培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程研究*

曹曉明 安 娜

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培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程研究*

曹曉明1安 娜2

（1．深圳大學(xué) 師范學(xué)院，廣東深圳 518061；2．深圳市布吉高級中學(xué)，廣東深圳 518123）

計算思維是高中信息技術(shù)課程的四大學(xué)科核心素養(yǎng)之一。文章首先從分析計算思維的內(nèi)涵出發(fā)，對計算思維進(jìn)行了維度解析并構(gòu)建了計算思維邏輯框架；在此基礎(chǔ)上，文章提出了高中階段計算思維的培養(yǎng)路徑——研發(fā)培養(yǎng)計算思維的信息技術(shù)校本課程。隨后，文章介紹了培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程的設(shè)計與開發(fā)過程。最后，文章闡述了校本課程的教學(xué)流程，分析了該流程中計算思維在解決問題環(huán)節(jié)的應(yīng)用情況，并展示了相關(guān)的實踐成果。文章的研究為計算思維在高中階段的實施提供了一個系統(tǒng)化的完整案例，有助于深化培養(yǎng)學(xué)生計算思維的研究，并推動高中信息技術(shù)教學(xué)改革實踐的深入開展。

計算思維；校本課程；信息技術(shù)；人工智能；App Inventor

近年來，信息技術(shù)教育的一個重要發(fā)展趨勢是從關(guān)注信息技術(shù)相關(guān)操作技能的培養(yǎng)，向關(guān)注學(xué)生的計算思維轉(zhuǎn)變。2013年，英國教育部將原有的國家課程“信息通信技術(shù)（Information and Communications Technology，ICT）”更名為“計算（Computing）”課程——該課程與傳統(tǒng)信息通信技術(shù)課程的最大區(qū)別，就是課程目標(biāo)被確定為讓學(xué)生使用計算思維和創(chuàng)造力來理解并改變世界[1]。2016年，美國政府宣布了一項名為“為了全體學(xué)生的計算機(jī)科學(xué)（Computer Science for All）”的新計劃，明確指出從幼兒園到高中的所有美國學(xué)生都需要掌握計算思維（Computational Thinking）技能[2]。我國也高度重視計算思維的培養(yǎng)，如《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂稿（2016年版）》明確將計算思維界定為高中信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)要素[3]，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》則要求設(shè)置數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、人工智能初步等同計算思維培養(yǎng)緊密相關(guān)的課程模塊，計算思維被賦予了落實“人工智能+教育”目標(biāo)的使命。如何在顯性的課程教材中植入隱性的計算思維培養(yǎng)目標(biāo)，將計算思維方法貫穿于教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)設(shè)計等各教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生認(rèn)識并理解計算思維的內(nèi)涵，具備計算思維的意識，掌握計算思維的方法和技能，最終將計算思維應(yīng)用到未來的創(chuàng)新和創(chuàng)造當(dāng)中，是當(dāng)前高中信息技術(shù)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

一 高中階段計算思維培養(yǎng)的邏輯起點(diǎn)

1 計算思維的內(nèi)涵

2006年，周以真對計算思維進(jìn)行了如下定義：“計算思維是指運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動?！盵4]。2011年，美國國際教育技術(shù)協(xié)會（International Society for Technology in Education，ISTE）和計算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會（Computer Science Teachers Association，CSTA）共同提出了計算思維的操作性定義：計算思維是一個問題解決過程，涉及問題的闡述，數(shù)據(jù)的組織、分析和呈現(xiàn)，解決方案的制訂、識別、分析和實施以及問題解決過程的遷移[5]。計算思維訓(xùn)練不是簡單的知識學(xué)習(xí)或技能練習(xí)，而重在發(fā)展學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[6]。以上定義說明計算思維是一種思維習(xí)慣和思維品質(zhì)，依附于問題解決過程，強(qiáng)調(diào)抽象概括能力和邏輯思辨能力。通過對已有文獻(xiàn)綜述和當(dāng)前課程教學(xué)目標(biāo)的分析，本研究將高中階段計算思維分為九個維度來表述。

表1 計算思維九個維度的表述

2 高中階段培養(yǎng)學(xué)生計算思維的生理基礎(chǔ)

高中生的獨(dú)立性和抽象概括能力日益增強(qiáng)[7]，并且思維水平已達(dá)到一定高度，具有了向高階思維發(fā)展的潛力，辯證邏輯思維也日趨發(fā)展。因此可以說，高中生已初具計算思維的主要思維品質(zhì)，這為計算思維的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)，高中階段也因而成為了培養(yǎng)計算思維的最佳時機(jī)。

3 高中階段培養(yǎng)學(xué)生計算思維的課程基礎(chǔ)

當(dāng)前，高中課程教材仍然較多沿用以通用信息技術(shù)的普及、通用程序語言的普及為重點(diǎn)的傳統(tǒng)課程體系，而在學(xué)生計算思維的培養(yǎng)方面呈現(xiàn)碎片化特征，缺少體系化的支持，迫切需要更新課程，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》就明確提出要“在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程”。而如何在信息技術(shù)教學(xué)中滲透人工智能教育，展示人工智能的應(yīng)用場景，為學(xué)生奠定人工智能的相關(guān)基礎(chǔ)，促使學(xué)生具備數(shù)字化時代的創(chuàng)新素養(yǎng)，成為了當(dāng)前信息技術(shù)課程的重要挑戰(zhàn)。計算思維已成為信息教學(xué)法創(chuàng)新的重要切入點(diǎn)[8]，特別是在人工智能教育新時代，計算思維作為人工智能的基礎(chǔ)思維的重要性日益凸顯。

二 高中階段的計算思維邏輯框架與培養(yǎng)路徑

1 計算思維邏輯框架

人類思維的基本形式包括具體形象思維、抽象邏輯思維、聚合思維、發(fā)散思維、常規(guī)思維、創(chuàng)造思維等。思維是一個動態(tài)、迭代的過程，因此計算思維的表征不應(yīng)是扁平的，需要對計算思維特征要素間的關(guān)聯(lián)、關(guān)系進(jìn)行動態(tài)描述。通過對計算思維進(jìn)行問題解決的動態(tài)分解，并將其融入高中信息技術(shù)課程，本研究構(gòu)建了一個立體的、網(wǎng)狀的計算思維邏輯框架，如圖1所示。

圖1 計算思維邏輯框架

在計算思維邏輯框架中，高中信息技術(shù)課程以大概念作為整個框架的最底層，此學(xué)科概念層重在讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)、信息社會等關(guān)鍵學(xué)科知識，為高階思維（特別是計算思維）的形成打好基礎(chǔ)。計算思維層按照問題分析、問題解決、問題評估的流程，突出培養(yǎng)計算思維的九個維度（如表1所示），使計算思維的培養(yǎng)更加具象化，讓學(xué)生學(xué)會運(yùn)用計算思維識別與分析問題，對問題進(jìn)行抽象、建模，進(jìn)而設(shè)計系統(tǒng)性的解決方案。創(chuàng)造應(yīng)用層是計算思維的進(jìn)一步升華，在具體的問題情境中，引導(dǎo)學(xué)生提出創(chuàng)新的觀點(diǎn)與解決方案，可從“老問題+新方法”、“新問題+老方法”、“新問題+新方法”三個角度引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計算思維創(chuàng)造性地解決問題，將計算思維上升到創(chuàng)新思維。

2 高中階段計算思維的培養(yǎng)路徑

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出，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)任是信息技術(shù)課程的四大核心素養(yǎng)，凸顯了計算思維的重要性。課程是落實計算思維的重要路徑。在新課標(biāo)中，課程結(jié)構(gòu)含必修、選擇性必修和選修三類課程共10個模塊：①必修課程含數(shù)據(jù)與計算、信息系統(tǒng)與社會2個模塊，計3學(xué)分、54學(xué)時；②選擇性必修課程含數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)管理與分析、人工智能初步、三維設(shè)計與創(chuàng)意、開源硬件項目設(shè)計6個模塊，計36個學(xué)時；③選修課程包括算法初步和移動應(yīng)用設(shè)計2個模塊[9]。由此可見，高中階段信息技術(shù)教學(xué)從課程內(nèi)容的廣度與深度都得到了加強(qiáng)，對應(yīng)的教學(xué)任務(wù)和學(xué)習(xí)任務(wù)也都大幅增加，但與之相矛盾的是課時容量有限（必修課總學(xué)時僅90學(xué)時）。由于高中階段課時量的限制，使得高中階段計算思維的培養(yǎng)難以像大學(xué)階段那樣通過體系化、序列化的課程群系統(tǒng)地展開，需要在有限的課程容量與時間周期里落實計算思維培養(yǎng)的目標(biāo)，因而研發(fā)培養(yǎng)計算思維的信息技術(shù)校本課程成為了高中階段計算思維培養(yǎng)的重要路徑。

三 培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程的設(shè)計

考慮到高中階段的信息技術(shù)教學(xué)特點(diǎn)，本研究認(rèn)為思維培養(yǎng)類課程應(yīng)優(yōu)先于基礎(chǔ)知識與能力課程的開展、綜合類課程應(yīng)優(yōu)先于獨(dú)立專項課程的開展、貼近實際的創(chuàng)新性問題應(yīng)優(yōu)先于傳統(tǒng)算法問題的解決。為此，如何選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)載體便成了亟待解決的問題——這種載體要兼顧綜合性、先進(jìn)性、移動性與智能性，能滿足當(dāng)前移動應(yīng)用、智能應(yīng)用、物聯(lián)應(yīng)用的工業(yè)4.0大背景，能支持課程的容量要求；同時，需降低繁冗的語法與復(fù)雜的編程限制，以滿足課時量有限的要求。綜合考慮這些因素，本研究將App Inventor作為計算思維培養(yǎng)的載體——它采用Android編程環(huán)境，可以在手機(jī)、平板等智能移動設(shè)備上使用，對移動學(xué)習(xí)的支持力度大；設(shè)計開發(fā)出的程序或趣味小游戲貼近現(xiàn)實世界，易外顯和分享，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)作積極性，使學(xué)生獲得學(xué)習(xí)成就感。在此基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)行了培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程的設(shè)計，具體如下：

1 課程目標(biāo)設(shè)計

由于培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程的實施對象是尚未普遍具備編程基礎(chǔ)的高中學(xué)生，故需要通過問題驅(qū)動教學(xué)、項目式學(xué)習(xí)、創(chuàng)造性問題解決等教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生主動思考與解決問題，培養(yǎng)計算思維意識、掌握計算思維方法、提升計算思維能力，并依托計算思維發(fā)展高階的創(chuàng)新思維。

2 課程內(nèi)容框架設(shè)計

按照一學(xué)期36學(xué)時的課程容量，培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程可分為基礎(chǔ)篇、組件應(yīng)用篇和游戲開發(fā)篇三個核心部分，另外還包含App Inventor入門、App Inventor工具箱等兩個輔助部分，其內(nèi)容框架設(shè)計如圖2所示。按照該課程內(nèi)容框架設(shè)計，每個部分又包含若干項目，而每個項目的內(nèi)容設(shè)計又包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、任務(wù)描述、界面設(shè)計、組件清單及屬性設(shè)置、素材清單、認(rèn)識代碼塊、語法要點(diǎn)、自我實踐等八個子模塊。

圖2 校本課程的內(nèi)容框架設(shè)計

3 評價策略的設(shè)計

程序設(shè)計開發(fā)是一個復(fù)雜且漫長的項目化過程，評價維度包括創(chuàng)意構(gòu)想能力、資源搜集能力、程序開發(fā)能力、計算思維能力、合作交流能力等。其中，計算思維能力的評價是重點(diǎn)，應(yīng)圍繞作品的分享，通過班級分享、小組分享、頭腦風(fēng)暴、項目競賽等具體策略，引導(dǎo)學(xué)生解構(gòu)計算思維的形成過程，促進(jìn)思維的碰撞，提煉思維中的閃光點(diǎn)，并針對思維的難點(diǎn)答疑解惑。

四 培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程的開發(fā)

1 紙質(zhì)教材的編寫

教材是校本課程的核心教學(xué)材料，教材的教學(xué)單元按項目展開；項目的選擇以生活化實用App和趣味游戲App為主，項目的排列由淺入深、由易到難，且盡量多地涵蓋新課標(biāo)中各模塊內(nèi)容的要求；從多個維度綜合培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，教學(xué)內(nèi)容按螺旋式排列；組件屬性、算法思想和語塊設(shè)計可重復(fù)出現(xiàn)，讓學(xué)生通過反復(fù)練習(xí)不斷提高。校本課程的教材項目設(shè)置及其對應(yīng)的計算思維維度如表2所示。

表2 校本課程的教材項目設(shè)置及其對應(yīng)的計算思維維度

2 學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)與數(shù)字資源開發(fā)

項目化的程序設(shè)計需要項目化的學(xué)習(xí)管理平臺，以支持項目的過程化管理與評價，并為學(xué)生計算思維的拓展和提升創(chuàng)造條件。為此，培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程部署了專門的數(shù)字化學(xué)習(xí)系統(tǒng)，可為學(xué)生提供項目資源、微課視頻、項目素材、評價量表、作品分享等支持，擴(kuò)展學(xué)習(xí)的時間和空間。此外，每個項目都有配套的微視頻，便于學(xué)生進(jìn)行課前、課后自主學(xué)習(xí)；項目素材包涵蓋視頻、音頻、音效、圖片等，也存放于項目化學(xué)習(xí)管理平臺上。

五 培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程的實施

1 校本課程的教學(xué)流程

基于上述培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程的設(shè)計與開發(fā)，本研究綜合教學(xué)的實施過程與計算思維的培養(yǎng)過程，設(shè)計了校本課程的教學(xué)流程，如圖3所示。其中，計算思維的培養(yǎng)主要集中于解決問題環(huán)節(jié)，具體表現(xiàn)為：首先，學(xué)生運(yùn)用抽象思維，對問題進(jìn)行抽象、約簡和分解；然后，學(xué)生運(yùn)用遞歸思維對問題進(jìn)行推理，再應(yīng)用工程思維制定可行方案；最后，利用建模、仿真、數(shù)據(jù)分析等方式對可行方案進(jìn)行評估，此過程運(yùn)用了模型思維、仿真思維和數(shù)據(jù)思維——如有問題，則回到問題推理步驟，直至評估正常。在解決問題的過程中，學(xué)生還要綜合考慮各項資源，如網(wǎng)絡(luò)資源、圖片、視頻、聲音等，這需要運(yùn)用組織思維對這些資源進(jìn)行加工、整合；同時，也要配合使用各種軟、硬件，以進(jìn)行App的開發(fā)，故需運(yùn)用信息加工思維。

圖3 校本課程的教學(xué)流程

2 校本課程的實踐成果

本研究選取廣東省B高中的三個班級進(jìn)行了信息技術(shù)校本課程的教學(xué)實踐，其中先鋒班學(xué)生有51名，重點(diǎn)班有52名，平行班有50名。該教學(xué)實踐共進(jìn)行了兩輪，取得了一定的實踐成果：①在作品生成方面，學(xué)生以小組形式自定主題開發(fā)程序，教師對作品進(jìn)行評價，以此判斷學(xué)生計算思維能力的提升情況；教師的評價顯示，學(xué)生的作品較好地體現(xiàn)了計算思維的各個維度，并且相較于校本課程學(xué)習(xí)之前，學(xué)生的計算思維能力提升明顯。②在訪談方面，本研究與3名在學(xué)習(xí)任務(wù)完成、自主學(xué)習(xí)管理和計算思維評分方面均有顯著差異的學(xué)生代表進(jìn)行了訪談，他們紛紛表示參加校本課程學(xué)習(xí)后對計算思維有了深刻認(rèn)識，能從計算思維的角度嘗試著去分析、解決生活中的典型問題。③在考核測評方面，本研究設(shè)置了兩項前后測試任務(wù)，要求學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成；統(tǒng)計結(jié)果顯示，先鋒班前后測的完成率分別為82%、100%，重點(diǎn)班分別為78.8%、92.3%，而平行班分別為64.8%、83.3%，明顯可以看出后測的完成率要高于前測，這說明參加校本課程學(xué)習(xí)之后，不同層次班級的學(xué)生均在一定程度上提升了計算思維能力。

六 結(jié)語

在“人工智能+教育”的大背景下，作為人工智能基礎(chǔ)思維的計算思維的重要性日益凸顯。如何在信息技術(shù)教學(xué)中滲透人工智能教育，展示人工智能的應(yīng)用場景，使學(xué)生具備數(shù)字化時代的創(chuàng)新素養(yǎng)，是當(dāng)前信息技術(shù)課程必須應(yīng)對的新挑戰(zhàn)。而將計算思維融入高中信息技術(shù)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生樹立計算思維意識、掌握計算思維方法、提高計算思維能力，從計算思維的角度去分析和解決問題，具有較大的可行性?；诖?，本研究介紹了培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程的設(shè)計與開發(fā)過程，闡述了校本課程的教學(xué)流程。后續(xù)研究將關(guān)注建立計算思維和創(chuàng)新思維之間的連接，融入更多適合高中階段的項目（如智能硬件、智能機(jī)器人和其它新媒體新技術(shù)驅(qū)動的創(chuàng)客項目等），并利用基于腦電波傳感器的新媒體和新技術(shù)，迭代更新包括“腦控”等在內(nèi)的新項目，以進(jìn)一步提升學(xué)生的計算思維，推動信息技術(shù)與課程教學(xué)的深度融合。

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Research on the School-based Curriculum of Information Technology in Senior High School Oriented to Cultivating Computational Thinking

CAO Xiao-ming1AN Na2

Computational thinking is one of the four core subject competences of information technology courses in senior high school. Starting from the analysis of the computational thinking connotation, this paper analyzed the dimensions of the computational thinking and constructed the logical framework of the computational thinking. On this basis, the training path of the computational thinking in senior high school that developing the school-based information technology curriculum oriented to cultivating computational thinking was proposed. Then, the design and development process of the school-based information technology curriculum in senior high school oriented to cultivating computational thinking was introduced. Finally, the teaching process of the school-based curriculum was expounded, the application situation of the computational thinking in the problem-solving link during the process was analyzed, and the relevant practice results were exhibited. The study of this paper provided a systematically complete case for the implementation of the computational thinking in senior high school stage, which helped to deepen the research of students’ computational thinking training and promoted the in-depth implementation of the reform practice of information technology teaching in senior high school.

computational thinking; school-based curriculum; information technology; artificial intelligence; App Inventor

G40-057

A

1009—8097（2018）07—0106—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.07.016

本文為2013年度教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項目“腦機(jī)交互技術(shù)支持下的兒童教育游戲及其有效應(yīng)用研究”（項目編號：13YJC880001）、廣東省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題項目“面向協(xié)同建構(gòu)的情境式德育教育游戲及其應(yīng)用研究”(項目編號：2017JKDY43)的階段性研究成果

曹曉明，副教授，博士，研究方向為計算機(jī)支持的個性化學(xué)習(xí)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，郵箱為tocxm@163.com。

2017年12月18日

編輯：小米