基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的高中生計(jì)算思維培養(yǎng)研究

建丹鳳，王 帆

（1.江蘇師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校，江蘇徐州 222100；2.江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院，江蘇徐州 222100）

計(jì)算思維作為一種獨(dú)特的認(rèn)識(shí)世界、解決問(wèn)題、表達(dá)自我的思維方式，已經(jīng)成為人們適應(yīng)信息社會(huì)的必備技能。隨著2019版信息技術(shù)教材的全面實(shí)施，意味著每一位教師都必須擔(dān)負(fù)起以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的高中信息技術(shù)課堂教學(xué)改革的時(shí)代重任。計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，不僅是信息技術(shù)課堂教學(xué)走向內(nèi)涵發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo)，更是信息技術(shù)學(xué)科育人價(jià)值的不懈追求。普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新課標(biāo)）倡導(dǎo)教師采用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，將知識(shí)建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入到運(yùn)用數(shù)字化工具解決問(wèn)題和完成任務(wù)的過(guò)程中[1]。這與新課標(biāo)中對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)要求不謀而合。

經(jīng)過(guò)一輪輪圍繞新課程標(biāo)準(zhǔn)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，一線教師已經(jīng)能夠認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維培養(yǎng)和項(xiàng)目學(xué)習(xí)對(duì)信息課堂內(nèi)涵發(fā)展的重要意義，但仍有教師對(duì)計(jì)算思維和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的理解流于表面，僅停留在字面意思的理解和揣測(cè)層面。在實(shí)際的教學(xué)中，許多一線教師在自主教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂實(shí)踐時(shí)仍是一籌莫展，在理論認(rèn)識(shí)和課程實(shí)踐之間存在著“斷崖式”的心理天塹。如何充分利用項(xiàng)目學(xué)習(xí)的課程理念發(fā)展高中學(xué)生的計(jì)算思維？本研究試圖在項(xiàng)目學(xué)習(xí)理念的基礎(chǔ)上結(jié)合計(jì)算思維內(nèi)涵特征來(lái)構(gòu)建教學(xué)策略，開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。

一、相關(guān)概念

（一）計(jì)算思維

2006年周以真教授在《Computational Thinking》中正式提出計(jì)算思維后，國(guó)內(nèi)外研究者們從不同的角度對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行解讀，主要有三種不同的觀點(diǎn)：一種是基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的專(zhuān)業(yè)視角，強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)性。如：布倫南（Brennan）和雷斯尼克（Resnick）提出的包括計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀點(diǎn)的計(jì)算思維三維框架。一種是基于分項(xiàng)能力表征下的功能性視角，側(cè)重于對(duì)計(jì)算思維內(nèi)部的解構(gòu)與認(rèn)識(shí)。如：新課標(biāo)指出具備計(jì)算思維的學(xué)生，能夠用計(jì)算機(jī)可以處理的方式形式化問(wèn)題、抽象問(wèn)題，建立模型、分析和組織數(shù)據(jù)、形成問(wèn)題解決方案并迭代優(yōu)化、解決方案系統(tǒng)化和遷移六個(gè)自能力[2]。另一種是基于跨學(xué)科、多領(lǐng)域融合的綜合視角，將計(jì)算思維視為智能時(shí)代人類(lèi)解決復(fù)雜問(wèn)題的一種必備的工具性思維。如：以周以真教授為代表，將計(jì)算思維提升到與“讀”“寫(xiě)”“算”同等重要的位置，視為21世紀(jì)必備的“4R”普適技能。陳國(guó)良院士則認(rèn)為“計(jì)算思維是一種世界觀和方法論，是一種通過(guò)科學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然世界和社會(huì)及人類(lèi)行為的全面和深刻理解的一種更為深遠(yuǎn)和本質(zhì)的內(nèi)容”，將計(jì)算思維的內(nèi)涵推向了人類(lèi)智慧的更高、更遠(yuǎn)、更深處。

綜合分析國(guó)內(nèi)外研究者的觀點(diǎn)，本研究認(rèn)為對(duì)高中生計(jì)算思維的培養(yǎng)就是發(fā)展學(xué)生在面對(duì)問(wèn)題情境時(shí)主動(dòng)運(yùn)用計(jì)算思維方法要素思考并解決問(wèn)題的能力，逐漸凝合為學(xué)生的素養(yǎng)[3]。具體來(lái)說(shuō)，就是在解決問(wèn)題的過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用分解、算法思維、評(píng)估、抽象、概括、迭代等計(jì)算思維要素，按照明確問(wèn)題、分解問(wèn)題、抽象、繪制模型、算法開(kāi)發(fā)、遷移的思維過(guò)程探究問(wèn)題解決方案并實(shí)施，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。

（二）項(xiàng)目學(xué)習(xí)

項(xiàng)目學(xué)習(xí)（Project-based learning）是一種學(xué)習(xí)方式，給學(xué)生提供的真實(shí)且富有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜問(wèn)題情境，推動(dòng)學(xué)生在活動(dòng)中進(jìn)行問(wèn)題解決、決策、實(shí)踐以及反思[4]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)亦是一種建構(gòu)性的教學(xué)方式，教師將學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)項(xiàng)目化，指導(dǎo)學(xué)生基于真實(shí)情景而提出，并利用相關(guān)知識(shí)與信息資料開(kāi)展研究、設(shè)計(jì)和時(shí)間操作，最終解決問(wèn)題并展示和分享項(xiàng)目成果[5]。

項(xiàng)目學(xué)習(xí)在很大程度上還原了學(xué)習(xí)的本質(zhì)[6]，強(qiáng)調(diào)學(xué)生面對(duì)項(xiàng)目問(wèn)題情境時(shí)的問(wèn)題解決能力，通過(guò)“思考-行動(dòng)-反思-再行動(dòng)”的迭代活動(dòng)中建構(gòu)新知和發(fā)展靈活的心智遷移能力。項(xiàng)目學(xué)習(xí)一般包含項(xiàng)目選定、方案設(shè)計(jì)、協(xié)作探究、形成作品、成果交流和項(xiàng)目評(píng)價(jià)六個(gè)基本步驟。

二、基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的高中生計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

（一）計(jì)算思維在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的體現(xiàn)

計(jì)算思維作為一種問(wèn)題解決的思維活動(dòng)和思維方式，需要在解決問(wèn)題的過(guò)程中通過(guò)不斷經(jīng)歷分析思考、實(shí)踐求證、反饋調(diào)試而逐步形成。項(xiàng)目學(xué)習(xí)則是以真實(shí)的問(wèn)題情境為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)豐富的項(xiàng)目活動(dòng)推動(dòng)學(xué)生持續(xù)的學(xué)習(xí)實(shí)踐。新課標(biāo)指出計(jì)算思維在解決問(wèn)題時(shí)一般需經(jīng)歷明確問(wèn)題、分解問(wèn)題、抽象、繪制模型、算法開(kāi)發(fā)、遷移六個(gè)思維過(guò)程，這與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的六個(gè)基本步驟趨同。因此，在信息技術(shù)課程中采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)高中生的計(jì)算思維是“表現(xiàn)與思維的有機(jī)結(jié)合，形式與內(nèi)容的和諧統(tǒng)一”。[7]一方面項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為計(jì)算思維的訓(xùn)練提供給了應(yīng)用載體，另一方面作為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)內(nèi)在線索，計(jì)算思維豐富了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的理論內(nèi)涵。本研究中項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式的運(yùn)用與計(jì)算思維過(guò)程之間的映射關(guān)系如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與計(jì)算思維的“雙螺旋”關(guān)系圖

（二）基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)

在文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，本研究在高中信息技術(shù)教材（教科版2019年）中蘊(yùn)含的“項(xiàng)目-任務(wù)-活動(dòng)”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)三層教學(xué)框架的基礎(chǔ)上，提出了“項(xiàng)目-任務(wù)-活動(dòng)-評(píng)價(jià)”四層結(jié)構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)框架[8]（如圖2）。其中，第一層是項(xiàng)目層；第二層是任務(wù)層，以計(jì)算思維的一般過(guò)程為主線，將項(xiàng)目任務(wù)分解為六個(gè)相互遞進(jìn)的子任務(wù)，所有任務(wù)均指向項(xiàng)目問(wèn)題的最終解決；第三層是活動(dòng)層，將項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)一步細(xì)化為若干個(gè)簡(jiǎn)單易操作的學(xué)習(xí)活動(dòng)，所有的學(xué)習(xí)活動(dòng)都聚焦于相關(guān)任務(wù)的完成；第四層是評(píng)價(jià)層，通過(guò)項(xiàng)目評(píng)價(jià)帶領(lǐng)學(xué)生回顧項(xiàng)目過(guò)程、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、迭代完善項(xiàng)目活動(dòng)。

圖2 基于PBL的計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)框架

1.項(xiàng)目引入—?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境、明確問(wèn)題

項(xiàng)目情境越貼近學(xué)生的生活、越有趣，項(xiàng)目任務(wù)要求越清晰就越有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以保持項(xiàng)目學(xué)習(xí)的動(dòng)力。項(xiàng)目情境的描述和選擇可以遵從以下幾個(gè)方面：第一，在項(xiàng)目情境中蘊(yùn)含相對(duì)完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生透過(guò)項(xiàng)目情境看到項(xiàng)目學(xué)習(xí)的成果。第二，讓學(xué)生在“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)做項(xiàng)目，項(xiàng)目情境應(yīng)具有挑戰(zhàn)性，讓學(xué)生在“跳一跳，摘得到”的問(wèn)題情境中增長(zhǎng)智慧、體驗(yàn)成長(zhǎng)的快樂(lè)、感受生命的明亮。第三，項(xiàng)目活動(dòng)應(yīng)該具有開(kāi)放性，支持不同層次的學(xué)生擴(kuò)展自己學(xué)習(xí)的廣度和深度，允許學(xué)生創(chuàng)造性地學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題。比如，在《探究數(shù)據(jù)編碼的奧秘》時(shí)，教師可以利用二進(jìn)制的原理設(shè)計(jì)一個(gè)“心靈魔術(shù)”，邀請(qǐng)學(xué)生一起參與魔術(shù)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、推動(dòng)項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展。

2.項(xiàng)目分析—分解問(wèn)題、抽象特征

分解是計(jì)算思維中最基本的方法之一，抽象是計(jì)算思維的核心本質(zhì)。運(yùn)用分解的思維方法可以幫助學(xué)生將復(fù)雜真實(shí)且具有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目問(wèn)題分解為一個(gè)個(gè)小的任務(wù)問(wèn)題。運(yùn)用抽象的思維方法可以幫助學(xué)生從真實(shí)復(fù)雜的問(wèn)題情境中抓住問(wèn)題的關(guān)鍵特征，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵特征的分析和形式化表達(dá)有助于形成解決問(wèn)題的方案。比如在“早起簽到賺積分”項(xiàng)目中引導(dǎo)學(xué)生使用分解的計(jì)算思維方法，根據(jù)早起簽到賺積分程序的功能要求，確定已知和所求結(jié)果之間所需的條件，將問(wèn)題逐步細(xì)化分解為可理解、可表示、可解決的小問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)據(jù)條件進(jìn)行抽象化表示（如表1）。

表1 問(wèn)題分解及抽象特征示例

3.項(xiàng)目設(shè)計(jì)—建立模型、設(shè)計(jì)方案

學(xué)生根據(jù)分解的問(wèn)題，建立問(wèn)題解決的核心模型，制定項(xiàng)目問(wèn)題的解決方案，細(xì)化解決問(wèn)題的具體步驟和人員安排等，按照計(jì)劃有條理地逐步攻克問(wèn)題。制定的學(xué)習(xí)方案越詳細(xì)越有助于項(xiàng)目的具體實(shí)施，方案內(nèi)容應(yīng)包含項(xiàng)目具體的時(shí)間計(jì)劃和項(xiàng)目?jī)?nèi)容流程，時(shí)間計(jì)劃是對(duì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)各階段開(kāi)展所需的時(shí)間作一個(gè)整體的規(guī)劃，內(nèi)容流程是羅列需要完成的步驟和組員分工安排等。例如，在“停課不停學(xué)—頒獎(jiǎng)會(huì)”項(xiàng)目的這一環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)小組的實(shí)際情況進(jìn)行項(xiàng)目方案的設(shè)計(jì)（如圖3）。

圖3 學(xué)生方案作品示例

4.項(xiàng)目實(shí)踐—協(xié)作探究、制作作品

運(yùn)用計(jì)算思維方法和策略引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地解決項(xiàng)目問(wèn)題，提供項(xiàng)目知識(shí)學(xué)習(xí)和資源的支持是這一環(huán)中教師主要工作。把握好教師和學(xué)生的定位，關(guān)系到這一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)效果和質(zhì)量，也決定著整個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)的成敗與高低。通俗地講，教師在這一環(huán)節(jié)不是一桶水的“知識(shí)灌溉”更不是自來(lái)水的“放任自流”，而是學(xué)生在探究項(xiàng)目問(wèn)題解決過(guò)程中的思維“拐杖”和照亮黑暗的“燈塔”。隨著項(xiàng)目開(kāi)展，學(xué)生一般會(huì)經(jīng)歷“山重水復(fù)疑無(wú)路、柳暗花明又一村”的驚喜，在“為伊消得人憔悴，衣帶漸寬終不悔”的堅(jiān)持中，收獲“眾里尋他千百度、漠然回首那人卻在燈火闌珊處”的喜悅與成長(zhǎng)。

5.成果展示—分享交流、反饋評(píng)價(jià)

在成果展示環(huán)節(jié)，教師組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行成果展示，在有些項(xiàng)目中可以根據(jù)情況將這一環(huán)節(jié)的組織交給學(xué)生，比如在“停課不停學(xué)—頒獎(jiǎng)會(huì)籌劃”項(xiàng)目中，可以讓學(xué)生自己組織頒獎(jiǎng)會(huì)，教師做學(xué)生的“幫手”，幫助學(xué)生購(gòu)買(mǎi)和籌集頒獎(jiǎng)會(huì)的獎(jiǎng)品、名單打印等服務(wù)性工作。成果展示環(huán)節(jié)，教師要組織學(xué)生細(xì)心認(rèn)真聽(tīng)取各組的匯報(bào)，遵守傾聽(tīng)禮儀，觀察各組展示階段的表現(xiàn)并進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)量表的使用可以幫助教師和學(xué)生更加客觀地看到項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中的得與失。本研究參照高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017）《項(xiàng)目活動(dòng)評(píng)價(jià)表》進(jìn)行學(xué)生作品的評(píng)價(jià)。

6.項(xiàng)目跟進(jìn)—反思遷移、拓展提升

在這一環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生將在項(xiàng)目中獲得的方法和經(jīng)驗(yàn)遷移至新的問(wèn)題情境中，并為學(xué)生的項(xiàng)目遷移創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)環(huán)境、預(yù)留遷移時(shí)間、提供資源支持?！斑w移”既可以是對(duì)項(xiàng)目功能的進(jìn)一步完善，也可以是將知識(shí)運(yùn)用在新情境中。

三、基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的高中生計(jì)算思維培養(yǎng)的效果分析

（一）實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)選取X市一所創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)校高一年級(jí)的學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。本研究通過(guò)設(shè)置對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)班開(kāi)展《“停課不停學(xué)”頒獎(jiǎng)會(huì)籌劃項(xiàng)目》《“早起簽到賺積分”程序設(shè)計(jì)》《揭開(kāi)手機(jī)與電視同屏的面紗》項(xiàng)目學(xué)習(xí)，每個(gè)項(xiàng)目4課時(shí)，共12課時(shí)。利用問(wèn)卷調(diào)查的方式收集并分析對(duì)照組班級(jí)項(xiàng)目學(xué)習(xí)前后學(xué)生的計(jì)算思維水平的變化，以驗(yàn)證基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的高中生計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)策略的有效性。

（二）問(wèn)卷編制

本研究中采用的計(jì)算思維前、后測(cè)問(wèn)卷是根據(jù)CTS和CTS-K12改編的。CTS量表是阿瑪西亞大學(xué)?zgen Korkmaz學(xué)者根據(jù)ISTE提出的計(jì)算思維理論框架，從創(chuàng)造力、算法思維、協(xié)作性、批判性思維和問(wèn)題解決五個(gè)維度量化專(zhuān)科和大學(xué)生的計(jì)算思維水平，共29道題。CTS量表為李克特五級(jí)量表，以計(jì)分方式統(tǒng)計(jì)，1-5分別代表不同程度，其中1分表示非常不符合，2分表示不符合，3分表示基本符合，4分表示符合，5分表示非常符合。我國(guó)學(xué)者白雪梅和顧小清在此基礎(chǔ)上做了適合我國(guó)中學(xué)生計(jì)算思維水平測(cè)量的改編，刪除了7個(gè)不適合K-12階段的題目，并對(duì)其語(yǔ)言表述進(jìn)行了母語(yǔ)化的轉(zhuǎn)意與潤(rùn)色，修改后的CTS-K12共有22道題。本研究的問(wèn)卷在CTS-K12的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的細(xì)化和完善形成。計(jì)算思維的后測(cè)量表與前測(cè)量表的題號(hào)相同，僅對(duì)題目的表述進(jìn)行了微調(diào)，將部分題目的前面增加了“通過(guò)這段時(shí)間的學(xué)習(xí)”，便于學(xué)生更好的判斷量表的題目情境。

（三）數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)前，向高一年級(jí)所有班級(jí)發(fā)放計(jì)算思維前測(cè)問(wèn)卷，通過(guò)分析各班的計(jì)算思維水平、班級(jí)人數(shù)及男女比例情況，確定1班和5班分別作為實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)問(wèn)卷星平臺(tái)向?qū)嶒?yàn)班和對(duì)照班的學(xué)生發(fā)放計(jì)算思維水平后測(cè)量表，將實(shí)驗(yàn)前后測(cè)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（如表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班計(jì)算思維水平量表前后測(cè)結(jié)果

通過(guò)表2可以分析得出，實(shí)驗(yàn)前后實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的計(jì)算思維水平的5個(gè)維度均發(fā)生了變化，呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。其中，在問(wèn)題解決和協(xié)作性方面增長(zhǎng)最為顯著，批判性思維和算法思維次之，創(chuàng)造力的進(jìn)步最小。表明了基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的計(jì)算思維教學(xué)設(shè)計(jì)策略對(duì)高中學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展具有正向的促進(jìn)作用，尤其在問(wèn)題解決和協(xié)作性兩個(gè)維度上提升效果明顯[9]。需要關(guān)注的是，與計(jì)算思維最為密切相關(guān)的算法思維雖有所增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢，這也充分反映了對(duì)思維的培養(yǎng)尤其是對(duì)高中生算法思維的培養(yǎng)需要長(zhǎng)期的教學(xué)堅(jiān)持。

四、結(jié)語(yǔ)

本研究在文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，梳理了計(jì)算思維和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵特征，構(gòu)建了基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的高中生計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)策略，通過(guò)項(xiàng)目案例的實(shí)施以驗(yàn)證其有效性。研究發(fā)現(xiàn)：“項(xiàng)目-任務(wù)-活動(dòng)-評(píng)價(jià)”四層教學(xué)設(shè)計(jì)策略對(duì)高中生的計(jì)算思維培養(yǎng)具有正向的促進(jìn)作用，尤其是在問(wèn)題解決和協(xié)作性兩個(gè)維度上提升效果顯著。同時(shí)需要認(rèn)識(shí)到，對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)尤其是對(duì)學(xué)生算法思維的培養(yǎng)需要長(zhǎng)期的教學(xué)堅(jiān)持。由于受到時(shí)間和研究者能力的限制，基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)策略及相關(guān)的教學(xué)案例仍需進(jìn)一步深化和完善，以提高策略的推廣價(jià)值。