職校學生計算思維能力培養策略

【摘 要】信息技術課程的教學效果直接影響著計算思維教育在職業學校落地實施的成效，因此，有必要從分析計算思維的內涵和元素入手，探索職業學校學生計算思維培養的路徑和方法，以及單元教學設計的原則和策略，并提出基于計算思維培養的教學改革思路。

【關鍵詞】職業教育;計算思維;信息技術;思維能力培養

【中圖分類號】G712? 【文獻標志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2020）76-0038-05

【作者簡介】張翠紅，南京財經高等職業技術學校（南京，210001）教師，高級講師，主要研究方向為職業教育信息技術教學改革。

計算思維是計算機科學領域的關鍵思想和概念，開展計算思維教育有助于提高學生綜合應用學科知識解決問題的能力。新頒布的《中等職業學校信息技術課程標準》也將計算思維確定為一項重要的信息技術學科核心素養，自此，探索學生計算思維的培養路徑將進入實質性推進階段。

當前我國職業學校的信息技術課程教學存在聚焦計算機軟件及工具的使用，忽視學生應用能力及思維能力的培養;強化計算機操作訓練，忽視學生解決問題能力及創新能力的訓練等問題。對此，筆者認為，我國職業學校信息技術課程急需改革：課程目標定位中應強調計算思維能力的訓練、課程內容的選擇上應體現計算能力訓練、課程實施過程中應貫穿計算思維能力的訓練、課程評價指標應基于學生思維能力能達到的水平。計算思維在信息技術學科四個核心素養中起統領作用，通過計算思維能力的培養，使課程教學的落腳點落在“利用信息技術解決問題”上，以破解當下我國職業學校信息技術課程重技術輕能力的難題。

一、計算思維能力培養的路徑和方法

（一）明確計算思維的內涵與構成要素

美國德保羅大學的教授們提出了一個計算思維的概念框架，涉及計算思維的組成元素以及這些元素之間的相互關系，內容包括通信、計算、自動化、協作、記憶、評估和設計。[1]其后，國內學者在此基礎上增加了抽象這一內容，提出包含三個層次的表述體系框架（如圖1所示）。

2011年，國際教育技術協會（ISTE）和計算機科學教師協會提出了一個計算思維的操作性定義，即計算思維實質上是問題解決過程，包括（但不限于）以下步驟：1.制定問題，能夠利用計算機和其他工具解決該問題;2.分析數據，邏輯化地組織和分析數據;3.再現數據，通過抽象（例如模型、仿真等）再現數據;4.自動化，通過算法思想（一系列有序的步驟）來支持自動化解決方案;5.解決問題，識別、分析、實施可能的解決方案，同時結合上述步驟和資源找到最有效的解決方案;6.遷移推廣，將該問題的解決過程推廣并遷移到更廣泛的問題中，這個可操作性定義為計算思維教育的開展提供了結構框架和內容指導。[2]南安普敦大學的Cynthia Selby博士和John Woollard博士提出計算思維包括算法思維、分解、抽象、概括、評估這五個方面的要素。ISTE則把計算思維定義為算法思維、解決問題、創造力、批判性思維、合作性思維和溝通技巧的共同體現。

（二）探索計算思維能力培養路徑和方法

1.中職信息技術課程蘊含的計算思維分析。

基于計算思維概念框架視角，中職信息技術課程中蘊含的計算思維要素分布在不同的課程模塊（如表1所示），如基礎模塊信息技術應用基礎、程序設計入門、人工智能初步及拓展模塊設計應用程序、操作機器人課程模塊能很好地體現計算的思想和方法;基礎模塊中網絡應用、人工智能初步及拓展模塊中操作機器人等課程模塊能很好地體現協作的思想和方法。

計算思維在程序設計模塊中得到集中的體現，下頁表2通過中職信息技術課程程序設計入門模塊、應用程序設計模塊中的案例對計算思維概念要素加以說明。從下頁表2中可看出，計算、抽象、設計等計算思維要素可以通過案例進行單項訓練。中職學生計算、抽象、設計能力普遍較弱，教師在進行課程設計時可以通過項目著重對單項要素進行有針對性的訓練。

2.計算思維操作性定義視角。

中職信息技術課程中運用計算思維解決問題的過程包括“制定問題—組織分析數據—再現數據—支持自動化解決方案—尋找有效方案—應用于更廣泛問題”幾個步驟。比如中職信息技術課程拓展模塊“設計應用程序”之“服務應用類App項目”開發，筆者以其中“健身App應用”的開發為例展開分析。這款App的設計原則是合理把控用戶需求，設計出切合實際的功能，用戶能通過篩選功能快速找到自己想要的訓練計劃。

制定問題：健身App的目標是用戶能通過篩選功能快速找到自己想要的訓練計劃，要完成這個目標，需要解決的問題較多，如用戶如何查看健身項目、如何篩選適合自己的計劃等。組織分析數據：健身App涉及的數據種類多、數據量大，要對數據進行分類，還要組織和分析數據，使數據可以利用。再現數據：對數據進行概念模型構建，然后再根據概念模型到關系模型的轉換規則進行轉換，以關系數據表的形式再現各種數據，如訓練項目表、器械類型表、訓練時間表等。支持自動化解決方案：通過算法思維進行算法分析，找到最有效的方案。應用于更廣泛的問題：將健身App所涉及的問題解決過程進行推廣并遷移到更廣泛的問題中，如點菜App、訂票App、導游服務App等。

綜上，根據中職信息技術課程蘊含的計算思維分析及計算思維解決問題的流程，可以明確計算思維能力的培養路徑和方法，通過單項訓練和綜合性訓練相結合的方式進行培養。一方面是單項訓練，從計算思維概念要素著手進行單項思維要素的培養，如計算、抽象、設計等;另一方面是綜合訓練，通過編制程序、解決現實問題等培養學生的設計能力、問題解決能力和遷移能力。

二、基于計算思維能力培養的單元教學設計策略

中職信息技術課程是職業學校學生的必修課，是培養計算思維的主要載體。蘊含在信息技術課程知識當中的、建立在可實現基礎上的思維教學是中職信息技術課程的核心價值。

（一）蘊含在課程中的計算思維學業水平層級分析

依據中職信息技術課程標準的學業要求，筆者及課題組成員擬定了中職信息技術課程中計算思維學業水平要求的關鍵詞。計算思維學業水平要求共分三個層級：水平一要求的關鍵詞是了解知識、選擇使用、獲取加工、集成制作、設計簡單程序，水平二的關鍵詞是解決問題、具體應用、采集分析、了解原理，水平三的關鍵詞是業務融合、綜合實踐、設計應用程序、拓展遷移。

在中職信息技術課程中培養計算思維的路徑和方法是，從學習知識到分析應用和解決問題，循序漸進。首先，圍繞構成計算思維的主要元素，在課程中進行單項及綜合培養訓練。一方面加強學生對計算機基礎知識的掌握，另一方面培養學生以計算思維解決問題，在不同情境中選擇適合的方法解決問題。其次，探索課程的思維性教學方法。如程序設計模塊，從編制簡單程序到解決實際問題，培養學生的設計能力、問題解決能力和遷移能力;數據處理模塊，加強學生基礎知識的學習，根據業務需求進行可視化呈現，從簡單計算和創建圖表到根據職業崗位需求設計數據分析方案，發展學生的計算思維。

（二）基于計算思維培養的單元教學設計策略

整體化單元設計是培養計算思維的必然要求。根據課標的內容標準及計算思維要求，將相關的知識或內容結構化，進行整體化的單元教學設計，選擇適當的問題、情境、活動，從簡單到復雜、從單一到綜合、從封閉問題到開放問題，在系統的學習過程中培養學生從基礎知識的掌握到抽象概括、系統化解決問題等維度的計算思維能力。

1.確定單元和項目學習目標。

確立“以學習者為中心”的觀念，說明單元要解決什么問題，學生能學會什么、得到哪些能力的提升。每個單元由若干個學習項目構成，在單元目標的基礎上設計每個學習項目的學習目標，每個項目的目標體系盡可能用“能在什么條件下、做什么事、達到什么程度”的方式表達。如在“開發益智游戲”這一項目中，將目標確定為通過分析需求自主歸納要解決的問題，通過編寫益智游戲培養學生基于程序設計理念解決問題的能力，通過探討實際問題的解決方案培養學生分析問題、解決問題的能力，并遷移到廣泛的應用情境中。

2.選擇與組織教學單元的學習內容。

教學內容的組織要基于學習者的認知基礎，符合計算思維發展規律。根據課程標準，按照項目、活動、問題的邏輯設計由簡單到復雜、由單一到綜合、由封閉到開放的教學內容，如“數據處理”模塊設計了“管理我的零用錢”“生活中的大數據”等四個學習項目。從學習計算、圖表等基礎知識到根據業務需求進行數據分析和處理，讓學生系統化解決問題的能力得到發展，使計算思維的培養真正落實到課程。再如“開發益智游戲”這一單元中，筆者設計了“編寫猜數字游戲”“開發小學四則運算數學測試游戲”及“探究解決問題的方案”（包括檢查判斷登錄密碼的安全強度等實際問題）三個學習任務，通過有效組織引導學生完成這些逐層遞進的任務，使學生解決問題的能力螺旋上升。

3.基于計算思維培養的教學組織流程。

以教師引導下學生自主探究為主要組織形式，通過一系列層層遞進的任務，使學生分析問題、解決問題及知識遷移能力得到發展。在學習項目展開實施的過程中，以學生計算思維能力培養為主線，設計一系列教學環節。如在程序設計項目教學組織中，通過分析問題、解決問題、設計算法、畫流程圖、編寫代碼、調試運行等活動訓練學生的計算思維能力。又如在“開發小學四則運算數學測試游戲”這一任務的學習過程中，首先，通過小組討論，要求學生自主歸納如何用程序設計的思想解決游戲開發這一實際問題，從問題分析角度出發設計算法，畫出流程圖;其次，編寫子模塊程序代碼;最后，根據程序流程圖完成各子模塊的整合，調試并完成游戲開發任務，有效培養學生解決問題的能力。

三、計算思維能力評估的策略

現有文獻研究表明，當前常用的計算思維的評估方法包括量表評估、作品分析評估、訪談式評估以及題測評估等。其中訪談式評估、題目測試能全面評價學生在計算概念、計算實踐和計算觀念上的表現，評價相對較容易開展。鑒于以往我國相關的教學活動比較多地采用結果性評價，手段較為單一，應從課程工具和評價方法方面進行加強。在課堂教學活動設計時可針對計算思維的某方面，結合教學內容單獨設計某個環節的課堂教學活動及評價方案。如程序設計模塊“開發小學四則運算數學測試游戲”這一任務的評估，教師可采用訪談式評估，圍繞三個問題展開討論：一是動機，起初做這個任務的動機是什么？二是創建過程，任務的開發流程是什么？在開發的過程中遇到了什么問題？你如何解決這些問題？三是反思，這個任務你希望改進和完善的是什么？如何改進？這種評估強調思維能力的培養，將評價落腳點定位在項目任務成果上。在教學中開展計算思維評估最重要的是如何綜合利用多種平臺和工具來評估計算思維，將計算思維有效融入課程教學中。

四、關于計算思維能力培養的進一步思考

構建一個以計算思維為核心的分層次課程教學體系，然后將計算思維的培養貫穿于學生在校學習的整個過程。第一層是基礎層，以中職信息技術課程為主;第二層是程序設計技術層;第三層是專業應用或興趣拓展層。在不同的時段合理安排不同的課程教學或學生活動，以不同層次的具體課程為載體，緊緊圍繞計算思維的本質和核心，創新教學模式，改革教學方法和手段，并在教學過程中不斷完善。

計算思維的培養以中職信息技術課程為主，同時還需要計算機專業課程、數學、工程等相關課程的統籌培養。其中計算機專業課程包括程序設計、數據庫技術、網站開發、移動應用開發、2D/3D動畫設計等，教師應明確計算思維相關要素和能力的培養與哪些課程（課程單元）及學期時段對應。以計算思維培養為主線系統設計并重構課程體系，將學生表現出的計算思維要素薄弱項和相關的課程單元緊密結合，設計有效訓練方案，使計算思維能力的培養螺旋上升，高效達成培養目標。另外，除了課堂教學，計算思維能力的培養還需要相應的學生活動進行有益補充。計算思維能力培養最重要的目標在于計算思維的遷移和跨學科的應用。計算思維作為一項基本能力，需要在各領域的應用中進行強化，因此設計學生活動是一種合適的方式，如玩具智能改造、3D建模打印等。

【參考文獻】

[1]陳國良，董榮勝.計算思維的表述體系[J].中國大學教學，2013（12）：22-26.

[2]張學軍，郭夢婷，李華.高中信息技術課程蘊含的計算思維分析[J].電化教育研究， 2015（8）：80-86+107.