基于計(jì)算思維的高中信息技術(shù)校本課程設(shè)計(jì)與開發(fā)

武小龍 賈金元

摘? 要 從研究計(jì)算思維的內(nèi)涵出發(fā)，對計(jì)算思維在高中階段教育中的培養(yǎng)方式進(jìn)行探討，介紹培養(yǎng)計(jì)算思維的高中校本課程的設(shè)計(jì)理念與內(nèi)容，闡述校本課程的教學(xué)流程，分析計(jì)算思維在解決實(shí)際問題環(huán)節(jié)的應(yīng)用情況，并展示相關(guān)的實(shí)踐成果。

關(guān)鍵詞 高中信息技術(shù);計(jì)算思維;校本課程;STEAM;人工智能

中圖分類號：G633.67? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）01-0044-03

1 前言

計(jì)算思維作為高中信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，是基礎(chǔ)教育階段研究的一個熱點(diǎn)。教育部在2018年1月印發(fā)的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中首次提出信息技術(shù)課程要樹立“立德樹人”的教育價值觀，在課程的設(shè)置上要開設(shè)數(shù)據(jù)、算法、人工智能等同計(jì)算思維培養(yǎng)緊密相關(guān)的模塊。計(jì)算思維的培養(yǎng)與人工智能的發(fā)展相輔相成，如何因地制宜地開發(fā)一門符合學(xué)校實(shí)際教學(xué)需求的高中信息技術(shù)方面的校本課程，讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)可以對實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)系統(tǒng)性的解決方案，是擺在高中信息技術(shù)和STEAM教師面前的一個新課題。

2 概念介紹

計(jì)算思維? 計(jì)算思維的概念是卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授在2006年正式提出的，他認(rèn)為：“計(jì)算思維就是通過約減、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看起來困難的問題重新闡釋成一個我們知道怎樣解決的問題。”[1]2009年，美國國家研究委員會組織了兩場關(guān)于計(jì)算思維的研討會，重點(diǎn)提及計(jì)算思維在教育領(lǐng)域應(yīng)用的可能性及前景。2011年，美國國際教育技術(shù)協(xié)會和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會共同提出計(jì)算思維的操作性定義：計(jì)算思維是一個問題解決過程，涉及問題的闡述，數(shù)據(jù)的組織、分析和呈現(xiàn)，解決方案的制訂、識別、分析和實(shí)施以及問題解決過程的遷移[2]。

我國先后出臺的一系列教育政策中，把計(jì)算思維的培養(yǎng)列為信息技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)的重要目標(biāo)之一，特別是在人工智能教育新時代，計(jì)算思維作為人工智能的基礎(chǔ)思維的重要性日益凸顯，開發(fā)信息技術(shù)校本課程也成為STEAM教育樣板課的剛性需要。

基于計(jì)算思維開發(fā)的高中信息技術(shù)校本課程? 2018年，教育部出臺《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》。新課標(biāo)提出“信息意識、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任”等學(xué)科核心素養(yǎng)，構(gòu)建了包含“數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)、信息社會”的信息技術(shù)學(xué)科大概念。對比2003年的信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)，此次的新課標(biāo)從廣度、深度上對知識點(diǎn)進(jìn)行了加強(qiáng)。同時大幅減少對常見軟件的使用，大幅度提升在編程、計(jì)算思維、開源硬件、網(wǎng)絡(luò)空間等方面的知識要求。數(shù)組、鏈表、二叉樹等常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，排序、查找、迭代、遞歸、搜索、貪心、分治、動態(tài)規(guī)劃、回溯等基本算法，Python也開始進(jìn)入浙江等地的高考選考科目。高中階段信息技術(shù)教學(xué)從課程理念上發(fā)生很大變化，對應(yīng)的教學(xué)和學(xué)習(xí)任務(wù)也都大幅增加。

高中生的抽象能力、數(shù)學(xué)分析能力都有了一定基礎(chǔ)，并且思維水平已達(dá)到一定高度，具有向高階思維發(fā)展的潛力。由于高中階段信息技術(shù)課時量的限制，很多師生對信息技術(shù)課程不夠重視，教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容比較隨意，沒有形成一個體系化的課程教學(xué)體系，因而研發(fā)培養(yǎng)計(jì)算思維的信息技術(shù)校本課程成為高中階段計(jì)算思維培養(yǎng)的重要路徑。如何在信息技術(shù)教學(xué)中滲透人工智能教育，展示人工智能的應(yīng)用場景，為學(xué)生奠定人工智能的相關(guān)基礎(chǔ)，促使學(xué)生具備數(shù)字化時代的創(chuàng)新素養(yǎng)，成為當(dāng)前信息技術(shù)課程的重要挑戰(zhàn)。

3 高中信息技術(shù)校本課程的設(shè)計(jì)

考慮到高中階段的信息技術(shù)教學(xué)特點(diǎn)，本研究認(rèn)為：思維培養(yǎng)類課程應(yīng)優(yōu)先于基礎(chǔ)知識與能力課程的開展;綜合類課程應(yīng)優(yōu)先于獨(dú)立專項(xiàng)課程的開展;貼近實(shí)際的創(chuàng)新性問題應(yīng)優(yōu)先于傳統(tǒng)算法問題的解決。為此，如何選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)載體便成為亟待解決的問題。C++是C語言的繼承，它既可以進(jìn)行C語言的過程化程序設(shè)計(jì)，又可以進(jìn)行以抽象數(shù)據(jù)類型為特點(diǎn)的基于對象的程序設(shè)計(jì)，還可以進(jìn)行以繼承和多態(tài)為特點(diǎn)的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。因此，可以將C++語言作為計(jì)算思維培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)語言。

課程目標(biāo)設(shè)計(jì)? 校本課程的實(shí)施對象是高一數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較好，但是尚未普遍具備編程基礎(chǔ)的學(xué)生，在教學(xué)中通過問題驅(qū)動式、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等教學(xué)方式，多角度多方面引導(dǎo)學(xué)生主動思考與解決問題，培養(yǎng)計(jì)算思維意識，掌握計(jì)算思維方法，提升計(jì)算思維能力。

課程內(nèi)容框架設(shè)計(jì)? 按照一學(xué)期40節(jié)課時的安排，校本課程內(nèi)容分為程序設(shè)計(jì)語言和基礎(chǔ)算法兩部分，其內(nèi)容框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

評價策略的設(shè)計(jì)? 在評價內(nèi)容上，著重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，不僅關(guān)注學(xué)生對知識的深度理解，還要注重學(xué)生的編程能力、人文積淀等素養(yǎng)。在評價方式上，要盡可能地采用隨堂測試的真實(shí)性評價，鼓勵學(xué)生一題多解，以消化知識點(diǎn)為目標(biāo)，可以向同伴解釋自己的編程思路，鼓勵學(xué)生自評與互評。

4 培養(yǎng)計(jì)算思維的高中信息技術(shù)校本課程的教學(xué)與實(shí)施

校本課程的教學(xué)流程? 基于上述培養(yǎng)計(jì)算思維的高中信息技術(shù)校本課程的設(shè)計(jì)與開發(fā)，本研究綜合教學(xué)的實(shí)施過程與計(jì)算思維的培養(yǎng)過程。這里舉一個筆者給中學(xué)生設(shè)計(jì)的具體課程實(shí)例：爬樓梯。下面是教學(xué)過程。

1）問題導(dǎo)入：小明爬樓梯，他可以每次走1階或者2階，輸入樓梯的級數(shù)，求不同的走法數(shù)。學(xué)生看到這個題目，感覺無從下手。先手動進(jìn)行走法排列：1個臺階的時候有1種走法，2個臺階的時候有2種走法，3個臺階的時候有3種走法，……分別寫出來后發(fā)現(xiàn)：1，1，2，3，5，8，13，

21，34，55，89，144，233，……也就是說，每次的臺階的上一次，要么就是從上一個臺階過來，要么就是從上兩個臺階過來。

仔細(xì)觀察，這是數(shù)學(xué)中的斐波那契數(shù)列，學(xué)生一般很快就找到了規(guī)律，可以很快寫出遞歸式：f（n）=f（n-1）+f（n-2）。然后讓學(xué)生尋找隱藏在該數(shù)列背后的數(shù)值：相鄰的兩個數(shù)相除，有什么規(guī)律？學(xué)生很快會發(fā)現(xiàn)商趨近于0.618，黃金分割值！

2）觀察討論。很多植物在生長過程中為了能最佳地利用空間（億萬年進(jìn)化的結(jié)果），每片葉子和前一片葉子之間的角度是222.5°，這個角度被稱為黃金角度，因?yàn)樗驼麄€圓周360°之比是黃金分割值0.618。

3）如果一次可以上1階、2階或3階，再到m階，那么算法又該如何寫呢？

4）總結(jié)一般式，推廣，發(fā)現(xiàn)生活中的美。

校本課程實(shí)施的教學(xué)方式

1）基于問題解決理念的教學(xué)策略。教師在教學(xué)過程中要積極挖掘計(jì)算思維的內(nèi)容，以生活中的實(shí)際問題及案例來展現(xiàn)這些內(nèi)容;要勤于探索，以問題解決為教學(xué)理念，在講授知識的同時讓學(xué)生自己探究學(xué)習(xí)。

2）虛擬在線平臺與社區(qū)。網(wǎng)絡(luò)上有專門以計(jì)算思維為目標(biāo)開設(shè)的編程網(wǎng)站，在這個平臺中有具有共同興趣和目標(biāo)的人群，依托互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境以信息技術(shù)為交互媒介進(jìn)行信息的交流，里面有詳細(xì)的測試數(shù)據(jù)。

3）設(shè)置多種評價方式，進(jìn)行有效評價。計(jì)算思維的學(xué)習(xí)評價不僅可以對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行反饋，也會指導(dǎo)教師改進(jìn)教學(xué)中出現(xiàn)的問題。可以采取多種評價方式，通過項(xiàng)目作品綜合評價、前后測問卷、反饋性訪談以及學(xué)生課堂交互觀察進(jìn)行全程評估，對算法設(shè)計(jì)正確與否、代碼的合理性及簡潔性、問題解決等方面進(jìn)行評價。

校本課程的實(shí)踐成果? 本研究選取甘肅省重點(diǎn)高中的兩個班級進(jìn)行“計(jì)算思維與算法設(shè)計(jì)”校本課程的教學(xué)實(shí)踐，其中實(shí)驗(yàn)班學(xué)生有55名，普通班學(xué)生有54名。經(jīng)過兩輪課程的教學(xué)實(shí)施，通過前測和后測，具體表現(xiàn)如下。

1）在作品生成方面，學(xué)生以小組形式自定主題開發(fā)程序，教師對作品進(jìn)行評價，以此判斷學(xué)生計(jì)算思維能力的提升情況;教師的評價顯示，學(xué)生的作品較好地體現(xiàn)了計(jì)算思維的各個維度，并且相較于校本課程學(xué)習(xí)之前，學(xué)生的計(jì)算思維能力提升明顯。同時，學(xué)生積極參加全國中小學(xué)電腦制作活動。

2）在訪談方面，筆者與三名在學(xué)習(xí)任務(wù)完成、自主學(xué)習(xí)管理和計(jì)算思維評分方面均有顯著差異的學(xué)生代表進(jìn)行訪談，他們紛紛表示參加校本課程學(xué)習(xí)后，對計(jì)算思維有了深刻認(rèn)識，能從計(jì)算思維的角度嘗試去分析、解決生活中的典型問題。

3）在考核測評方面，本研究設(shè)置了兩項(xiàng)前后測試任務(wù)，要求學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)班前后測的完成率分別為82.6%、100%，而普通班的完成率分別為64.8%、83.3%，明顯可以看出后測的完成率要高于前測。這說明參加校本課程學(xué)習(xí)之后，不同層次班級的學(xué)生均在一定程度上提升了計(jì)算思維能力。

5 結(jié)語

在人工智能時代大背景下，如何在高中信息技術(shù)校本課程教學(xué)中滲透計(jì)算思維，展示計(jì)算思維的應(yīng)用場景，使學(xué)生具備基本的信息素養(yǎng)和創(chuàng)新素養(yǎng)，是當(dāng)前信息技術(shù)課程必須應(yīng)對的新挑戰(zhàn)。而將計(jì)算思維融入高中信息技術(shù)及校本課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生樹立計(jì)算思維意識、掌握計(jì)算思維方法、提高計(jì)算思維能力，是信息技術(shù)教師義不容辭的責(zé)任。基于此，本研究介紹了培養(yǎng)計(jì)算思維的高中信息技術(shù)校本課程的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，后續(xù)研究將關(guān)注建立計(jì)算思維和創(chuàng)新思維之間的連接，以進(jìn)一步提升學(xué)生的計(jì)算思維，推動信息技術(shù)與課程教學(xué)的深度融合。

參考文獻(xiàn)

[1]Wing J M. Computational Thinking[J].Communication of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[2]ISTE. Operational definition of computational thinking for K-12 education[DB/OL].http：//www.iste.

org/Libraries/PDFs/Operational_Definition_of_Compu-tational_Thinking.sflb.ashx.