基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)探究

蔡榮華 高薇

摘? 要 《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（試行）》將計(jì)算思維納入信息技術(shù)課程核心素養(yǎng)，計(jì)算思維作為新的學(xué)科思維方式引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。通過探究項(xiàng)目學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的作用，總結(jié)出項(xiàng)目學(xué)習(xí)是一種新的培養(yǎng)計(jì)算思維的方式，能在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

關(guān)鍵詞 計(jì)算思維;核心素養(yǎng);項(xiàng)目學(xué)習(xí);高中信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G633.67? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）05-0070-03

1 引言

2017年頒布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中明確提出，高中信息技術(shù)課程的目標(biāo)是全面提升全體高中學(xué)生的信息素養(yǎng)。高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)核心要素組成，而將計(jì)算思維納入信息技術(shù)課程的核心素養(yǎng)成為新課標(biāo)最大的亮點(diǎn)[1]。通過計(jì)算思維的教育，可以促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法有效地解決問題。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維具有重大意義。

建構(gòu)主義近年來在教育中的應(yīng)用越來越廣泛，旨在創(chuàng)造有效的教學(xué)和學(xué)習(xí)策略。建構(gòu)主義期望學(xué)習(xí)者構(gòu)建的是新知識(shí)而不是他們?cè)械恼J(rèn)知。建構(gòu)主義近年來一直是教學(xué)的重要方法指導(dǎo)，建構(gòu)主義教學(xué)策略也已經(jīng)開始用于課堂，如基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、5E學(xué)習(xí)循環(huán)模式和基于探究的方法。

2 計(jì)算思維

計(jì)算思維（Computational Thinking）在發(fā)展過程中有不同的名稱和定義。1980年，Seymour Papert使用LOGO編程語言教授兒童數(shù)學(xué)概念，最先提出計(jì)算思維，作為他研究兒童如何通過計(jì)算機(jī)編程發(fā)展程序思維的一部分。計(jì)算思維在2006年有了新發(fā)展，當(dāng)時(shí)周以真在ACM的交流中發(fā)表了觀點(diǎn)文章Computational Thinking，重新引發(fā)對(duì)計(jì)算思維的興趣。周以真提出它代表一種普遍適用的態(tài)度和技能，作為邏輯思維的一部分。計(jì)算思維對(duì)于每個(gè)人來說都是一項(xiàng)基本技能，不僅僅是對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)家而言，它并不是試圖讓人類像計(jì)算機(jī)一樣思考，而是人類解決問題的一種方式[2]。

抽象過程是計(jì)算思維中最重要的一個(gè)思考過程，它是從實(shí)例和參數(shù)化概括出來的。換句話說，抽象是一種工具，當(dāng)遇到非常大而復(fù)雜的問題時(shí)，減少、轉(zhuǎn)換、嵌入和模擬的計(jì)算思維方法能夠?qū)⒁粋€(gè)看似復(fù)雜困難的問題重新組合成一個(gè)知道如何解決的問題。簡(jiǎn)而言之，計(jì)算思維使個(gè)體能夠通過他們已知的可計(jì)算的問題，巧妙地接近問題解決過程，從而高效地解決問題。

3 項(xiàng)目學(xué)習(xí)

項(xiàng)目學(xué)習(xí)（project based learning）是建構(gòu)主義教學(xué)策略之一。在2017版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（試行）》的“實(shí)施建議”中就提到：“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)就是指學(xué)生在教師的引導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)問題，以解決問題為導(dǎo)向開展方案設(shè)計(jì)、新知學(xué)習(xí)、實(shí)踐探索，具有創(chuàng)新特質(zhì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)?！盵3]

也可以把項(xiàng)目學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單地定義為“一種圍繞項(xiàng)目組織學(xué)習(xí)的模型”。盡管在傳統(tǒng)課堂中也為學(xué)生分配項(xiàng)目，但基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)方法有很大不同。

項(xiàng)目學(xué)習(xí)要求學(xué)生積極參與來解決問題。在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，學(xué)生與他人合作并反思所學(xué)知識(shí)，提高實(shí)際思維能力，可以積極參與探索和決策過程。通過提出問題，討論想法，進(jìn)行觀察和預(yù)測(cè)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集和分析數(shù)據(jù)以及得出結(jié)論。學(xué)生彼此協(xié)作，并承擔(dān)起他們作為團(tuán)隊(duì)成員的責(zé)任。此外，學(xué)生也將認(rèn)識(shí)到他們所學(xué)習(xí)的東西和學(xué)校以外的事物之間的聯(lián)系。而且，項(xiàng)目學(xué)習(xí)提高了學(xué)生的元認(rèn)知能力，他們制訂了成功的計(jì)劃，并評(píng)估解決方案。最后，項(xiàng)目學(xué)習(xí)通過創(chuàng)建更加平等的學(xué)習(xí)環(huán)境，為提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成績作出貢獻(xiàn)。

4 案例分析

研究對(duì)象? 研究對(duì)象是來自兩個(gè)班級(jí)的100名高一學(xué)生（年齡在16歲左右）。采用基于項(xiàng)目教學(xué)法的學(xué)習(xí)策略教授一個(gè)班級(jí)的50名學(xué)生（實(shí)驗(yàn)班），而另一個(gè)班級(jí)的50名學(xué)生則沿用傳統(tǒng)的非項(xiàng)目教學(xué)法的學(xué)習(xí)策略進(jìn)行教學(xué)（對(duì)照班）。

研究問題? 主要的研究問題是：使用項(xiàng)目教學(xué)法學(xué)習(xí)的學(xué)生與傳統(tǒng)的非項(xiàng)目教學(xué)法學(xué)習(xí)的學(xué)生相比，是否更好地培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維？學(xué)習(xí)效果是否更好？

研究過程

1）使用基于項(xiàng)目教學(xué)法的學(xué)習(xí)策略來教授。

①預(yù)備階段。教師展示電影或?qū)嶒?yàn)，或閱讀可激發(fā)學(xué)生興趣的相關(guān)故事吸引他們，目標(biāo)是介紹與學(xué)生合作的課程主題。

②準(zhǔn)備項(xiàng)目階段。教師解釋這個(gè)項(xiàng)目，為學(xué)生設(shè)定目標(biāo)，并告知他們關(guān)于他們的任務(wù)，強(qiáng)調(diào)承擔(dān)責(zé)任的重要性，讓學(xué)生感到他們有很大的責(zé)任感，而且他們?cè)诮逃^程中占主要地位。

③規(guī)劃項(xiàng)目。教師將學(xué)生分成工作小組，在教師的監(jiān)督下，每個(gè)小組制訂行動(dòng)計(jì)劃，并討論項(xiàng)目的目標(biāo)，分析可用資源、所需技能和潛在的困難。教師的角色是引導(dǎo)學(xué)生完成他們的項(xiàng)目。

④項(xiàng)目實(shí)施。教師與每個(gè)工作組成員合作確定項(xiàng)目的目標(biāo)并寫下來，讓學(xué)生通過辯論和討論分享觀點(diǎn)，最后闡述研究問題并制定相關(guān)假設(shè)。然后學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄觀察結(jié)果。教師在這里的作用是創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臈l件并克服困難，觀察學(xué)生，在實(shí)施過程中鼓勵(lì)他們，提供教育指導(dǎo)，在必要時(shí)討論困難并相應(yīng)地修改項(xiàng)目。

⑤后期項(xiàng)目階段。每組學(xué)生都會(huì)對(duì)同學(xué)發(fā)表自己的發(fā)現(xiàn)，詳細(xì)解釋自己的主題，重點(diǎn)在于他們的發(fā)現(xiàn)和他們?cè)谘芯恐惺褂玫目茖W(xué)原理。教師在這個(gè)階段提出問題，以確保這個(gè)階段學(xué)生理解他們使用的科學(xué)原理。

⑥評(píng)估。教師與學(xué)生就他們的研究課題進(jìn)行討論，評(píng)估項(xiàng)目實(shí)施過程中得出的結(jié)論。評(píng)估必須從準(zhǔn)備階段開始并貫穿項(xiàng)目實(shí)施的整個(gè)過程。通過集體評(píng)估來識(shí)別困難或錯(cuò)誤，以便在未來的項(xiàng)目中克服并避免它們。之后，學(xué)生提交研究項(xiàng)目的報(bào)告。

2）使用基于傳統(tǒng)的非項(xiàng)目教學(xué)法的學(xué)習(xí)策略來教授。在傳統(tǒng)的非項(xiàng)目教學(xué)策略中，目標(biāo)未向?qū)W生宣布，教師的作用僅限于灌輸;教師只會(huì)發(fā)出指示，如坐在座位上，是通常提問的人;交流只是在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的。在傳統(tǒng)的非基于項(xiàng)目的教學(xué)策略中，每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)速度是相同的。

在這項(xiàng)研究中，非基于項(xiàng)目的課程和基于項(xiàng)目的課程都教授了相同的課題。前者采用傳統(tǒng)教學(xué)策略，教師在教學(xué)過程中處于中心位置;學(xué)生沒有分成工作組，而是按行和列排列;教師解釋了科學(xué)原理，學(xué)生是被動(dòng)的聽眾。

教學(xué)效果分析

1）學(xué)習(xí)成績變化分析。為了了解在高中信息技術(shù)課程中采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)教學(xué)模式滲透計(jì)算思維對(duì)學(xué)生成績的影響，經(jīng)過研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)水平測(cè)試中，運(yùn)用項(xiàng)目學(xué)習(xí)教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的班級(jí)（實(shí)驗(yàn)班）成績明顯高于運(yùn)用傳統(tǒng)教學(xué)模式教學(xué)的班級(jí)（對(duì)照班）。在課堂表現(xiàn)和學(xué)生課后交流的過程中也可以明顯地感受到實(shí)驗(yàn)班學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性以及對(duì)知識(shí)的掌握程度都明顯高于對(duì)照班。由此可以說明，在信息技術(shù)課程中采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維產(chǎn)生積極的教學(xué)效果。具體檢測(cè)成績分析如圖1所示。

2）是否會(huì)運(yùn)用計(jì)算思維分析。在一段時(shí)間的學(xué)習(xí)之后，調(diào)查學(xué)生是否能夠運(yùn)用計(jì)算思維去思考、解決學(xué)習(xí)或生活中遇到的問題時(shí)，通過向?qū)W生發(fā)放問卷得到調(diào)查結(jié)果。如圖2所示，在運(yùn)用項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式培養(yǎng)計(jì)算思維的學(xué)生中，有超過80%在日常生活和學(xué)習(xí)中會(huì)經(jīng)常運(yùn)用到計(jì)算思維;而在傳統(tǒng)教學(xué)模式中學(xué)習(xí)的學(xué)生，僅有15%會(huì)用到計(jì)算思維。

傳統(tǒng)教學(xué)模式的課堂一般是由教師控制課堂和教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的講解，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性得不到充分發(fā)揮。學(xué)生雖然掌握了課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，卻不能將知識(shí)運(yùn)用于日常生活，不能把課堂中學(xué)到的知識(shí)與新知識(shí)聯(lián)系起來。

項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式中是以問題為中心來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，組織課堂教學(xué)內(nèi)容，將計(jì)算思維滲透到課堂教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)，在課程開始之前提出問題，通過問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，并由教師引導(dǎo)學(xué)生在解決問題過程中建立起自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，將原有的知識(shí)與新知識(shí)聯(lián)系起來，并將知識(shí)運(yùn)用到其他領(lǐng)域。在學(xué)習(xí)過程中注重小組學(xué)習(xí)，以問題為課程起點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生解析問題的能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

整個(gè)課程結(jié)束之后，教師在進(jìn)行評(píng)價(jià)與總結(jié)的時(shí)候，可以故意拋出一些錯(cuò)誤的知識(shí)點(diǎn)來檢查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。采用這種發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的策略可以培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，激發(fā)學(xué)生的興趣。當(dāng)一個(gè)學(xué)生指出問題所在時(shí)，其他學(xué)生也會(huì)同時(shí)思考這個(gè)問題產(chǎn)生的原因和解決問題的方案，這樣可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力。在解決問題的過程中，學(xué)生不斷地提出問題解決策略，完善解決方案，從而有效提升計(jì)算思維能力。

5 案例分析

在對(duì)上述案例進(jìn)行探究過程中，通過采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，從三個(gè)層次培養(yǎng)計(jì)算思維。學(xué)習(xí)者能夠在解決相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)之后，將現(xiàn)有的知識(shí)與新知識(shí)聯(lián)系起來，將知識(shí)從一個(gè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到另一個(gè)領(lǐng)域來解決同類問題，培養(yǎng)了解決同類問題的能力;在解決每個(gè)任務(wù)的時(shí)候，使用相關(guān)的概念，設(shè)計(jì)解決方案來解決問題，培養(yǎng)了運(yùn)用思維能力解決問題的能力;結(jié)合同伴的想法和觀點(diǎn)能發(fā)現(xiàn)問題并且找到解決具體問題的方式，從而達(dá)到主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。

計(jì)算思維是一個(gè)問題解決的過程，通過課堂和實(shí)踐學(xué)習(xí)，不斷地提出問題并且解決它們。在項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式中所提出問題的答案是開放的，學(xué)習(xí)者可以通過合作學(xué)習(xí)解決問題。小組間分工明確，將大問題分解為無數(shù)個(gè)小的子問題，合理地組織并且呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，通過算法思想，制訂自動(dòng)化的解決方案并通過討論識(shí)別、分析、實(shí)施可能的解決方案，最后將這種問題解決過程遷移應(yīng)用到各領(lǐng)域中去。這種學(xué)習(xí)方法在某種程度上促進(jìn)了思維碰撞，通過爭(zhēng)論和接受同伴的建設(shè)性批評(píng)，提升了學(xué)習(xí)者的思考能力。

6 結(jié)語

“以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)”“邊做邊學(xué)”“在日常生活中應(yīng)用學(xué)校教學(xué)”是項(xiàng)目式科學(xué)教學(xué)的核心價(jià)值。本文探究了基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式對(duì)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的作用，但仍然需要更多的研究來探究計(jì)算思維的培養(yǎng)工作，在今后一段時(shí)期還需要不斷地努力探索。

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