以計(jì)算思維為導(dǎo)向的中職信息技術(shù)教學(xué)案例設(shè)計(jì)研究
——以程序設(shè)計(jì)入門模塊《認(rèn)識(shí)算法》一課為例

張海青 山東省青島市城陽區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校

2020年1月20日，教育部頒布的《中等職業(yè)學(xué)校信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）明確指出，通過對(duì)信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)，有助于增強(qiáng)學(xué)生的信息意識(shí)，發(fā)展計(jì)算思維，并將計(jì)算思維作為主要學(xué)科思維融入核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)中。課標(biāo)還指出，在具體實(shí)施教學(xué)時(shí)，教師要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提煉計(jì)算思維的形成過程和表現(xiàn)形式，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中經(jīng)歷分析思考、實(shí)踐驗(yàn)證、反饋調(diào)整的過程，逐步形成計(jì)算思維。面對(duì)課標(biāo)的最新要求，中職學(xué)校如何認(rèn)識(shí)計(jì)算思維、如何將計(jì)算思維落實(shí)到課堂教學(xué)實(shí)踐中成了教學(xué)一線教師最為關(guān)注的問題。為此，本文在參考現(xiàn)有計(jì)算思維相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，以中職信息技術(shù)課程《程序設(shè)計(jì)入門》模塊為例，對(duì)計(jì)算思維結(jié)構(gòu)在模塊中的具體化表現(xiàn)進(jìn)行了探討，并在《認(rèn)識(shí)算法》一課中開展了教學(xué)設(shè)計(jì)與具體應(yīng)用。

● 信息技術(shù)課程計(jì)算思維的內(nèi)涵與結(jié)構(gòu)

根據(jù)課標(biāo)的界定，計(jì)算思維是指個(gè)體運(yùn)用信息技術(shù)的思想方法，在分析處理信息、解決問題過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。但這只是一種整體性描述，只涉及計(jì)算思維的內(nèi)涵及要求。計(jì)算思維是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)思維綜合體，要深入認(rèn)識(shí)計(jì)算思維，并將思維過程落實(shí)到課堂教學(xué)實(shí)踐中，必須進(jìn)一步厘清計(jì)算思維的意蘊(yùn)與結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)關(guān)系中理解其具體表現(xiàn)，逐步提煉出隱含在不同教學(xué)內(nèi)容中的計(jì)算思維表現(xiàn)形式。

關(guān)于計(jì)算思維結(jié)構(gòu)的研究，李藝教授團(tuán)隊(duì)提煉了信息技術(shù)課程中的六組思維主題，于穎博士探索了包含六大思維主題的信息技術(shù)課程計(jì)算思維三棱結(jié)構(gòu)，并對(duì)計(jì)算思維結(jié)構(gòu)的要素內(nèi)涵及其關(guān)系進(jìn)行了表征（如下頁圖）。

以此三棱結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，于穎博士依據(jù)高中信息技術(shù)課標(biāo)，探索了計(jì)算思維結(jié)構(gòu)在“數(shù)據(jù)管理與分析”模塊中具體表現(xiàn)的分析方法：首先需要根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，分析模塊的核心特征；其次通過對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵與水平劃分及模塊內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的分析，將相應(yīng)的計(jì)算思維水平描述與內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)條目描述對(duì)應(yīng)到計(jì)算思維各主題中；最后結(jié)合計(jì)算思維水平描述與模塊內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的分析結(jié)果，提煉出模塊計(jì)算思維的具體表現(xiàn)形式。

雖然高中和中職屬于兩種不同的教育類型，但信息技術(shù)課程作為兩個(gè)學(xué)段的公共基礎(chǔ)課，都屬于通識(shí)教育體系，其對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的四個(gè)方面，即信息意識(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)任的內(nèi)涵界定趨向一致，因此，可以借鑒以上計(jì)算思維結(jié)構(gòu)在課程模塊中具體表現(xiàn)的分析方法，來進(jìn)行中職課程模塊的計(jì)算思維具體化。

● 計(jì)算思維在“程序設(shè)計(jì)入門”模塊中的具體表現(xiàn)

1.“程序設(shè)計(jì)入門”模塊主要特征

中職信息技術(shù)課標(biāo)的課程結(jié)構(gòu)，包括8個(gè)必修模塊和10個(gè)拓展模塊，“程序設(shè)計(jì)入門”是必修模塊中的第5部分，與其他模塊相比，它的核心概念、表達(dá)方式和邏輯結(jié)構(gòu)更注重引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用算法和程序設(shè)計(jì)解決問題的能力，以此模塊作為培養(yǎng)計(jì)算思維的試點(diǎn)，可以相對(duì)容易地提煉計(jì)算思維的表現(xiàn)形式，更容易切入實(shí)施。而且，中職生在中小學(xué)有一定的程序知識(shí)基礎(chǔ)，盡管之前的信息技術(shù)課堂課時(shí)少，時(shí)間久，但是他們利用程序設(shè)計(jì)解決問題的意識(shí)并沒有失去，這對(duì)計(jì)算思維的落實(shí)提升大有助益。

2.中職課標(biāo)關(guān)于計(jì)算思維水平的要求

中職課標(biāo)關(guān)于計(jì)算思維的描述，主要體現(xiàn)在三方面：一是在學(xué)科核心素養(yǎng)與課程目標(biāo)中有整體性的描述和要求；二是在課程各模塊內(nèi)容的具體要求和教學(xué)提示中有說明；三是在學(xué)業(yè)質(zhì)量水平劃分方面，將其隱含在質(zhì)量水平描述之中，并與附錄中按照課程內(nèi)容劃分層次要求進(jìn)行了對(duì)應(yīng)，如課程內(nèi)容基本要求對(duì)應(yīng)學(xué)業(yè)水平一、課程內(nèi)容較高要求對(duì)應(yīng)學(xué)業(yè)水平二?？梢哉f，對(duì)于計(jì)算思維的具體表現(xiàn)，盡管中職課標(biāo)有以上三方面的描述，但沒有像高中課標(biāo)那樣從不同的水平等級(jí)進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)致表述，需要教師在開展教學(xué)時(shí)，進(jìn)一步提煉計(jì)算思維的形成過程和表現(xiàn)形式。

信息技術(shù)課程計(jì)算思維三棱結(jié)構(gòu)

3.計(jì)算思維在“程序設(shè)計(jì)入門”模塊中的具體表現(xiàn)

基于高中課標(biāo)中關(guān)于計(jì)算思維水平的劃分，拋開了具體知識(shí)內(nèi)容，是從一般意義上進(jìn)行的計(jì)算思維水平劃分，因此中職模塊可以此為參照，并依據(jù)中職課標(biāo)內(nèi)容與學(xué)業(yè)質(zhì)量要求，遴選適合中職生思維水平的描述，即按照“模塊對(duì)應(yīng)計(jì)算思維水平描述分析（高中課標(biāo)）—模塊內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)（中職課標(biāo)）—模塊計(jì)算思維總體描述—模塊計(jì)算思維具體表現(xiàn)形式”的思路，將其具體化于思維主題中（如下頁表）。

以此具體表現(xiàn)為基礎(chǔ)，“程序設(shè)計(jì)入門”模塊中各部分內(nèi)容蘊(yùn)含的思維主題就能夠比較清晰呈現(xiàn)。筆者參考課標(biāo)12課時(shí)的總體要求，以及內(nèi)容的具體條目、學(xué)業(yè)水平要求和相關(guān)教材資源，設(shè)計(jì)了模塊的初步內(nèi)容劃分、課時(shí)安排，及其對(duì)應(yīng)的思維表現(xiàn)安排，具體如下：

①初識(shí)程序設(shè)計(jì)（2課時(shí)）——主要以了解程序設(shè)計(jì)理念、理解運(yùn)用算法思想解決問題的一般過程為主，對(duì)應(yīng)思維主題主要是抽象建模的對(duì)象與管理思維，以及現(xiàn)實(shí)問題的解決必須遵循一定的步驟和規(guī)則的規(guī)則與安全思維。

②設(shè)計(jì)簡單程序（4課時(shí)）——主要以掌握數(shù)據(jù)的區(qū)分、表示、計(jì)算，程序的流程控制，函數(shù)應(yīng)用，算法的具體實(shí)現(xiàn)為主，對(duì)應(yīng)的思維主題主要以數(shù)據(jù)與計(jì)算、設(shè)計(jì)與制作為主，并滲透了規(guī)則與安全、系統(tǒng)與工程思維。

計(jì)算思維結(jié)構(gòu)在“程序設(shè)計(jì)入門”模塊中的具體表現(xiàn)

③運(yùn)用典型算法（4課時(shí)）——主要以排序、查找、枚舉典型算法，以及功能庫擴(kuò)展程序?yàn)橹鳎栽O(shè)計(jì)與制作為主要思維主題，數(shù)據(jù)與計(jì)算、規(guī)則與安全、系統(tǒng)與工程以及協(xié)作與交互思維滲透在設(shè)計(jì)與制作過程中。

④算法程序的綜合應(yīng)用（2課時(shí)）——主要是對(duì)整個(gè)程序設(shè)計(jì)入門知識(shí)的綜合應(yīng)用，主要以設(shè)計(jì)與制作、系統(tǒng)與工程思維為主體，其他思維主題貫穿其中。

可以說，劃分了大課時(shí)的內(nèi)容安排，在關(guān)注整體思維培養(yǎng)的同時(shí)，更關(guān)注各部分的思維主題及其之間的聯(lián)系。下面，筆者以初識(shí)程序設(shè)計(jì)中第一課《認(rèn)識(shí)算法》為例，來探索具體的單課時(shí)課堂教學(xué)案例設(shè)計(jì)。

● 以計(jì)算思維為導(dǎo)向的教學(xué)案例設(shè)計(jì)

1.確立學(xué)科內(nèi)容主題

《認(rèn)識(shí)算法》的第1課時(shí)引領(lǐng)學(xué)生從無到有理解算法概念，掌握算法解決問題的一般過程，初步具備從算法角度觀察問題、抽象建模，并對(duì)算法進(jìn)行恰當(dāng)描述的對(duì)象與管理思維，將規(guī)則思維滲透其中；第2課時(shí)引入程序設(shè)計(jì)語言，在第1課時(shí)基礎(chǔ)上對(duì)算法的現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)有初步體驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)一步強(qiáng)化和鞏固對(duì)象與管理思維、規(guī)則思維。由此，將課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)為：陳述性知識(shí)——算法、程序概念、算法特征；程序性知識(shí)——從實(shí)際問題中發(fā)現(xiàn)算法、利用算法解決問題的基本過程；策略性知識(shí)——在用算法解決問題過程中需要的主要思維方法，即抽象、建模（不同問題情境）。

2.確立生活內(nèi)容主題

在《認(rèn)識(shí)算法》一課的教學(xué)中，教師選取了新生報(bào)到流程設(shè)計(jì)的生活主題，原因其三：一是學(xué)生作為高一新生，對(duì)入學(xué)報(bào)到的場景記憶猶新，有比較強(qiáng)的心理體驗(yàn)；二是學(xué)生參與了報(bào)到過程中的流程體驗(yàn)，對(duì)算法的理解及流程設(shè)計(jì)的意義能有更多的體會(huì)；三是報(bào)到過程的繳費(fèi)問題作為實(shí)際所需，在日常生活中有普遍的應(yīng)用，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的拓展和遷移。

3.教學(xué)目標(biāo)的確定與表述

《認(rèn)識(shí)算法》一課的目標(biāo)設(shè)計(jì)，不局限于算法的概念、算法解決步驟等學(xué)科知識(shí)問題，而是通過參與設(shè)計(jì)的各種活動(dòng)，如模擬新生報(bào)到、在線繳費(fèi)等，來達(dá)成具體的思維水平。具體表述如下。

學(xué)科知識(shí)：算法的概念與特點(diǎn)；算法解決問題的基本步驟：抽象建模——算法設(shè)計(jì)；流程圖的描述方法。

問題解決：根據(jù)實(shí)際問題要求設(shè)計(jì)合理算法，并進(jìn)行描述。

學(xué)科思維：用算法設(shè)計(jì)的思想考慮真實(shí)情境問題，提煉問題關(guān)鍵要素，進(jìn)行抽象建模。

另外，本課在解決問題過程中需要遵循的基本課堂規(guī)則意識(shí)，師生、生生之間的交互協(xié)作能力，也滲透在對(duì)象與管理思維主題的培養(yǎng)之中，在描述學(xué)科思維目標(biāo)時(shí)不再單獨(dú)列出。

4.教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)和內(nèi)容組織

課堂教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)和內(nèi)容組織一般需要考慮三個(gè)方面：其一，對(duì)于概念或原理等抽象概括性的陳述性知識(shí)，在將其作為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)或應(yīng)用的新知識(shí)時(shí)，需要以生成性的方式存在，如算法的概念，不是籠統(tǒng)地告知教材中已有算法概念的表述，而是將其放在熟悉的報(bào)到場景中，通過角色扮演、觀察分析等活動(dòng)，主動(dòng)生成關(guān)于算法概念的理解，以便納入學(xué)生原有的認(rèn)知體系之中；其二，對(duì)于解決問題的基本過程、方法等程序性知識(shí)，可以通過實(shí)例研討方式，按照從認(rèn)識(shí)到形成，從具體化到一般化的認(rèn)知過程進(jìn)行，如算法解決問題的基本步驟，教師不是直接呈現(xiàn)抽象建模——設(shè)計(jì)算法的基本流程，而是在實(shí)例中通過引導(dǎo)學(xué)生從常規(guī)數(shù)學(xué)思維計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)槔糜?jì)算機(jī)工具來解決問題方式進(jìn)行，并通過多類型場景，強(qiáng)化對(duì)這一認(rèn)識(shí)的鞏固和運(yùn)用；其三，對(duì)于解決不同問題情境或綜合性問題中的算法設(shè)計(jì)等策略性知識(shí)，可以設(shè)置有一定復(fù)雜度的情境或差異化情境，如在運(yùn)用算法流程解決問題的過程中，設(shè)置活動(dòng)拓展，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮自我探索將新生報(bào)到流程設(shè)計(jì)繼續(xù)完善，設(shè)置在線電影票付費(fèi)、有問有答（詢問名字地址）兩個(gè)不同情境，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用抽象建模與流程設(shè)計(jì)的過程來解決問題。

這三種不同的情境設(shè)置，需要豐富的素材儲(chǔ)備，除了教材中的實(shí)例、實(shí)踐應(yīng)用，還可以參考題庫中的例題，以及教師自主設(shè)計(jì)的活動(dòng)主題等。

5.教學(xué)活動(dòng)的組織與實(shí)施

為保持單一課時(shí)的思維目標(biāo)與整個(gè)模塊培養(yǎng)目標(biāo)的統(tǒng)一性和連貫性，筆者將《認(rèn)識(shí)算法》一課納入到整個(gè)模塊學(xué)習(xí)項(xiàng)目（第5模塊——了解算法設(shè)計(jì)與Python程序?qū)崿F(xiàn)）中進(jìn)行活動(dòng)設(shè)計(jì)?？紤]到中職學(xué)生初步接觸程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，各課時(shí)以微項(xiàng)目來組織課堂，鑒于目前教師課堂教學(xué)普遍使用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，因此各課時(shí)將微項(xiàng)目與課堂任務(wù)相結(jié)合，并以任務(wù)形式表述，每個(gè)任務(wù)下設(shè)相應(yīng)的多個(gè)活動(dòng)，每個(gè)活動(dòng)明確活動(dòng)要求，并設(shè)置活動(dòng)基本流程。在活動(dòng)開展過程中，為便于思維引導(dǎo)及活動(dòng)的過渡，每個(gè)活動(dòng)開始之前設(shè)計(jì)一個(gè)引領(lǐng)性問題。以下是《認(rèn)識(shí)算法》一課的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。

情境體驗(yàn)：觀看新生報(bào)到視頻，思考報(bào)到中的流程問題。

問題1：什么是算法？它與算術(shù)、程序設(shè)計(jì)有什么關(guān)系？

活動(dòng)一：模擬新生報(bào)到簽到。

活動(dòng)要求：觀看學(xué)生扮演新生報(bào)到的過程，思考報(bào)到的步驟與特點(diǎn)。

活動(dòng)開展：探討新生報(bào)到簽到過程可以分解為哪幾步；思考新生報(bào)到中遇到一些特殊情況怎么處理；理解算法、算術(shù)和程序設(shè)計(jì)的關(guān)系；辨析算法的主要特點(diǎn)，并總結(jié)。

問題2：如何從算法的角度思考解決問題？

活動(dòng)二：新生入校在線繳費(fèi)。

活動(dòng)要求：學(xué)生入校需要購買校服、書本，并繳納一個(gè)月飯費(fèi)，現(xiàn)在想通過手機(jī)APP在線方式繳費(fèi)，如何計(jì)算付款金額？

活動(dòng)開展：分析計(jì)算金額涉及的要素——問題抽象；用數(shù)學(xué)符號(hào)描述計(jì)算模型——建模；設(shè)計(jì)算法——算法描述（用自然語言描述在線繳費(fèi)的步驟；用流程圖描述——手畫/Raptor可視化流程圖繪制）。

活動(dòng)拓展：完善新生報(bào)到流程算法設(shè)計(jì)（學(xué)生——繳費(fèi)）。

活動(dòng)三：生活中的算法分析。

活動(dòng)要求：設(shè)計(jì)網(wǎng)購電影票，顯示付款金額算法/設(shè)計(jì)有問有答（詢問名字地址）算法；

活動(dòng)開展：①根據(jù)設(shè)計(jì)步驟提示，完成實(shí)例算法過程；②探討生活中類似的問題算法；③Raptor流程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)語言一覽。

課堂小結(jié)：思維導(dǎo)圖梳理算法要點(diǎn)。

課后作業(yè)：課后繼續(xù)完善報(bào)道流程，鞏固算法設(shè)計(jì)能力；學(xué)有余力學(xué)生思考變量設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，提供探究入口。

● 案例應(yīng)用效果及反思

為了解本節(jié)課的實(shí)際應(yīng)用效果，筆者選擇一個(gè)班級(jí)學(xué)生通過課前問卷、課堂觀察及課后問卷形式加以反饋。從整體上來看，與常規(guī)課堂相比，學(xué)生的積極性明顯提高，課堂思考的機(jī)會(huì)增多，思考的程度也明顯加深；從學(xué)生個(gè)體來看，存在一定差異，有的學(xué)生理解能力好，能即刻響應(yīng)教師，有的相對(duì)較慢，需要教師的指導(dǎo)，因此教師需要實(shí)時(shí)關(guān)注，及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度，并合理設(shè)置合作學(xué)習(xí)。

總體而言，經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)和反復(fù)探索，本節(jié)課的教學(xué)實(shí)施達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。不過，以計(jì)算思維為導(dǎo)向的課堂設(shè)計(jì)實(shí)施，由于特別強(qiáng)調(diào)了學(xué)科思維的重要性，其對(duì)師生的要求都有所提高。特別是對(duì)于絕大部分中職生來說，僅僅通過一兩次問題解決活動(dòng)還不足以內(nèi)化并形成穩(wěn)定的計(jì)算思維素養(yǎng)，需要通過多次主體活動(dòng)、反復(fù)經(jīng)歷計(jì)算思維過程才能最終形成，這些在后續(xù)的課堂設(shè)計(jì)實(shí)施中，需要特別關(guān)注。