PBL在高中學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)過程中的應(yīng)用
——以算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)為例

敖 培

（上海市晉元高級(jí)中學(xué)，上海）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用，計(jì)算思維的培養(yǎng)受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。正在修訂的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中明晰了計(jì)算思維是四大信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。算法與程序設(shè)計(jì)是高中信息技術(shù)課程中的選修模塊，是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。它要求學(xué)生在理解相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，能夠獨(dú)立編寫程序解決實(shí)際問題。在內(nèi)化知識(shí)和實(shí)踐創(chuàng)作的過程中需要學(xué)生具有較為嚴(yán)密的邏輯思維能力——計(jì)算思維。在算法與程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中，采用何種教學(xué)模式才能有效地培養(yǎng)和提升計(jì)算思維是一個(gè)值得關(guān)注和研究的問題。

一、算法與程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)引入PBL培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維素養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)

周以真教授提出，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。文獻(xiàn)［3］參考ISTE和CSTA，界定計(jì)算思維包含數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表示、問題分解、抽象、算法與程序、自動(dòng)化、仿真和并行化九個(gè)核心概念，以及自信、堅(jiān)持、容忍、處理問題和交流五個(gè)態(tài)度。

基于問題的學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning，PBL）是以學(xué)習(xí)者為中心，來自于真實(shí)世界的問題為核心的教學(xué)模式。在這種教學(xué)模式中，學(xué)習(xí)者通過對(duì)所獲得資料進(jìn)行小組討論、歸納總結(jié)，從而得出問題的答案。

算法與程序設(shè)計(jì)是高中信息技術(shù)課程中的選修模塊，在算法與程序設(shè)計(jì)課堂教學(xué)中引入PBL教學(xué)模式對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生計(jì)算思維具有以下優(yōu)勢(shì)：

第一，PBL教學(xué)模式以教師情境導(dǎo)入問題，學(xué)生以搜集資料、分析問題、解決問題為主線進(jìn)行課堂教學(xué)，而計(jì)算思維培養(yǎng)過程包括問題抽象、理論支撐、設(shè)計(jì)系統(tǒng)等主要過程，兩者活動(dòng)過程相吻合。

第二，PBL教學(xué)模式中所選取的問題來源于生活實(shí)際，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，活躍學(xué)生思維。

第三，PBL教學(xué)模式將教學(xué)內(nèi)容從驗(yàn)證類轉(zhuǎn)變成為實(shí)際應(yīng)用類和拓展創(chuàng)作類，學(xué)生在自主探究抽象問題的過程中，其計(jì)算思維可以得到訓(xùn)練和提升。

第四，通過計(jì)算邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q問題過程，學(xué)生的計(jì)算思維可以得到有效的強(qiáng)化。

第五，學(xué)生通過分組討論，可以交流解決問題的不同方案，豐富自身的思維方式。

二、算法與程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)引入PBL培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維素養(yǎng)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)流程

在算法與程序設(shè)計(jì)課堂教學(xué)中，以培養(yǎng)和提升學(xué)生計(jì)算思維為目標(biāo)，以實(shí)際問題解決為紐帶，教師基于創(chuàng)設(shè)問題情境→提出問題→引導(dǎo)學(xué)生解決問題→總結(jié)評(píng)價(jià)的PBL教學(xué)過程，采用有助于學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)和提升的方式和方法，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)控和指導(dǎo)。學(xué)生在進(jìn)入問題情境→明確問題→解決問題→總結(jié)評(píng)價(jià)的學(xué)習(xí)過程中，以自主探究和小組討論的方式，運(yùn)用數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表示、問題分解、抽象、算法與程序、自動(dòng)化、仿真和并行化等計(jì)算思維方法內(nèi)化相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)自信、堅(jiān)持、容忍、處理問題、交流等能力和素養(yǎng)。教學(xué)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。在教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)于一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，教師往往不能全面涉及9個(gè)核心內(nèi)容和5個(gè)態(tài)度的計(jì)算思維訓(xùn)練，而只需要根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容，有重點(diǎn)地培養(yǎng)和提升其中幾項(xiàng)計(jì)算思維即可。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)案例

本次教學(xué)以算法與程序設(shè)計(jì)模塊中的“For循環(huán)語句”教學(xué)為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。在教學(xué)過程中，教師通過引入界面動(dòng)態(tài)變化的“炫彩閃格”程序，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。“炫彩閃格”程序設(shè)計(jì)和運(yùn)行狀態(tài)下的界面如圖2所示。通過設(shè)置層次性問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考。通過分組討論的形式進(jìn)行思維碰撞，深化對(duì)For循環(huán)語句和時(shí)鐘控件使用的相關(guān)知識(shí)的理解。通過上機(jī)實(shí)踐“炫彩閃格”程序，內(nèi)化所學(xué)知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上拓展思維，完成作品的再創(chuàng)作。

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）知識(shí)與技能

①掌握For循環(huán)語句的一般格式和使用方法，能根據(jù)實(shí)際要求正確寫出For循環(huán)語句。

②理解For循環(huán)語句的執(zhí)行過程，能夠靈活運(yùn)用For循環(huán)語句編程解決重復(fù)問題。

（2）過程與方法

通過動(dòng)態(tài)程序?qū)嵗O(shè)置層次性問題，引導(dǎo)學(xué)生思考解決問題。

（3）情感態(tài)度與價(jià)值觀

以程序演示導(dǎo)入主題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)踐編程過程中，體驗(yàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)作的快樂。

圖1 算法與程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)流程

圖2 “炫彩閃格”程序運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀態(tài)下的界面

2.教學(xué)活動(dòng)

教學(xué)活動(dòng)

本文圍繞算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)，并以“For循環(huán)語句”教學(xué)為例，采用PBL教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，以實(shí)際問題解決為紐帶設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，以期使學(xué)生在分析和解決問題的過程中體驗(yàn)計(jì)算思維的內(nèi)涵特征，豐富計(jì)算思維方式，提升計(jì)算思維素養(yǎng)。