基于項目式學習的計算思維培養(yǎng)模式研究*

王云 郭義翔

摘? ?要? ?信息時代，計算思維已經成為每個人都必須掌握的基本技能之一。而如何在基礎教育階段培養(yǎng)學生的計算思維，依然是一項重要的課題。中小學信息技術課程是培養(yǎng)學生計算思維的主要途徑。但是，當前的信息技術課程教學側重編程工具的操作和算法程序本身的學習，而忽視了對學生計算思維的培養(yǎng)。本文分析了項目式學習在計算思維培養(yǎng)中的優(yōu)勢，依據項目式學習的相關理論，構建了基于項目式學習的計算思維培養(yǎng)模式，并通過“循跡踢球”項目展示了該模式在教學實踐中的應用。

關鍵詞? ?項目式學習? ?計算思維? ?培養(yǎng)模式? 信息技術課程

2006年，美國卡內基·梅隆大學的周以真教授，提出了一種建立在計算機處理能力及其局限性基礎之上的思維方式——計算思維[1]。2011年，計算思維被納入美國《CSTA K-12標準》。隨后，英國、澳大利亞等國家也將計算思維的培養(yǎng)作為K-12階段信息技術課程中的重要內容。在我國，2017版《普通高中信息技術課程標準》中將計算思維作為信息技術學科核心素養(yǎng)之一。2017年，國務院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，也提出要逐步在中小學推廣編程教育。可見，在信息時代培養(yǎng)學生的計算思維越來越重要。近年來，計算思維越來越受到我國專家、學者的關注，如何培養(yǎng)中小學學生的計算思維也成為研究的重點。

一、計算思維與項目式學習的內涵

1.計算思維

關于計算思維的含義，有不同的解讀。2011年，美國計算機科學教師協會（CSTA）和國際教育技術協會（ISTE）聯合發(fā)布了計算思維的操作性定義：“計算思維是一種利用算法思維尋找最有效組合的自動化問題解決方案的過程，并將其推廣到其他領域，涉及數據收集、分析與表示?！盵2]并且，為了教師準確地向學生傳遞計算思維和學生更好地理解計算思維，還提供了計算思維詞匯。2012年，美國學者Brennan和Resnick提出關于計算思維的三維框架操作性定義，將計算思維分為計算概念、計算實踐和計算觀念三個維度[3]。我國2017版《普通高中信息技術課程標準》認為“計算思維具體表現為解決問題過程中的形式化、模型化、系統化和自動化”[4]。

綜合以上觀點，本研究認為計算思維的核心能力應包括：“抽象”“分解”“數據的采集、分析與表示”“構建算法與程序”“自動化”“建?！薄胺抡妗薄氨磉_、聯系與質疑”“測試與調試”“泛化”。

2.項目式學習

項目式學習（Project-Based Learning），以建構主義學習理論為指導，強調學生在真實環(huán)境中探究學習，從而提升學生的多元能力[5]。項目式學習以具有挑戰(zhàn)性的真實問題或情境為起點，強調情境性、合作交流、認知工具的支持、創(chuàng)造制品和持續(xù)探究。項目式學習是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的重要途徑[6]?；陧椖渴綄W習培養(yǎng)計算思維，不僅提升了學生的計算思維，而且培養(yǎng)了學生的問題解決能力。

3.利用項目式學習培養(yǎng)計算思維的優(yōu)勢

（1）在問題解決中發(fā)展思維

計算思維的本質是解決問題的思維與能力[7]。項目式學習強調學生參與真實問題的解決，采用項目式學習培養(yǎng)計算思維可以讓學生在解決問題的過程中建構知識、提高能力、發(fā)展思維。

（2）在情境學習中聯系實際

培養(yǎng)計算思維的最終目的是讓學生學會在實際中靈活地應用計算思維解決日常生活和學習中的問題，尋找問題的通用解決方案，形成一種思維習慣。項目式學習通過創(chuàng)設真實的問題情境，不僅可以激發(fā)學生的學習興趣，還能讓學生聯系實際，將學習到的知識經驗運用到更多的情境中。

（3）在交流分享中反思總結

在項目式學習中，學習者與教師、學習者之間共享知識經驗，從而加深理解。采用項目式學習培養(yǎng)計算思維，學生在自主學習和自主探索之后相互交流討論、分享學習經驗，從而反思自身的優(yōu)點與不足，總結經驗教訓，不斷提升能力。

（4）借助工具解決問題

項目式學習中使用的認知工具是指能夠有效幫助人們理解和解決問題的思維工具，而不是處理信息的軟硬件應用程序。項目式學習可以培養(yǎng)學生綜合利用多種思維工具解決問題的能力。例如，讓學生利用程序開發(fā)工具參與簡單的產品開發(fā)實踐，體驗程序設計的實施過程，直觀感受計算思維。

（5）不斷迭代尋找最優(yōu)方案

項目式學習中，一個項目的完成往往需要較長的時間，可能需要幾個課時、幾天，甚至幾個星期、幾年的時間，這樣學生才能更深入地學習、探究，尋找更多的資源和設計更多的解決方案?；陧椖渴綄W習培養(yǎng)計算思維，有利于學生“調試”能力的培養(yǎng)，學生需要對方案、算法和程序進行“調試”，發(fā)現錯誤，彌補不足，不斷完善作品，尋找最佳的解決方案。

二、基于項目式學習的計算思維培養(yǎng)模式

1.理論基礎

（1）建構主義理論

建構主義，即學生根據自身的經驗背景構建知識體系，它關注的是學生積極地從事“做”的活動，而不是被動地“接受”知識。只有建構性學習才最符合學習的本質，最能促進人的深度學習，進而實現核心素養(yǎng)和學科能力的可持續(xù)發(fā)展[8]?；陧椖渴綄W習的計算思維培養(yǎng)模式是一種建構性學習模式，學生通過教師引導、自主探究與交流合作，確定問題、分解問題、制定解決問題的方案、實施方案、不斷總結完善方案，從而積極構建知識、發(fā)展思維。

（2）多元智能理論

多元智力理論強調每個人都有不同的智力類型和不同的智力優(yōu)勢。項目式學習允許教師將各種教與學的策略運用到項目的規(guī)劃和實施過程中幫助學生開發(fā)各種智力。每一個學生都是個性化的獨立個體，具有不同的智力優(yōu)勢。在基于項目式學習的計算思維培養(yǎng)模式中，學生運用自身的智力優(yōu)勢完成項目，設計獨特的解決方案，創(chuàng)造性地解決問題。在此過程中，抽象、模擬、數據收集、交流、表達等多種能力得到提升。

（3）情境學習理論

情境學習理論認為，在真實情境下發(fā)生的學習和思維才是最有效的，自然而真實的學習情境更容易讓學生將學習內容與日常生活體驗相聯系，增強學習動力。基于項目的學習就是在與日常生活相關的真實情境中學習，通過知識遷移將該情境與實際生活相聯系[9]。該模式圍繞真實的項目任務展開，在解決真實問題的過程中滲透計算思維的培養(yǎng)，體現了情境學習理論。

2.基于項目式學習的計算思維培養(yǎng)模式構建

依據上述理論基礎，及計算思維培養(yǎng)的核心要素，構建了如圖1所示的基于項目式學習的計算思維培養(yǎng)模式。在該模式中，教師和學生圍繞項目展開學習與教學活動。

（1）教師活動

第一，創(chuàng)設問題情境，提出項目：創(chuàng)設真實的問題情境，引出項目問題，激發(fā)學生的學習動機。第二，分解項目，引出單元任務：分析項目，并將復雜的項目問題分解為幾個簡單的單元任務，降低學習難度;引導學生制定詳細的項目計劃。第三，引導學生制定詳細的項目計劃：引導學生細化單元任務，制定詳細的實施方案。第四，實時介入，幫助學生完成項目：在學生自主完成的過程中給予學生適當的幫助和指導，使學生在有限的時間內完成任務。第五，教學評價：對項目的完成過程進行評價、對項目作品進行總結性評價，并組織學生間進行互評，最后對項目進行總結，以便學生更好地將本項目學習到的知識技能遷移到其他問題的解決中。

（2）學生活動

第一，進入問題情境：在教師創(chuàng)設的問題情境下聯系實際，進入問題情境。第二，理解項目，確定單元問題：理解項目問題，將項目分解為單元任務，確定項目分解后的每個單元問題。第三，采集、表示與分析數據，自主探究，生成、規(guī)劃解決方案：采集、表示與分析相關數據，通過自主探究，預先規(guī)劃、設計問題的解決方案。第四，根據項目計劃實施項目方案：借助學習資源、思維工具實施項目，完成作品。第五，匯報展示、交流反思、完善作品：展示項目作品，匯報作品制作過程，并與小組成員及全班同學、老師交流，反思項目設計方案和作品的不足之處，并不斷完善。

三、虛擬機器人“循跡踢球”實施探究

1.虛擬機器人仿真平臺

IROBOTQ 3D機器人在線仿真平臺是一個基于網絡的3D機器人仿真平臺，通過該平臺可以創(chuàng)設場景、搭建機器人、添加各類傳感器，通過多種方式（蘿卜圈圖形化編程語言、LOGO語言、Python語言）編寫程序，使機器人具備相應的功能，并通過模擬場景運行完成各種任務。

2.計算思維培養(yǎng)目標

計算思維的培養(yǎng)要從知識、能力、觀念三方面進行。根據計算思維三個維度的核心概念，并結合本項目的內容，設計了本項目的計算思維培養(yǎng)目標。

目標一：掌握順序結構、“while循環(huán)”結構、“if-else條件”結構、常量、運算符等基本概念。

目標二：理解項目問題，能夠將復雜的問題分解為多個簡單的問題;設計四輪小車的結構;正確安裝灰度傳感器，確定灰度傳感器的檢測值;使用模塊化編程語言編寫程序;通過平臺提供的虛擬場景運行程序，使小車自動沿跡行駛。

目標三：通過測試和調試，查找錯誤，糾正錯誤;并通過與他人交流，發(fā)現自身的優(yōu)點與不足，反思自己的方案，不斷完善自己的作品;能夠將在本項目中學到的知識技能運用到其他問題的解決中。

3.教學活動

（1）提出項目

教師創(chuàng)設情境：如果有一輛汽車不需要司機駕駛，當你上車并選擇了目的地后，汽車就會自動行駛起來，并安全到達終點，這就是未來的自動駕駛汽車。假設有一輛會自動行駛的小車，如何讓小車自動調整方向，沿著如圖2所示的黑色軌跡線向前走，直到碰到終點的足球？

（2）項目分析

通過對項目問題的分析，該項目可以描述為：讓一輛小車沿著圖中的黑色軌跡線從起點到終點自動行駛。要實現項目任務，需要將項目分解為以下三個單元任務：①要想讓機器人小車行駛，首先要搭建一輛小車（任務一）。②要想讓小車沿軌跡行駛，要搭建一輛能識別黑色軌跡線的小車（任務二）。③搭建好小車后，需要通過編寫程序，控制小車沿黑色軌跡線行駛（任務三）。

（3）設計項目

任務一：搭建機器人小車。

教師引導學生搭建小車：搭建一輛小車需要確定小車的基本結構;選擇搭建一個四輪小車所需要的基本零件;設置各零件的屬性。

任務二：搭建能識別黑色軌跡線的小車。

教師引導學生設計循跡小車：要使小車能識別黑色軌跡線，除了要安裝必備的基本零件外，還要安裝一種特殊的裝置——灰度傳感器;為了保證小車的結構穩(wěn)定，至少要用到2個灰度傳感器檢測黑線，一般安裝在機器人小車的前方，小車控制器前方有9個安裝點，以中點為中心，向兩邊延伸各2個點;設置左右兩個灰度傳感器的端口號。

任務三：繪制流程圖，設計程序。

教師引導學生畫出控制小車自動行駛的程序流程圖（如圖3所示）：機器人小車兩邊各有一個灰度傳感器。先判斷左灰度傳感器是否在黑線上，如果在，小車左轉;如果不在，再判斷右灰度傳感器是否在黑線上，如果右灰度傳感器在黑線上，小車右轉;如果右灰度傳感器也不在黑線上，那表示左、右兩個灰度傳感器都不在黑線上，小車直行。

教師引導學生根據流程圖設計程序：利用圖形化編程語言編程選擇合適的編程模塊，2個條件判斷用“if判斷”模塊表示;因為小車在巡線過程中需要不斷判斷，所以最外層還要用“while永遠循環(huán)”模塊表示重復;利用測試場景中的取色器對場景地面顏色取值，進而確定灰度傳感器的偵測值;要設置多直流電機驅動模塊各直流電機的速度值、正反轉屬性控制小車轉向。

（4）項目實施

教師為學生提供微課、項目分解表、小組分工表等。學生按照項目設計，借助虛擬機器人仿真平臺實施設計方案，選擇任務測試場景運行并調試程序。教師實時介入幫助學生完成項目任務。最終搭建的四輪小車如圖4所示。

（5）項目評價

學生提交成績，查看排名。教師組織學生進行展示交流與互評，首先進行小組內交流展示和評議，然后全班展示匯報與作品比拼，最后教師總結項目，讓學生明確通過本項目應該掌握的知識、能力。

①組內展示評議：組內成員相互展示交流;小組成員之間對各自制作的作品進行評議，并提出改進建議;收集組內成員對自己作品改進的意見或建議并整理匯總，針對問題和不足，提出解決辦法;進一步完善自己的作品。

②全班匯報比拼：各小組選出一個優(yōu)秀作品，選派代表在全班進行展示匯報;各小組推選一名同學，與教師一起組成項目評審組，共同制訂評價表;評審員根據評價表進行評價并對項目完成情況給出匯總評價結果，向全班公布。

四、總結

本研究基于項目式學習的相關理論和教學環(huán)節(jié)，構建了基于項目式學習的計算思維培養(yǎng)模式。該模式從計算概念、計算實踐與計算觀念三方面全面地培養(yǎng)了學生的多種計算思維核心能力，在完成項目任務的過程中培養(yǎng)學生利用計算思維解決實際問題的能力，更加注重學生計算思維發(fā)展的過程性評價。同時，將該模式應用于虛擬機器人“循跡踢球”案例中，取得了較好的教學效果。在今后的研究中，應該將該模式與更多的課程內容結合，從而提高學生的計算思維。

參考文獻

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[3] Brennan K，Resnick M.New Frameworks for Studying and Assessing the Development of Computational Thinking[C]//The 2012 Annual Meeting of the American Educational Research Association，2012

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[9] 劉佳偉.基于計算思維的PBL教學模式在小學Scratch課程中的應用研究[D].成都：四川師范大學，2018.

[作者：王云（1964-），男，山西洪洞人，山西師范大學教授，博士，博士生導師;郭義翔（1997-），女，山西呂梁人，山西師范大學教育科學學院，碩士生。]

【責任編輯? 鄭雪凌】