指向計(jì)算思維發(fā)展的Python語言跨學(xué)段銜接教學(xué)實(shí)證研究

摘要：本文深入探討了中小學(xué)信息科技課程中Python語言教育對學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的影響，提出了Python語言在小初高不同學(xué)段的教學(xué)建議，以及以計(jì)算思維為主線的教學(xué)支持策略，并以《計(jì)算機(jī)解決問題的過程》一課為例進(jìn)行具體闡述。

關(guān)鍵詞：Python語言；計(jì)算思維；跨學(xué)段銜接；教學(xué)實(shí)證

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）20-0000-03

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）[1]提出的核心素養(yǎng)與高中階段的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)保持了一致性，新課標(biāo)對核心素養(yǎng)在不同教育階段的具體表現(xiàn)也進(jìn)行了明確。計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的一個重要組成部分[2]，其核心要素包括分解、模式識別、抽象、算法設(shè)計(jì)、建模、調(diào)試和泛化。編程語言是計(jì)算思維培養(yǎng)的有效載體，在眾多編程語言中，Python因具有易入門、重算法、輕語法以及強(qiáng)大的庫支持等優(yōu)點(diǎn)，為解決復(fù)雜問題提供了便利，所以，非常適合在小學(xué)、初中和高中三個學(xué)段開展教學(xué)。

Python語言在不同學(xué)段的教學(xué)建議

①小學(xué)階段，小學(xué)低年級應(yīng)進(jìn)行圖形化編程的實(shí)訓(xùn)和積木思維，在小學(xué)高年級引入Python語言，應(yīng)聚焦于激發(fā)學(xué)生的興趣，通過使用游戲化和故事化教學(xué)，教授基礎(chǔ)編程概念，如序列、循環(huán)和條件判斷。同時，鼓勵學(xué)生動手實(shí)踐，通過使用Python控制機(jī)器人或制作動畫，以及設(shè)計(jì)跨學(xué)科項(xiàng)目，將編程與數(shù)學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科結(jié)合，體驗(yàn)Python程序的高效性。

②初中階段，建議Python語言的教學(xué)轉(zhuǎn)向更加系統(tǒng)化的知識傳授，包括Python的基本語法等。通過問題解決導(dǎo)向的項(xiàng)目，鼓勵學(xué)生應(yīng)用Python解決實(shí)際問題，培養(yǎng)他們的批判性思維和團(tuán)隊(duì)合作能力。此外，探索Python在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，如科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)分析，可以拓寬學(xué)生的視野，并為高中階段的深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

③高中階段，Python語言的教學(xué)應(yīng)深入到高級編程概念，如面向?qū)ο缶幊獭惓Ｌ幚?、模塊化編程及基礎(chǔ)算法階段，同時鼓勵學(xué)生參與開源項(xiàng)目和個人項(xiàng)目開發(fā)，提升編程實(shí)踐能力。進(jìn)一步拓展跨學(xué)科應(yīng)用，讓學(xué)生了解Python在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中的重要性。通過參與編程競賽和挑戰(zhàn)，提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。

通過分學(xué)段的教學(xué)，可以使學(xué)生在不同學(xué)習(xí)階段獲得適宜的Python語言教育，奠定編程基礎(chǔ)，并培養(yǎng)計(jì)算思維能力，提升核心素養(yǎng)。

指向計(jì)算思維培養(yǎng)的中小學(xué)Python語言教學(xué)流程及教學(xué)策略

1.計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)流程設(shè)計(jì)

筆者通過研究分析，并結(jié)T2/qXNhdqO0B+FmQdynKRQ==合實(shí)踐，將指向計(jì)算思維培養(yǎng)的中小學(xué)Python語言教學(xué)流程設(shè)計(jì)為五個環(huán)節(jié)：①融合生活，確定項(xiàng)目。②分析項(xiàng)目，制訂計(jì)劃。③科學(xué)探究，合作學(xué)習(xí)。④項(xiàng)目實(shí)踐，編程設(shè)計(jì)。⑤分享交流，評價總結(jié)。

2.計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)策略構(gòu)建

筆者對計(jì)算思維培養(yǎng)的具體維度進(jìn)行細(xì)化，構(gòu)建出計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)策略：①創(chuàng)設(shè)多樣化且真實(shí)的項(xiàng)目情境。②注重教師的啟發(fā)引導(dǎo)作用。③有機(jī)結(jié)合自主學(xué)習(xí)和小組合作。④提供優(yōu)質(zhì)且多樣化的學(xué)習(xí)資源。⑤充分利用可視化認(rèn)知工具。⑥計(jì)算思維評價方式的多元化。

Python語言助力學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的效度驗(yàn)證

下面，筆者以高中信息技術(shù)必修1第二單元“編程計(jì)算”中的《計(jì)算機(jī)解決問題的過程》一課為例，對Python語言助力學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展進(jìn)行效度驗(yàn)證。

本課的教學(xué)目標(biāo)為：①了解計(jì)算機(jī)解決問題的過程；②了解流程圖的規(guī)范表示方法，學(xué)會使用自然語言和流程圖描述算法；③了解算法的三種基本結(jié)構(gòu)。學(xué)生在小學(xué)、初中階段經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，已經(jīng)熟練掌握了Python語言的基本語法，學(xué)會了用Python語言解決實(shí)際問題的方法，為高中階段在Python語言項(xiàng)目實(shí)施中鍛煉和培養(yǎng)計(jì)算思維奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。筆者以“360健康助手功能設(shè)計(jì)”為主題，通過項(xiàng)目引入、項(xiàng)目分析、編程實(shí)現(xiàn)、項(xiàng)目評估等教學(xué)流程，在問題解決過程中培養(yǎng)學(xué)生分解、抽象、建模、算法設(shè)計(jì)、評估等計(jì)算思維能力。通過本課的抽樣實(shí)施，結(jié)合樣本實(shí)證及調(diào)研量表數(shù)據(jù)反饋，進(jìn)一步證實(shí)Python語言對計(jì)算思維培養(yǎng)的助力。

1.項(xiàng)目引入（情境導(dǎo)入）

筆者引導(dǎo)學(xué)生通過查看360安全衛(wèi)士中的健康助手，檢驗(yàn)健康助手的功能，并以其中的功能——“定時休息”為研究對象。

2.項(xiàng)目分析

活動1：健康助手“定時休息”功能。

筆者引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識定時休息功能，讓學(xué)生應(yīng)用自己的知識表達(dá)解決問題的過程，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，并通過各小組代表的描述完成問題的結(jié)構(gòu)化。

活動2：使用流程圖描述算法。

讓學(xué)生明確算法要解決的問題以及輸入和輸出的數(shù)據(jù)。將問題分解成一系列具體的步驟，每個步驟對應(yīng)流程圖中的一個節(jié)點(diǎn)。避免使用模糊的描述，確保每個步驟的含義明確。

活動3：自然語言與流程圖轉(zhuǎn)換。

各小組將自然語言表達(dá)與流程圖轉(zhuǎn)換，引導(dǎo)學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化的解決問題的思路，通過結(jié)構(gòu)化的表達(dá)，使項(xiàng)目問題更加明晰。

3.編程實(shí)現(xiàn)

活動4：認(rèn)識Python的界面與基本操作。

學(xué)生通過知識遷移、類記事本、流程圖的程序表達(dá)的思路，體驗(yàn)程序運(yùn)行，認(rèn)識部分代碼以及Python編程規(guī)范。

①體驗(yàn)：Python程序“2.1_Time.py”，實(shí)現(xiàn)滿足30分鐘進(jìn)行提醒，并打開音樂網(wǎng)（可自選）；②初識：通過代碼分析，初步認(rèn)識相關(guān)代碼規(guī)范以及相應(yīng)的功能；③嘗試：通過修改代碼為滿足1小時，休息5分鐘，打開音樂網(wǎng)（參照“廖雪峰的Python網(wǎng)站”）；④反思：Python程序設(shè)計(jì)語言與小學(xué)階段的圖形化編程以及個人學(xué)習(xí)過的語言有何區(qū)別？有什么優(yōu)缺點(diǎn)？Python語言的特點(diǎn)是什么？

活動5：流程圖的編碼表達(dá)，實(shí)現(xiàn)編程的過程。

筆者引導(dǎo)學(xué)生通過簡單修改代碼實(shí)現(xiàn)不同的功能，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在體驗(yàn)中學(xué)生認(rèn)識了Python的基礎(chǔ)知識，通過Python語言體驗(yàn)，感受偽代碼的本質(zhì)。

4.項(xiàng)目評估

筆者引導(dǎo)學(xué)生通過模型分析三種基本結(jié)構(gòu)（如下頁圖1），以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

5.研究過程及方法

計(jì)算思維量表構(gòu)建過程的三個階段[3]分為基于新課標(biāo)的量表初步開發(fā)、收斂混合方法的量表驗(yàn)證與修訂，以及樣本實(shí)證調(diào)研的量表檢驗(yàn)與確立。

（1）基于新課標(biāo)的量表初步開發(fā)。①確定框架及人員。②項(xiàng)目池的確定。③題項(xiàng)審核。④初始量表的確定。

（2）收斂混合方法的使用。在量表的驗(yàn)證與修訂階段將同時收集基于專家教授和課題團(tuán)隊(duì)骨干審查的定性數(shù)據(jù)和基于試點(diǎn)調(diào)研的定量數(shù)據(jù)，并確定相應(yīng)的題項(xiàng)標(biāo)記標(biāo)準(zhǔn)，最后通過收斂分析兩種數(shù)據(jù)的重疊和互補(bǔ)視圖，對被標(biāo)記的題項(xiàng)進(jìn)行審查、刪除或修改。經(jīng)過兩輪的收斂混合驗(yàn)證與修訂，專家和課題lc7wumotVKGqaPA0nJoTsQ==團(tuán)隊(duì)組對量表的認(rèn)同度和調(diào)研數(shù)據(jù)分析結(jié)果逐漸趨同，且量表表現(xiàn)出較高的有效性。

（3）樣本應(yīng)用檢驗(yàn)。筆者選擇所在學(xué)校高一年級學(xué)生進(jìn)行課堂實(shí)施和數(shù)據(jù)分析，高一4個平行班，共253人，男生占76.28%，女生占23.72%。筆者采用問卷星進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，運(yùn)用SPSS和Mplus對回收的有效問卷進(jìn)行分析，通過計(jì)算 Cronbach's α系數(shù)和折半信度系數(shù)來評估整體量表及分維度量表的信度（如上表）。從結(jié)構(gòu)效度和聚斂效度兩個指標(biāo)分析來看，總量表5個維度的α系數(shù)和折半信度系數(shù)均超0.8，說明有較好的信度，具有良好的聚合效度和結(jié)構(gòu)效度來檢驗(yàn)計(jì)算思維。

同時，筆者從學(xué)生性別、年齡、學(xué)段、區(qū)域等因素入手，從形態(tài)等值、負(fù)荷等值和尺度等值上進(jìn)行分析，均達(dá)到理想水平。應(yīng)用本次測評工具是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的基礎(chǔ)，也是檢驗(yàn)培養(yǎng)成果的工具和手段，經(jīng)驗(yàn)證具有較的信效度。

結(jié)束語

筆者通過實(shí)證分析，深入探討了Python在中小學(xué)信息科技課程中對計(jì)算思維培養(yǎng)的有效性。研究結(jié)果表明，Python不僅是一種技術(shù)工具，更是一個強(qiáng)有力的認(rèn)知思維性工具，能夠顯著提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]任友群，黃榮懷，熊璋.從信息技術(shù)到信息科技——關(guān)于《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的對話[J].課程·教材·教法，2022，42（12）：21-31.

[3]張屹，陳鄧康，付衛(wèi)東，等.基于新課標(biāo)的中小學(xué)生計(jì)算思維量表構(gòu)建研究[J].電化教育研究，2024，45（03）：90-98.

本文系江蘇省“十四五”中小學(xué)教學(xué)研究課題“指向計(jì)算思維發(fā)展的Python語言學(xué)習(xí)支持策略的研究”（課題編號：2021JY14-L32）的階段性研究成果。