，教師可以增加詞條數(shù)量，或改變詞條排序，甚至引入包含多種語言的詞條，模擬復(fù)雜多變的應(yīng)用場景。例如，教師可以在英文詞典內(nèi)納入“chromatography”“electrophoresis”“microbiome”等復(fù)雜的醫(yī)學(xué)和科技詞匯，測試學(xué)生算法的適應(yīng)性——即算法是否能夠有效處理專業(yè)性更強(qiáng)的術(shù)語。學(xué)生需要對其算法進(jìn)行必要的調(diào)整，以適應(yīng)新的詞匯表，這時可能會發(fā)現(xiàn)原有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不再適用，轉(zhuǎn)而使用跳表或平衡樹結(jié)構(gòu)等更復(fù)雜的搜索算法，以保持查找效率。完成算法調(diào)整后，學(xué)生重新運(yùn)行測試，對比新舊算法在處理擴(kuò)展詞匯表時的表現(xiàn)差異，即記錄查找每個詞匯所需的平均時間，并分析算法調(diào)整前后的性能提升情況。此活動基于學(xué)生計算思維的發(fā)展目標(biāo)，使其通過系統(tǒng)的方法分析問題，并學(xué)會如何靈活調(diào)整策略，以適應(yīng)不斷變化的需求。

五、結(jié)束語

探索指向計算思維的高中信息技術(shù)項(xiàng)目化教學(xué)路徑，需要教師深入理解教學(xué)模式與學(xué)科核心素養(yǎng)的結(jié)合點(diǎn)。項(xiàng)目化教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)或模擬的情境中通過完成具體項(xiàng)目，以達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，提升學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)其計算思維。因此，教師設(shè)計課程時應(yīng)綜合應(yīng)用多種信息技術(shù)工具，確保教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)需求相結(jié)合，使學(xué)生在動手實(shí)踐中掌握核心技能。

作者單位：馬興通 江蘇省睢寧縣凌城中學(xué)

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