面向計算思維培養的初中Python項目式學習教學設計流程構建

王穎　侯巖　趙健如　王玉龍

摘 要：文章梳理了人工智能和大數據背景下我國中小學編程教學的現狀與問題，闡述了項目式學習的內涵與操作模式，分析了計算思維的概念與內涵。并且以計算思維培養為導向，融合項目式學習理念，構建了初中Python項目式學習的教學設計流程 ，以期為解決當前中學編程教學中存在的突出問題提供借鑒，為中學一線教師實施編程教學提供參考。

關鍵詞：計算思維;Python教學;項目式學習;編程教學;教學設計

中圖分類號：G433? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）14-0034-04

一、引言

隨著人工智能時代的到來，編程教育成為信息技術學科的重要內容，計算思維成為信息技術學科的核心素養。2017年7月，國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》，要求在中小學階段設置人工智能相關課程，并逐步推廣編程教育[1]。《2017地平線報告（基礎教育版）》指出，培養中小學生的計算思維是21世紀一個重要的課題[2]。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》明確將計算思維定為高中信息技術學科的核心素養要素[3]。但在實施編程教育和計算思維培養的過程中，也存在一系列的問題尚待解決。

二、計算思維的內涵

2006年，美國卡內基梅隆大學的周以真教授提出了計算思維的概念[4]。計算思維是利用計算機科學的基本理念解決問題、設計系統和理解人類行為的一種方法，并指出計算思維的本質是抽象（Abstraction）和自動化（Automation）[5]。

本文采用了英國南安普敦大學的 Cynthia Selby 博士和 John Woollard 博士對計算思維的理解，將計算思維劃分為分解思維、抽象思維、算法思維、評估思維、概括思維（見表1），并做了進一步的研究[6]。

三、我國中小學編程教學的現狀和問題

隨著《中小學信息技術課程指導綱要（試行）》的頒布，各地方中小學都依據新的課程標準對信息技術課程進行了改革。但在國家層面，目前尚未出版與新課標相配套的信息技術教材。在實施過程中，很多學校對信息技術課程內容作出了調整，編程教育占據了較大比重，信息技術教育也逐步實現了由重理論到重實踐的跨越。在實施過程中，Python成為在中學階段開展編程教育較為普遍使用的編程語言。

本研究通過查閱文獻資料、實地調研與訪談，切實了解到我國中學編程教育中存在的一些突出問題：

1.編程教學方法較為單一

信息技術教師在傳授知識時多采用講授演練法，教師通常先講授編程的基本知識，然后在編程環境中操作演示，讓學生根據編程語言，在相應的環境中按照教師的步驟，機械地敲語言，最后輸出語言，提交作業。編程教學變成了學生模仿教師的過程，信息技術教師忽視了教學過程中教學方法的應用，過于注重結果。編程教學過程的形式與方法都較為機械和單一。

2.編程教學評價的不盡全面

教師通常根據學生提交的作品來給分，診斷學生的學習效果，忽視了學生在完成作品的過程中存在的問題，比如作品完成過程中，是否用語言表達清楚自己的作品，是否明白所制作作品的意義等。教師單純地通過最后的作品質量給分，對學生的評價較為片面，也容易忽視學生水平的差異，使得教師對學生的問題解決存在滯后性，容易使學生的興趣被弱化，不利于新課改中核心素養的養成。

3.編程知識系統性不強

部分教師過于強調編程語言的語句規則，未能有效地組織和引導學生的創作實踐與梳理知識體系。導致學生所學到的知識、掌握的技能都是碎片化的，沒有一條知識鏈將知識連接形成體系，無法將零散的知識有效整合應用到自己的創作中。創作時出現知識的拼湊，無法將創意轉化為完整并且具有創新性的作品，計算思維的培養也無法得以實現。

綜上可知，在開展編程教育的過程中，部分信息技術教師更多地是教授基礎知識、基礎理論，疏于培養學生的實踐能力，學生沒有得到正確、充分的引導，對編程教學也沒有正確的認識，將知識與實踐結合還存在很大的問題。教師也不注重改進教學方法，對于如何培養計算思維還缺乏認知，也忽視了思維培養的長期性和重要性。傳統教學方式對計算思維的培養針對性不強、效果欠佳，當前還沒有有效培養計算思維的系統化方法。

四、面向計算思維的初中Python編程項目式學習教學流程構建

劉景福將項目學習定義為一種學習方式，“項目學習是一種基于建構主義學習理論，強調以學生為中心、學科交叉、協作學習、自主探究，與真實世界和生活實踐相聯系的學習模式[7]。”項目式學習的基本流程如圖1所示，主要分為圖1所示六個步驟。

在編程教育中引入項目式學習，教師可以創設真實的項目情境，學生根據項目提供的信息和要求，自主、合作、探究，制定解決方案，完成作品創作。學習過程中學生通過小組合作，促進了交流和協作能力的發展，在探究過程中促進了學生問題解決能力和創新能力的提升，在方案制定和作品創作過程中促進了學生計算思維的養成。

本研究針對當前我國中小學編程教育的現狀與問題，以建構主義學習理論和“做中學”為理論依據，以項目式學習的基本模式為直接參考，以Python為具體教學內容，結合《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》以及《中小學信息技術課程指導綱要（試行）》的基本理念與培養核心素養的要求，提出面向計算思維培養的初中編程項目式學習教學設計流程，如圖2所示。

整個教學設計是以項目為核心，以項目式學習的六個組成部分確定項目主題、制定項目計劃、項目活動探究、作品制作與交流、成品交流與展示和活動評價為基礎與依據[8]。圍繞項目活動的前期階段、活動過程、后期階段三個階段，分別從教師的活動角度和學生的活動角度兩個方面進行分階段設計。

1.確定項目主題、制定項目計劃——培養分解思維、抽象思維

（1）教師活動

首先，前期階段教師最主要的工作之一就是要進行學情分析。學情分析主要分析當前學生原有知識基礎、認知能力、學習風格以及興趣養成等，可以通過學生的檔案袋、過往的表現和成績單、前期問卷測試以及學生的年齡特征進行分析，同時也要注意學生班級整體的情況，這樣有利于教師全面了解學生，更好地分析學情，清楚教學一線的實際情況，以便設計出更貼切的教學起點，有利于教學設計更加合理化。

其次，教師要制定項目的最終目標。以培養信息技術學科核心素養為目標，發展計算思維，要使學生能夠從計算思維的視角審視編程的基礎知識與應用，引導學生依據計算機解決問題的方法，將問題形式化，分解問題，建立結構模型，對數據進行分析和組織。

最后，教師要巧妙地創設情境，從而呈現項目主題，引導學生選定項目并協助學生制定計劃。在此過程中，要注意培養學生分解思維和抽象思維，將一個復雜問題先分解為若干相對簡單的小問題，化整為零，將復雜問題整體分散成若干子問題。我們就能夠非常便捷地找到這些子問題的解決思路和相應方法，問題也就迎刃而解，這也是復雜問題簡單化的常用處理方式。

（2）學生活動

首先，學生在看到項目后，要學會思考、分析與理解項目，為選擇項目進行周全的思考（假如項目有多個時，就要事先了解各個項目，對項目的完成情況進行預估）。根據事先提供的信息對項目有全面的認識，確定好方向，以便后續工作的順利展開和減少不必要的返工。

其次，學生要利用已經提供的知識，進一步分析項目，并根據項目試著制定計劃。分析項目是為了學生更好地理解項目，通過對項目的理解可以結合小組內部各個成員的優勢與特點進行分工，分工的過程要集體討論，責任到人。

2.項目活動探究、作品制作與交流——培養抽象思維、算法思維、評估思維

（1）教師活動

首先，根據課程標準以及教材大綱，羅列基礎知識，提供教學資源，從宏觀到微觀，形成體系框架，明確該項目需要用到的知識點（包括內涵知識和可能會用到的外延知識），通過教材、導學案、知識清單、PPT課件、微課等形式發放給學生。

其次，教師不僅要準備基礎知識和教學資源，還要營造情境，利用特定的情境，一步步地引導學生，讓學生自己積極探索。在這個環節中，教師要培養學生養成抽象思維、算法思維、評估思維。在此過程中，教師要引導學生設計相應的步驟或規則來解決每個小問題。此處的問題不是簡單地得出問題的答案，而是通過多次、多角度思考，想出符合規定的步驟來進行問題解決。評估思維的培養，注重引導學生在簡單的步驟或指令中選擇出最優方案，對問題解決的多種算法的各個方面進行綜合衡量和判斷，比如問題處理效率、結果準確程度等，確保選擇出來的算法能夠使問題達到最優化的解決效果。教師要循序漸進地引導，對于學生的疑問要逐步給出，不能全盤托出，而是一步步地引導學生完成項目。

（2）學生活動

學生通過多渠道對基本知識進行學習，掌握編程的基本操作，自己親手編寫相關代碼。在操作的過程中，如遇到不懂的問題，可以及時請教教師或與組內成員合作交流討論，解決疑難知識，進行活動探究，最終完成項目作品。

3.成品交流與展示、活動評價——培養評估思維、概括思維

（1）教師活動

項目的收尾階段是非常重要的一個環節，主要分兩塊，一是學生展示作品，二是教師對小組完成的項目進行評價。教師的評價又從兩方面進行，一是對項目最后的成品進行點評，二是評價學生在項目過程中的表現。這一步需要教師前期關注學生的項目，對學生完成項目的情況有一個全面的了解。另外，教師還可以組織學生對小組完成的作品進行互評，通過觀察學生的作品、反饋的信息和學生的表達，從而抓住學生的創新點，予以肯定或提出建議，鼓勵學生再次進行作品修改與完善，最終完成項目。

在這個環節中，教師要引導學生對問題解決的多種算法的各個方面進行綜合衡量和判斷，確保所選算法能夠使問題達到最優化的解決效果。同時，要培養學生的概括思維能力，在先前已有的問題解決經驗的基礎上，找到已解決過的問題與待解決的新問題的共同之處，從而可以選擇性地運用已有經驗來快速解決新問題。

（2）學生活動

學生進行作品展示，交流經驗。對于學生而言，完成一個項目是學習Python新知識和新技能的過程，也是將原有知識與技能遷移應用在作品創作的過程。小組匯報展示時，要展示小組合作過程中成員任務的分配以及在過程中是如何合作的，與同學交流在完成任務的過程中遇到了什么問題以及問題是如何解決的，最終作品是否達到項目計劃中的預期效果等等。

五、結語

本研究依據項目式學習的基本模式，構建了面向計算思維培養的初中編程項目式學習教學設計流程，為解決編程教學方法的單一性、編程教學評價的片面性、編程知識缺乏系統性等現實問題提供了參考與借鑒。基于項目式學習開展編程教學，可以促進學生交流和協作能力的發展，促進學生實踐能力和創新能力的提升，促進學生復雜問題解決能力和計算思維的養成，使學生逐步形成智能化時代的終身學習能力。

參考文獻：

[1]居曉波.開展STEAM項目式程序設計培養學生創新能力[J].中小學信息技術教育，2017（12）：49-53.

[2]郁曉華，肖敏，王美玲，等.基于可視化編程的計算思維培養模式研究——兼論信息技術課堂中計算思維的培養[J].遠程教育雜志，2017，35（6）：12-20.

[3]曹曉明，安娜.培養計算思維的高中信息技術校本課程研究[J].現代教育技術，2018，28（7）：106-112.

[4]陳玥.基于計算思維的中學信息技術教育的研究[D].揚州：揚州大學，2012.

[5]俞衛華，鄭林濤.融合計算思維培養的程序設計基礎課程教學探索[J].科技視界，2017（1）：142.

[6]張慧.教育游戲對初中生計算思維能力的影響研究[D].延吉：延邊大學，2017.

[7]魯萍.基于PBL的師范生教育技術能力培訓網絡平臺研究[D].武漢：華中師范大學，2007.

[8]徐俊峰.初中信息科技教學中學生自主設計學習項目的實踐研究[D].上海：上海師范大學，2013.

（編輯：李曉萍）

王玉龍為本文通訊作者

*基金項目：2019年度廣東省哲學社會科學規劃一般項目“技術驅動的廣東省欠發達地區縣域義務教育供給診斷預警與模式創新研究”（編號：GD19CJY02）;廣東省教育廳2016年重點平臺及科研項目青年創新人才類項目（人文社科）“基于知識類網站信息組織模式的智慧學習社區構建研究”（編號：2016WQNCX147）。