指向計算思維培養(yǎng)的PBL教學模式構(gòu)建與實踐研究

焦勝強

摘 要：項目式學習基于真實問題情境，將知識、技能和思維的發(fā)展融為一體，指向真實問題的解決，因而為學生計算思維的培養(yǎng)提供了有效途徑。本研究在文獻研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合高中信息技術(shù)教學實際，構(gòu)建了指向計算思維培養(yǎng)的PBL教學模式，并以枚舉算法項目“解密盛唐時期詩人之間的關(guān)系”為例驗證該教學模式，實踐證明，該模式能在項目問題解決中有效培養(yǎng)學生的計算思維能力，也為其他一線教師開展項目式教學提供有益參考。

關(guān)鍵詞：計算思維;PBL;教學模式;高中信息技術(shù)

一、計算思維和PBL項目式教學

（一）計算思維內(nèi)涵

計算思維是指個體運用計算機科學領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動[1]。自2006年周以真教授提出計算思維定義以來，諸多學者和專家從不同側(cè)面對計算思維內(nèi)涵進行了闡述，綜合文獻分析，本研究認為計算思維的內(nèi)涵是：具備計算思維能力的學生，在學習生活中，面對實際問題能夠運用算法思維、分解思維、抽象思維、概括思維、批判性思維等五個方面要素，采用形式化、模型化、自動化和系統(tǒng)化方式解決實際問題。

（二）PBL項目式教學

美國巴克教育研究所指出，PBL是一套系統(tǒng)的教學理念方法，是對復雜真實問題的探究過程，也是精心設(shè)計項目作品、規(guī)劃和實施項目任務(wù)的過程[2]，在這個過程中，學生能完成知識建構(gòu)和技能培養(yǎng)。北師大劉儒德教授認為，PBL是以問題為引導，學生圍繞問題開展一系列學習活動，從而發(fā)展學生的思維策略，培養(yǎng)他們解決問題的能力[3]。一般來說，項目教學流程由確定項目主題、制定計劃分工、確定項目方案、協(xié)作探究實踐、項目成果交流、項目總結(jié)評價等六個部分組成[4]。通過文獻梳理并結(jié)合教學實際，本研究認為項目教學是指以解決問題為導向，通過小組合作的形式開展新知學習、設(shè)計項目方案、探究實踐來進行學科知識學習，發(fā)展創(chuàng)新思維的一系列學習活動。

（三）PBL項目式教學對計算思維培養(yǎng)的支持

首先，PBL為計算思維的培養(yǎng)提供環(huán)境基礎(chǔ)。計算思維旨在提升真實問題解決的能力，在PBL真實情境問題中，能有效激活并調(diào)整學生的前置知識，讓學生在創(chuàng)造性地、靈活的遷移應(yīng)用所學知識的同時，實現(xiàn)計算思維的培養(yǎng)目標。其次，PBL為計算思維的培養(yǎng)提供操作過程。面對PBL一系列整合任務(wù)，以小組合作的形式，充分運用抽象、分解等計算思維的思想方法，各個擊破解決子問題，在問題解決中進一步內(nèi)化提升計算思維能力。

二、指向計算思維培養(yǎng)的PBL教學模式構(gòu)建

（一）指向計算思維培養(yǎng)的PBL教學模式整體構(gòu)思

本研究參考PBL的一般流程，在計算思維內(nèi)涵理解的基礎(chǔ)上對信息技術(shù)教學過程進行分析思考，循著從學習內(nèi)容設(shè)計到教師的教學設(shè)計、學生的學習設(shè)計，最后內(nèi)化為學生計算思維的培養(yǎng)的思路，建構(gòu)更符合教學實踐的教學模式。該模式從內(nèi)而外分三層構(gòu)成。第一層是教學內(nèi)容，闡釋以項目為統(tǒng)整的教學內(nèi)容組織設(shè)計;第二層是基于PBL闡述教師的教與學生的學兩方面流程，并形成多輪迭代的學習循環(huán);第三層是計算思維指向?qū)?，闡明最終需要達到的高中生計算思維培養(yǎng)目標。

（二）指向計算思維培養(yǎng)的PBL教學模式步驟

該教學模式將計算思維訓練提升與項目教學過程有效融為一體，計算思維既是解決問題時的思想方法指導，又是項目學習的目的。其步驟為：1.教師先明確項目主題，以項目統(tǒng)整教學內(nèi)容，然后創(chuàng)設(shè)真實問題情境，呈現(xiàn)問題并設(shè)置問題切入口。學生進入情境，明確問題目標。這一階段培養(yǎng)學生直觀感知情境問題，明晰問題任務(wù)，培養(yǎng)學生于真實情境中抽象問題本質(zhì)的能力。2.教師基于項目主題及教學目標，結(jié)合項目任準備好相關(guān)的學習資源，這有利于促進學生多通道、多角度、多元化生成新知，也為后續(xù)活動探究提供載體。然后對將要學習的新知識技能做出示證，為分析問題、設(shè)計問題解決方案做好鋪墊。學生積極參與新知學習，分小組頭腦風暴界定問題。這一階段旨在培養(yǎng)學生合作學習、抽象問題本質(zhì)的能力。3.針對上一階段界定出的關(guān)鍵問題，小組研討對話，形式化分解為子問題，同時關(guān)注問題分解的邏輯關(guān)系，綜合各子問題的解即得整個項目問題的解決方案。教師則準備好相關(guān)支架（如流程圖等），輔助問題分解，并進行方法思路指導。這一步驟通過小組討論思辨、統(tǒng)籌分析問題，培養(yǎng)學生批判性思維、算法思維、問題分解的能力。4.根據(jù)制定的算法方案，小組分工，探究實踐解決各個子問題，并反復調(diào)試改進，優(yōu)化算法。教師充分關(guān)注學生解決問題的過程，收集階段性作品成果，進行過程性評估。并在巡視觀察時，及時評估指導。這一步驟通過探究實踐，培養(yǎng)學生的批判性思維、算法思維以及問題解決能力。5.教師組織學生分小組進行展示交流，分享項目活動中遇到的主要困難及解決思路，總結(jié)項目經(jīng)驗，然后教師創(chuàng)設(shè)新的類似問題情境，引導學生將問題解決方法思路遷移運用到新情境問題解決中，培養(yǎng)提升學生的概括、遷移思維能力。

三、指向計算思維培養(yǎng)的PBL教學模式實踐探索

根據(jù)指向計算思維培養(yǎng)的PBL教學模式流程設(shè)計，結(jié)合項目實施過程中還需注意的問題，以高中信息技術(shù)枚舉算法項目“解密盛唐時期詩人之間的關(guān)系”為例進行說明。

（一）創(chuàng)設(shè)情境呈現(xiàn)問題，進入情境明確問題。

首先，教師根據(jù)課標及學科教學內(nèi)容，確定項目核心為枚舉算法的基本思想和程序?qū)崿F(xiàn)，明確學業(yè)要求為1.了解枚舉算法，能用流程圖描述該算法;2.理解枚舉算法的編程實現(xiàn)過程;3.認識枚舉算法在學習生活中的應(yīng)用價值。其次，由學生熟識的朋友圈點贊和微博@判斷兩人的關(guān)系入手，創(chuàng)設(shè)情境，引入古代詩人之間的關(guān)系判斷（寫信、題詩……），最后呈現(xiàn)項目問題：“解密盛唐時期詩人之間的關(guān)系”。學生進入問題情境，根據(jù)研究范圍為盛唐詩人，結(jié)合學過的文史知識或查閱資料，明確項目問題為在《全唐詩》中梳理杜甫、李白、王維、孟浩然等幾位詩人之間的關(guān)系。由此，學生在獨特的情境中抽象出項目任務(wù)，明確問題。

（二）準備資源示證新知，劃分小組界定問題。

教師準備好相關(guān)素材資源及數(shù)字化學習環(huán)境，如：《全唐詩》文檔、學習任務(wù)單并安裝好Python編程環(huán)境。然后以查找盛唐時期詩人杜甫@李白的關(guān)系為例，講授演示通過文檔的“查找下一個”方法手動查找兩人關(guān)系（如查找杜甫寫的詩中，題目或詩句中出現(xiàn)李白）。學生以小組為單位，分工合作，在限定時間內(nèi)（如3分鐘）通過唐詩文檔查找出“杜甫、李白、孟浩然、王維、賀知章”五人間的關(guān)系，統(tǒng)計符合條件的個數(shù)并將其題目和相關(guān)詩句填在任務(wù)單上，并繪制詩人關(guān)系圖，以找到個數(shù)多的小組獲勝。通過該項目熱身，讓學生初步認識枚舉算法的基本思想，即針對要解決的問題，逐一列舉它所有可能的情況，逐一判斷哪些符合問題所要求的情況，從而得到問題的解。由此，界定、抽象出項目解決的關(guān)鍵問題：1.逐一列舉，2.逐一判斷。

（三）問題分解制定方案，提供支架方法引導。

項目熱身從人工枚舉入手，既讓學生對枚舉算法原理有了初步理解，又讓學生感受到枚舉算法在實際生活中應(yīng)用的普遍性。但鑒于人工方法速度慢，難于應(yīng)對數(shù)據(jù)量大的全唐詩查找，學生自然想到利用計算機來解決問題。因而將人工枚舉思想自然地類比到計算機的枚舉思想，通過小組頭腦風暴，教師收集問題，經(jīng)判斷、選擇、問題轉(zhuǎn)化，師生一起將關(guān)鍵問題以計算機能處理的方式，形式化分解為三個子問題：一是查找詩人關(guān)系的范圍和對象（唐詩庫，詩人甲、詩人乙），二是確定詩人之間有關(guān)系的條件（詩的作者是甲且題目或詩句中有乙），三是查找結(jié)果（滿足條件的唐詩數(shù)量累加）。結(jié)合教師提供的流程圖工具，小組合作，畫出每一子問題對應(yīng)的流程圖模塊，然后將其歸結(jié)成整個項目問題的解，得出項目問題解決方案，如圖1所示。這一階段讓學生通過頭腦風暴形式化分解問題，用流程圖工具按子問題模塊逐一描述計算機求解詩人關(guān)系的枚舉算法步驟，有利于培養(yǎng)學生分解問題的能力，深入理解算法步驟在計算機解決問題中的作用，培養(yǎng)學生的算法思維能力。

（四）探究實踐調(diào)試修改，觀察取證評估指導。

根據(jù)上述設(shè)計好的項目問題解決方案，本階段的主要任務(wù)是參照流程圖，選用合適的數(shù)據(jù)類型（如列表）編程實現(xiàn)。若考慮到整個程序編寫難度較大，難以在短時間內(nèi)有效突破難點，也可設(shè)計半成品程序，如圖2所示，將加框處代碼挖空，指向枚舉算法的三個關(guān)鍵點：“枚舉范圍”“枚舉對象”“驗證條件”，學生通過小組合作、探究實踐補全半成品的程序，關(guān)注枚舉算法的核心實現(xiàn)，教師巡視觀察，收集學生的階段性成果，為過程評價做好準備。同時針對學生常見的錯誤進行指導（如驗證條件編程時，計算機對邏輯連接詞not、and、or的執(zhí)行有先后順序，故需要在合適的位置加括號）。本階段通過編程并調(diào)試實現(xiàn)算法，既培養(yǎng)了學生解決問題的算法思維能力，也讓學生從技術(shù)學習回歸到真實的問題解決中，給了學生一種基于數(shù)據(jù)研究唐詩的視角，激發(fā)他們后續(xù)綜合應(yīng)用語文、歷史等學科知識進行深入探索研究的興趣。

（五）展示交流迭代遷移，組織評價項目總結(jié)。

項目問題編程實現(xiàn)后，教師組織學生分小組進行匯報分享。各小組闡述項目實施中遇到的最大困難及解決辦法，學生在匯報和傾聽其他小組分享時，反思并借鑒他人經(jīng)驗，進一步提升自己的知識技能，豐富問題解決經(jīng)驗。隨后教師根據(jù)項目實施中學生的知識技能掌握情況以及階段性成果，進行項目總結(jié)性評價，引導學生思考枚舉算法的適用特點。然后，為了進一步促進學生對新知的應(yīng)用，幫助學生對枚舉算法有更全面的認識，教師創(chuàng)設(shè)新的類似問題情境，引導學生將問題解決方法思路遷移運用到新情境問題解決中（如同時梳理三位詩人的關(guān)系，引入三重循環(huán)的研究），培養(yǎng)提升學生的概括、遷移思維能力。

結(jié)束語

本研究根據(jù)課標及其他文獻分析，梳理了計算思維內(nèi)涵和項目學習理論，并結(jié)合高中信息技術(shù)教學實踐，構(gòu)建了指向計算思維培養(yǎng)的PBL教學模式，并以枚舉算法實例項目“解密盛唐時期詩人之間的關(guān)系”為例驗證該模式的有效性。研究發(fā)現(xiàn)，指向計算思維培養(yǎng)的PBL教學模式，能有效整合課堂教學內(nèi)容，在項目問題解決過程中，提升發(fā)展高中學生的計算思維。此外，信息技術(shù)核心素養(yǎng)涵蓋信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新以及信息社會責任，學科教學不僅是教會學生運用計算思維解決問題，還要求發(fā)展核心素養(yǎng)的其他三個方面，因此，如何在不同項目的學習中落實多方面核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，值得進一步研究。

參考文獻

[1]劉曉玉.面向計算思維培養(yǎng)的中學信息技術(shù)PB教學模式研究[J].中國信息技術(shù)教育，2018（1）：34-36.

[2]鐘秋琴.基于項目學習的高中生計算思維發(fā)展策略研究[J].教育信息技術(shù)，2019（12）：27-29.