職校學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)策略

【摘 要】信息技術(shù)課程的教學(xué)效果直接影響著計(jì)算思維教育在職業(yè)學(xué)校落地實(shí)施的成效，因此，有必要從分析計(jì)算思維的內(nèi)涵和元素入手，探索職業(yè)學(xué)校學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的路徑和方法，以及單元教學(xué)設(shè)計(jì)的原則和策略，并提出基于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)改革思路。

【關(guān)鍵詞】職業(yè)教育;計(jì)算思維;信息技術(shù);思維能力培養(yǎng)

【中圖分類號】G712? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2020）76-0038-05

【作者簡介】張翠紅，南京財(cái)經(jīng)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校（南京，210001）教師，高級講師，主要研究方向?yàn)槁殬I(yè)教育信息技術(shù)教學(xué)改革。

計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵思想和概念，開展計(jì)算思維教育有助于提高學(xué)生綜合應(yīng)用學(xué)科知識解決問題的能力。新頒布的《中等職業(yè)學(xué)校信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》也將計(jì)算思維確定為一項(xiàng)重要的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，自此，探索學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)路徑將進(jìn)入實(shí)質(zhì)性推進(jìn)階段。

當(dāng)前我國職業(yè)學(xué)校的信息技術(shù)課程教學(xué)存在聚焦計(jì)算機(jī)軟件及工具的使用，忽視學(xué)生應(yīng)用能力及思維能力的培養(yǎng);強(qiáng)化計(jì)算機(jī)操作訓(xùn)練，忽視學(xué)生解決問題能力及創(chuàng)新能力的訓(xùn)練等問題。對此，筆者認(rèn)為，我國職業(yè)學(xué)校信息技術(shù)課程急需改革：課程目標(biāo)定位中應(yīng)強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維能力的訓(xùn)練、課程內(nèi)容的選擇上應(yīng)體現(xiàn)計(jì)算能力訓(xùn)練、課程實(shí)施過程中應(yīng)貫穿計(jì)算思維能力的訓(xùn)練、課程評價(jià)指標(biāo)應(yīng)基于學(xué)生思維能力能達(dá)到的水平。計(jì)算思維在信息技術(shù)學(xué)科四個(gè)核心素養(yǎng)中起統(tǒng)領(lǐng)作用，通過計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，使課程教學(xué)的落腳點(diǎn)落在“利用信息技術(shù)解決問題”上，以破解當(dāng)下我國職業(yè)學(xué)校信息技術(shù)課程重技術(shù)輕能力的難題。

一、計(jì)算思維能力培養(yǎng)的路徑和方法

（一）明確計(jì)算思維的內(nèi)涵與構(gòu)成要素

美國德保羅大學(xué)的教授們提出了一個(gè)計(jì)算思維的概念框架，涉及計(jì)算思維的組成元素以及這些元素之間的相互關(guān)系，內(nèi)容包括通信、計(jì)算、自動(dòng)化、協(xié)作、記憶、評估和設(shè)計(jì)。[1]其后，國內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上增加了抽象這一內(nèi)容，提出包含三個(gè)層次的表述體系框架（如圖1所示）。

2011年，國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)提出了一個(gè)計(jì)算思維的操作性定義，即計(jì)算思維實(shí)質(zhì)上是問題解決過程，包括（但不限于）以下步驟：1.制定問題，能夠利用計(jì)算機(jī)和其他工具解決該問題;2.分析數(shù)據(jù)，邏輯化地組織和分析數(shù)據(jù);3.再現(xiàn)數(shù)據(jù)，通過抽象（例如模型、仿真等）再現(xiàn)數(shù)據(jù);4.自動(dòng)化，通過算法思想（一系列有序的步驟）來支持自動(dòng)化解決方案;5.解決問題，識別、分析、實(shí)施可能的解決方案，同時(shí)結(jié)合上述步驟和資源找到最有效的解決方案;6.遷移推廣，將該問題的解決過程推廣并遷移到更廣泛的問題中，這個(gè)可操作性定義為計(jì)算思維教育的開展提供了結(jié)構(gòu)框架和內(nèi)容指導(dǎo)。[2]南安普敦大學(xué)的Cynthia Selby博士和John Woollard博士提出計(jì)算思維包括算法思維、分解、抽象、概括、評估這五個(gè)方面的要素。ISTE則把計(jì)算思維定義為算法思維、解決問題、創(chuàng)造力、批判性思維、合作性思維和溝通技巧的共同體現(xiàn)。

（二）探索計(jì)算思維能力培養(yǎng)路徑和方法

1.中職信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維分析。

基于計(jì)算思維概念框架視角，中職信息技術(shù)課程中蘊(yùn)含的計(jì)算思維要素分布在不同的課程模塊（如表1所示），如基礎(chǔ)模塊信息技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)入門、人工智能初步及拓展模塊設(shè)計(jì)應(yīng)用程序、操作機(jī)器人課程模塊能很好地體現(xiàn)計(jì)算的思想和方法;基礎(chǔ)模塊中網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、人工智能初步及拓展模塊中操作機(jī)器人等課程模塊能很好地體現(xiàn)協(xié)作的思想和方法。

計(jì)算思維在程序設(shè)計(jì)模塊中得到集中的體現(xiàn)，下頁表2通過中職信息技術(shù)課程程序設(shè)計(jì)入門模塊、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)模塊中的案例對計(jì)算思維概念要素加以說明。從下頁表2中可看出，計(jì)算、抽象、設(shè)計(jì)等計(jì)算思維要素可以通過案例進(jìn)行單項(xiàng)訓(xùn)練。中職學(xué)生計(jì)算、抽象、設(shè)計(jì)能力普遍較弱，教師在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)可以通過項(xiàng)目著重對單項(xiàng)要素進(jìn)行有針對性的訓(xùn)練。

2.計(jì)算思維操作性定義視角。

中職信息技術(shù)課程中運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的過程包括“制定問題—組織分析數(shù)據(jù)—再現(xiàn)數(shù)據(jù)—支持自動(dòng)化解決方案—尋找有效方案—應(yīng)用于更廣泛問題”幾個(gè)步驟。比如中職信息技術(shù)課程拓展模塊“設(shè)計(jì)應(yīng)用程序”之“服務(wù)應(yīng)用類App項(xiàng)目”開發(fā)，筆者以其中“健身App應(yīng)用”的開發(fā)為例展開分析。這款A(yù)pp的設(shè)計(jì)原則是合理把控用戶需求，設(shè)計(jì)出切合實(shí)際的功能，用戶能通過篩選功能快速找到自己想要的訓(xùn)練計(jì)劃。

制定問題：健身App的目標(biāo)是用戶能通過篩選功能快速找到自己想要的訓(xùn)練計(jì)劃，要完成這個(gè)目標(biāo)，需要解決的問題較多，如用戶如何查看健身項(xiàng)目、如何篩選適合自己的計(jì)劃等。組織分析數(shù)據(jù)：健身App涉及的數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，還要組織和分析數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)可以利用。再現(xiàn)數(shù)據(jù)：對數(shù)據(jù)進(jìn)行概念模型構(gòu)建，然后再根據(jù)概念模型到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以關(guān)系數(shù)據(jù)表的形式再現(xiàn)各種數(shù)據(jù)，如訓(xùn)練項(xiàng)目表、器械類型表、訓(xùn)練時(shí)間表等。支持自動(dòng)化解決方案：通過算法思維進(jìn)行算法分析，找到最有效的方案。應(yīng)用于更廣泛的問題：將健身App所涉及的問題解決過程進(jìn)行推廣并遷移到更廣泛的問題中，如點(diǎn)菜App、訂票App、導(dǎo)游服務(wù)App等。

綜上，根據(jù)中職信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維分析及計(jì)算思維解決問題的流程，可以明確計(jì)算思維能力的培養(yǎng)路徑和方法，通過單項(xiàng)訓(xùn)練和綜合性訓(xùn)練相結(jié)合的方式進(jìn)行培養(yǎng)。一方面是單項(xiàng)訓(xùn)練，從計(jì)算思維概念要素著手進(jìn)行單項(xiàng)思維要素的培養(yǎng)，如計(jì)算、抽象、設(shè)計(jì)等;另一方面是綜合訓(xùn)練，通過編制程序、解決現(xiàn)實(shí)問題等培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、問題解決能力和遷移能力。

二、基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的單元教學(xué)設(shè)計(jì)策略

中職信息技術(shù)課程是職業(yè)學(xué)校學(xué)生的必修課，是培養(yǎng)計(jì)算思維的主要載體。蘊(yùn)含在信息技術(shù)課程知識當(dāng)中的、建立在可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上的思維教學(xué)是中職信息技術(shù)課程的核心價(jià)值。

（一）蘊(yùn)含在課程中的計(jì)算思維學(xué)業(yè)水平層級分析

依據(jù)中職信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)業(yè)要求，筆者及課題組成員擬定了中職信息技術(shù)課程中計(jì)算思維學(xué)業(yè)水平要求的關(guān)鍵詞。計(jì)算思維學(xué)業(yè)水平要求共分三個(gè)層級：水平一要求的關(guān)鍵詞是了解知識、選擇使用、獲取加工、集成制作、設(shè)計(jì)簡單程序，水平二的關(guān)鍵詞是解決問題、具體應(yīng)用、采集分析、了解原理，水平三的關(guān)鍵詞是業(yè)務(wù)融合、綜合實(shí)踐、設(shè)計(jì)應(yīng)用程序、拓展遷移。

在中職信息技術(shù)課程中培養(yǎng)計(jì)算思維的路徑和方法是，從學(xué)習(xí)知識到分析應(yīng)用和解決問題，循序漸進(jìn)。首先，圍繞構(gòu)成計(jì)算思維的主要元素，在課程中進(jìn)行單項(xiàng)及綜合培養(yǎng)訓(xùn)練。一方面加強(qiáng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識的掌握，另一方面培養(yǎng)學(xué)生以計(jì)算思維解決問題，在不同情境中選擇適合的方法解決問題。其次，探索課程的思維性教學(xué)方法。如程序設(shè)計(jì)模塊，從編制簡單程序到解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、問題解決能力和遷移能力;數(shù)據(jù)處理模塊，加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，從簡單計(jì)算和創(chuàng)建圖表到根據(jù)職業(yè)崗位需求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析方案，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。

（二）基于計(jì)算思維培養(yǎng)的單元教學(xué)設(shè)計(jì)策略

整體化單元設(shè)計(jì)是培養(yǎng)計(jì)算思維的必然要求。根據(jù)課標(biāo)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算思維要求，將相關(guān)的知識或內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，進(jìn)行整體化的單元教學(xué)設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)膯栴}、情境、活動(dòng)，從簡單到復(fù)雜、從單一到綜合、從封閉問題到開放問題，在系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)學(xué)生從基礎(chǔ)知識的掌握到抽象概括、系統(tǒng)化解決問題等維度的計(jì)算思維能力。

1.確定單元和項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)。

確立“以學(xué)習(xí)者為中心”的觀念，說明單元要解決什么問題，學(xué)生能學(xué)會(huì)什么、得到哪些能力的提升。每個(gè)單元由若干個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目構(gòu)成，在單元目標(biāo)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)每個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)目標(biāo)，每個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)體系盡可能用“能在什么條件下、做什么事、達(dá)到什么程度”的方式表達(dá)。如在“開發(fā)益智游戲”這一項(xiàng)目中，將目標(biāo)確定為通過分析需求自主歸納要解決的問題，通過編寫益智游戲培養(yǎng)學(xué)生基于程序設(shè)計(jì)理念解決問題的能力，通過探討實(shí)際問題的解決方案培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，并遷移到廣泛的應(yīng)用情境中。

2.選擇與組織教學(xué)單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

教學(xué)內(nèi)容的組織要基于學(xué)習(xí)者的認(rèn)知基礎(chǔ)，符合計(jì)算思維發(fā)展規(guī)律。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，按照項(xiàng)目、活動(dòng)、問題的邏輯設(shè)計(jì)由簡單到復(fù)雜、由單一到綜合、由封閉到開放的教學(xué)內(nèi)容，如“數(shù)據(jù)處理”模塊設(shè)計(jì)了“管理我的零用錢”“生活中的大數(shù)據(jù)”等四個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目。從學(xué)習(xí)計(jì)算、圖表等基礎(chǔ)知識到根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，讓學(xué)生系統(tǒng)化解決問題的能力得到發(fā)展，使計(jì)算思維的培養(yǎng)真正落實(shí)到課程。再如“開發(fā)益智游戲”這一單元中，筆者設(shè)計(jì)了“編寫猜數(shù)字游戲”“開發(fā)小學(xué)四則運(yùn)算數(shù)學(xué)測試游戲”及“探究解決問題的方案”（包括檢查判斷登錄密碼的安全強(qiáng)度等實(shí)際問題）三個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，通過有效組織引導(dǎo)學(xué)生完成這些逐層遞進(jìn)的任務(wù)，使學(xué)生解決問題的能力螺旋上升。

3.基于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)組織流程。

以教師引導(dǎo)下學(xué)生自主探究為主要組織形式，通過一系列層層遞進(jìn)的任務(wù)，使學(xué)生分析問題、解決問題及知識遷移能力得到發(fā)展。在學(xué)習(xí)項(xiàng)目展開實(shí)施的過程中，以學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)為主線，設(shè)計(jì)一系列教學(xué)環(huán)節(jié)。如在程序設(shè)計(jì)項(xiàng)目教學(xué)組織中，通過分析問題、解決問題、設(shè)計(jì)算法、畫流程圖、編寫代碼、調(diào)試運(yùn)行等活動(dòng)訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維能力。又如在“開發(fā)小學(xué)四則運(yùn)算數(shù)學(xué)測試游戲”這一任務(wù)的學(xué)習(xí)過程中，首先，通過小組討論，要求學(xué)生自主歸納如何用程序設(shè)計(jì)的思想解決游戲開發(fā)這一實(shí)際問題，從問題分析角度出發(fā)設(shè)計(jì)算法，畫出流程圖;其次，編寫子模塊程序代碼;最后，根據(jù)程序流程圖完成各子模塊的整合，調(diào)試并完成游戲開發(fā)任務(wù)，有效培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

三、計(jì)算思維能力評估的策略

現(xiàn)有文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)前常用的計(jì)算思維的評估方法包括量表評估、作品分析評估、訪談式評估以及題測評估等。其中訪談式評估、題目測試能全面評價(jià)學(xué)生在計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念上的表現(xiàn)，評價(jià)相對較容易開展。鑒于以往我國相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)比較多地采用結(jié)果性評價(jià)，手段較為單一，應(yīng)從課程工具和評價(jià)方法方面進(jìn)行加強(qiáng)。在課堂教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)可針對計(jì)算思維的某方面，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容單獨(dú)設(shè)計(jì)某個(gè)環(huán)節(jié)的課堂教學(xué)活動(dòng)及評價(jià)方案。如程序設(shè)計(jì)模塊“開發(fā)小學(xué)四則運(yùn)算數(shù)學(xué)測試游戲”這一任務(wù)的評估，教師可采用訪談式評估，圍繞三個(gè)問題展開討論：一是動(dòng)機(jī)，起初做這個(gè)任務(wù)的動(dòng)機(jī)是什么？二是創(chuàng)建過程，任務(wù)的開發(fā)流程是什么？在開發(fā)的過程中遇到了什么問題？你如何解決這些問題？三是反思，這個(gè)任務(wù)你希望改進(jìn)和完善的是什么？如何改進(jìn)？這種評估強(qiáng)調(diào)思維能力的培養(yǎng)，將評價(jià)落腳點(diǎn)定位在項(xiàng)目任務(wù)成果上。在教學(xué)中開展計(jì)算思維評估最重要的是如何綜合利用多種平臺和工具來評估計(jì)算思維，將計(jì)算思維有效融入課程教學(xué)中。

四、關(guān)于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的進(jìn)一步思考

構(gòu)建一個(gè)以計(jì)算思維為核心的分層次課程教學(xué)體系，然后將計(jì)算思維的培養(yǎng)貫穿于學(xué)生在校學(xué)習(xí)的整個(gè)過程。第一層是基礎(chǔ)層，以中職信息技術(shù)課程為主;第二層是程序設(shè)計(jì)技術(shù)層;第三層是專業(yè)應(yīng)用或興趣拓展層。在不同的時(shí)段合理安排不同的課程教學(xué)或?qū)W生活動(dòng)，以不同層次的具體課程為載體，緊緊圍繞計(jì)算思維的本質(zhì)和核心，創(chuàng)新教學(xué)模式，改革教學(xué)方法和手段，并在教學(xué)過程中不斷完善。

計(jì)算思維的培養(yǎng)以中職信息技術(shù)課程為主，同時(shí)還需要計(jì)算機(jī)專業(yè)課程、數(shù)學(xué)、工程等相關(guān)課程的統(tǒng)籌培養(yǎng)。其中計(jì)算機(jī)專業(yè)課程包括程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)站開發(fā)、移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)、2D/3D動(dòng)畫設(shè)計(jì)等，教師應(yīng)明確計(jì)算思維相關(guān)要素和能力的培養(yǎng)與哪些課程（課程單元）及學(xué)期時(shí)段對應(yīng)。以計(jì)算思維培養(yǎng)為主線系統(tǒng)設(shè)計(jì)并重構(gòu)課程體系，將學(xué)生表現(xiàn)出的計(jì)算思維要素薄弱項(xiàng)和相關(guān)的課程單元緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)有效訓(xùn)練方案，使計(jì)算思維能力的培養(yǎng)螺旋上升，高效達(dá)成培養(yǎng)目標(biāo)。另外，除了課堂教學(xué)，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)還需要相應(yīng)的學(xué)生活動(dòng)進(jìn)行有益補(bǔ)充。計(jì)算思維能力培養(yǎng)最重要的目標(biāo)在于計(jì)算思維的遷移和跨學(xué)科的應(yīng)用。計(jì)算思維作為一項(xiàng)基本能力，需要在各領(lǐng)域的應(yīng)用中進(jìn)行強(qiáng)化，因此設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)是一種合適的方式，如玩具智能改造、3D建模打印等。

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