融入工程思維的高中信息技術(shù)模塊化程序設(shè)計教學(xué)實踐

中圖分類號：G434文獻標(biāo)識碼：A論文編號：1674-2117（2025）12—0053-04

為了適應(yīng)社會發(fā)展以及人才培養(yǎng)的新趨勢，普通高中各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)相繼發(fā)布，其中《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》從社會對創(chuàng)新型人才的強烈需求出發(fā)，將工程思維明確為五大學(xué)科核心素養(yǎng)之一。工程思維是一種實踐性思維，而實踐性同樣也是信息技術(shù)課程的重要特征，通過梳理不難發(fā)現(xiàn)工程思維的特征與高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求是可以嵌合的?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）明確提出信息技術(shù)課程教學(xué)要依據(jù)學(xué)科理論性、工具性和實踐性并重的特征，設(shè)計活動情境，注重學(xué)生在項目中學(xué)習(xí)。同時，新課標(biāo)明確將數(shù)據(jù)、算法、信息社會與信息系統(tǒng)列為四大核心學(xué)科概念，其中算法作為程序設(shè)計教學(xué)的核心地位尤為突出。但是，當(dāng)前程序設(shè)計教學(xué)多聚焦于語法知識和零散技能的訓(xùn)練，而培養(yǎng)學(xué)生以工程師視角進行項目規(guī)劃設(shè)計的工程思維實踐則相對不足。為此，筆者基于工程思維理念，構(gòu)建了高中信息技術(shù)新型教學(xué)模式，通過引導(dǎo)學(xué)生采用模塊化程序設(shè)計方法，系統(tǒng)培養(yǎng)其解決復(fù)雜問題的能力和創(chuàng)新實踐素養(yǎng)。

統(tǒng)籌規(guī)劃：認(rèn)識工程思維 的內(nèi)涵

我國工程哲學(xué)的興起以李伯聰提出的“科學(xué)-技術(shù)-工程”三元論作為支持，李伯聰認(rèn)為“工程就是包含了設(shè)計、制造、運行活動在內(nèi)的生產(chǎn)實踐活動，工程活動的靈魂是工程思維”?！镀胀ǜ咧型ㄓ眉夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》將工程思維定義為“以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維”?！禟-12教育中的工程》報告指出“工程‘思維習(xí)慣'是21世紀(jì)必備的技能之一”。4工程思維與科學(xué)思維、技術(shù)思維既相互區(qū)分又相互聯(lián)系、相互滲透。在育人方式全面變革以促進學(xué)生核心素養(yǎng)提升與綜合能力培養(yǎng)的當(dāng)下，學(xué)科之間的相互融合、學(xué)科思維之間的相互滲透有著深遠(yuǎn)的意義，在信息技術(shù)教學(xué)中融人工程思維有利于學(xué)生運用學(xué)科知識開展更深層次的探究與實踐。

明晰現(xiàn)狀：剖析程序教學(xué)的困境

1.重教材：內(nèi)容單一化

當(dāng)前高中信息技術(shù)教學(xué)中存在較為普遍的教材依賴現(xiàn)象，部分教師僅圍繞教材提供的有限教學(xué)情境開展教學(xué)，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容缺乏創(chuàng)新性和時效性。這種單一化的教學(xué)模式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也不利于培養(yǎng)學(xué)生自主建構(gòu)知識和解決問題的能力。

2.輕思維：活動形式化

程序設(shè)計教學(xué)應(yīng)該指向計算思維的培養(yǎng)，然而教師往往因為過度關(guān)注結(jié)果或作品完成度而直接提供解決復(fù)雜問題的具體算法，迫使活動開展趨于形式化，學(xué)生不能完整地經(jīng)歷問題分解、抽象建模、形成算法的思維過程。

3.缺深度：學(xué)習(xí)淺表化

單一的教學(xué)內(nèi)容無法激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的情感投入淺表化；形式化的教學(xué)活動無法激活學(xué)生的知識體系，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知淺顯化，學(xué)生的整個學(xué)習(xí)過程停留在表層，未激發(fā)指向高階思維的深度學(xué)習(xí)。

價值導(dǎo)向：融入工程思維的意義

根據(jù)信息技術(shù)學(xué)科的特點，結(jié)合教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為高中信息技術(shù)教學(xué)中可培養(yǎng)的工程思維要素主要包括系統(tǒng)性思維、創(chuàng)造性思維和權(quán)衡性思維。在信息技術(shù)程序設(shè)計教學(xué)中融人工程思維具有重要意義。

1.有助于統(tǒng)籌規(guī)劃能力的 培養(yǎng)

借助計算機運用數(shù)字化手段解決物理世界中真實存在的問題，在此過程中有意識地融人工程思維，可以幫助學(xué)生運用系統(tǒng)分析的方法綜合考慮用戶體驗、程序功能、安全性等方面從而進行整體規(guī)劃和綜合決策，并在平衡各種需求的過程中鍛煉統(tǒng)籌權(quán)衡性思維。

2.有助于計算思維的發(fā)展

融入工程思維的程序教學(xué)強調(diào)引導(dǎo)學(xué)生對生活中的真實復(fù)雜問題抽象建模，將大問題進行分解，再結(jié)合計算思維分析抽象各個功能模塊，設(shè)計算法直至通過編程自動化實現(xiàn)各模塊功能。該過程能夠促進學(xué)生計算思維的發(fā)展。

3.有助于動手實踐能力的 提升

工程思維最終指向造物，強調(diào)物化能力，學(xué)生需要將理論知識應(yīng)用到實際問題的解決過程中，并通過實際操作來驗證方案的可行性和有效性。學(xué)生在算法的基礎(chǔ)上通過程序驗證方案可行性的過程有利于提升動手實踐能力。

項目引領(lǐng)：融入工程思維的模塊化程序設(shè)計教學(xué)實踐

1.項目設(shè)計理念

本項目圍繞教科版高中信息技術(shù)《必修1數(shù)據(jù)與計算》第二單元最后一節(jié)內(nèi)容“可以復(fù)用的代碼”進行教學(xué)設(shè)計。本節(jié)的核心思想是：讓學(xué)生運用系統(tǒng)化的方法對大問題進行分解從而實現(xiàn)分而治之。在擊破各個小問題的過程中又需要對該單元前期所學(xué)內(nèi)容進行回顧與應(yīng)用，從而形成知識的遷移。模塊化程序設(shè)計是指將一個大程序按照功能劃分為若干小的程序模塊，每個小程序模塊完成一個確定的功能，通過小程序模塊的互相協(xié)作，完成整個大程序功能的程序設(shè)計方法。模塊化程序設(shè)計也體現(xiàn)了算法中的“分而治之”的思想，強調(diào)自頂向下的設(shè)計與自下而上地執(zhí)行，兩者相互契合。在此背景下，筆者圍繞“單詞聽寫和背誦過程中普遍存在的困難這一真實情境設(shè)計項目，引導(dǎo)學(xué)生采用模塊化程序設(shè)計方法，結(jié)合UMU平臺實現(xiàn)學(xué)習(xí)過程管理、小組協(xié)作交流及評價數(shù)據(jù)收集，在程序設(shè)計與實現(xiàn)過程中實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)與產(chǎn)品迭代，強化小組合作意識并培養(yǎng)問題解決能力。該項目的實施流程如下頁圖1所示。

2.項目實施過程

（1）創(chuàng)設(shè)問題情境，引入項目主題

在項目啟動階段，筆者基于學(xué)生真實學(xué)習(xí)需求創(chuàng)設(shè)問題情境：在英語學(xué)習(xí)中，當(dāng)需要在家進行單詞聽寫練習(xí)時，常面臨獨自練習(xí)無人協(xié)助或家長不懂英語無法幫忙的困境。針對這一問題，請問能否運用信息技術(shù)知識設(shè)計開發(fā)一款輕松背單詞程序來解決？

（2）進行實際分析，確定項目需求

項目成功實施的前提是學(xué)生對實際應(yīng)用場景和具體需求進行系統(tǒng)性的分析。教師可以將全班學(xué)生分成若干小組，明確組內(nèi)各個成員的角色與分工，組織學(xué)生根據(jù)各人需求以及實際情況就該項目所要實現(xiàn)的目標(biāo)展開需求討論。項目的核心需求應(yīng)該圍繞“單詞聽寫與正誤判斷”展開，個性化需求則由組內(nèi)成員共同探討實時生成。小組記錄員應(yīng)及時記錄組內(nèi)討論結(jié)果形成項目需求書面報告，并實時上傳至UMU數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺，同時，教師需要針對學(xué)生的需求分析進行合理的引導(dǎo)與規(guī)范。

（3）自頂向下設(shè)計，明確功能模塊

結(jié)合程序的模塊化設(shè)計理念以及工程思維中的統(tǒng)籌規(guī)劃思想筆者以積木搭建為靈感，引出模塊化程序設(shè)計理念，將程序分解成小的模塊，以便更容易地設(shè)計、構(gòu)建和維護；各小組依據(jù)項目需求進行自上而下的模塊化設(shè)計。由于工程方案本就不具有唯一性，開放度極高，只要合理都可以成為后期程序迭代與完善的依據(jù)，但核心功能“實現(xiàn)單詞的聽寫”是項目的根基。因此，在各組明確程序中所包含的各個功能模塊后，筆者鼓勵學(xué)生運用思維導(dǎo)圖的形式繪制并完善“輕松聽寫單詞”程序結(jié)構(gòu)圖。

（4）提供程序支架，引導(dǎo)模塊實現(xiàn)

如何引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)規(guī)劃好的頂層設(shè)計？筆者以核心功能為抓手，通過核心功能的重復(fù)使用引出函數(shù)，函數(shù)是功能復(fù)用和模塊化程序設(shè)計的重要方法與手段，要實現(xiàn)輕松背單詞項目可以利用自定義函數(shù)將各個功能模塊一一擊破。經(jīng)過本章前幾節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生對算法這個學(xué)科大概念已經(jīng)有了初步的理解，并能運用算法的三種基本結(jié)構(gòu)解決簡單的實際問題，但他們對函數(shù)這個抽象的概念缺乏認(rèn)知，因此，如何讓學(xué)生從對函數(shù)一無所知到能夠利用自定義函數(shù)進行模塊化設(shè)計并解決規(guī)模較大的問題就需要教師設(shè)計完整有序的“螺旋上升”式的學(xué)習(xí)活動，讓學(xué)生在完成活動的過程中既能學(xué)習(xí)函數(shù)的相關(guān)知識，又能在抽象建模的過程中培養(yǎng)計算思維，最終通過高階學(xué)習(xí)創(chuàng)造性地完成項目，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

筆者在模塊實現(xiàn)環(huán)節(jié)主要設(shè)置了如下活動線：“自主學(xué)習(xí)、初識函數(shù)”“探究實踐、運用函數(shù)”“模塊組裝、運行調(diào)試”，活動的設(shè)置遵循“認(rèn)知-嘗試-驗證”基本流程。第一個活動旨在讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)知道函數(shù)的定義與分類，并能復(fù)述自定義函數(shù)的基本語法。在第二個活動中，筆者依據(jù)核心功能設(shè)置了三個“階梯上升”且相互關(guān)聯(lián)的任務(wù)：“讀取章節(jié)文本文件”“單詞聽寫”“個性化輸出聽寫結(jié)果”。任務(wù)一讓學(xué)生首次體驗運用函數(shù)解決順序結(jié)構(gòu)問題，讀取存放中文及對應(yīng)英文單詞的文本文件內(nèi)容并存儲至列表中，通過實踐進一步理解函數(shù)是如何封裝代碼的，從而使程序結(jié)構(gòu)更加簡潔并增強程序的可讀性。任務(wù)二、任務(wù)三則需要教師引導(dǎo)學(xué)生思考如下問題：① 如何模擬聽寫過程？以系統(tǒng)呈現(xiàn)中文，使用者輸入中文對應(yīng)的英文為例，系統(tǒng)如何對輸入結(jié)果進行正誤判斷？ ② 如何根據(jù)聽寫結(jié)果進行個性化的判斷結(jié)果輸出？該過程需要學(xué)生回顧前面所學(xué)的列表這個有序序列，結(jié)合循環(huán)結(jié)構(gòu)對模塊本質(zhì)進行抽象建模，設(shè)計算法，完善項目核心單詞聽寫部分的流程圖（如圖2），并最終通過自定義函數(shù)進行模塊實現(xiàn)。

（5）測試組裝模塊，持續(xù)迭代改進

運行調(diào)試是程序?qū)崿F(xiàn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，學(xué)生在模塊功能實現(xiàn)過程中會遇到各種各樣的問題，調(diào)試是為了尋找問題出現(xiàn)的原因并進一步完善，如是否只定義了函數(shù)而沒有調(diào)用、函數(shù)調(diào)用過程中參數(shù)是否正確，當(dāng)各個功能模塊都能正常運行的時候再將各模塊進行有序的組裝，讓程序自下而上地執(zhí)行。該過程中組長應(yīng)根據(jù)前面繪制的程序結(jié)構(gòu)圖對項目進行實時評估，以便頂層設(shè)計得到有效實現(xiàn)。在項目的設(shè)計與開發(fā)過程中，各小組成員應(yīng)在試用過程中根據(jù)實際體驗，結(jié)合前期需求，提出完善建議，教師則及時為學(xué)生的建議提供腳手架。同時，各小組應(yīng)當(dāng)依據(jù)項目的頂層設(shè)計，對程序功能進行測評和更新迭代，直至呈現(xiàn)出滿足設(shè)計需求的作品。

（6）小組項目展示，組織交流評價

項目實現(xiàn)是教學(xué)的階段性成果，教師需要為學(xué)生的成果展示搭建平臺，鼓勵各組成員在項目展示過程中積極分享設(shè)計與實施經(jīng)驗，分析歸納如何運用工程思維引領(lǐng)程序的頂層設(shè)計，回顧利用函數(shù)實現(xiàn)模塊功能的優(yōu)勢，助力各組成員在項目交流過程中相互學(xué)習(xí)、共同成長。此外，教師應(yīng)同步在UMU數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺中發(fā)布項目活動評價量表，讓學(xué)生進行自評與互評，通過多元的評價方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

總結(jié)與展望

思維培養(yǎng)與素養(yǎng)提升需要循序漸進，課程教學(xué)應(yīng)依托真實情境，強化項目引領(lǐng)與實踐支撐。在項目規(guī)劃過程中鼓勵學(xué)生從頂層設(shè)計的角度思考問題，培養(yǎng)他們的系統(tǒng)觀、工程思維；在項目實施過程中培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力與計算思維；在項目迭代過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與遷移能力。當(dāng)然，信息技術(shù)課程建設(shè)還應(yīng)打破學(xué)科限制，不斷加強與通用技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理、思政等其他學(xué)科的融合，通過跨學(xué)科的合作項目，架構(gòu)更加全面的知識體系，強化課程協(xié)同育人功能，促進學(xué)生的發(fā)展與核心素養(yǎng)的全面提升。

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