指向計算思維培養的PBL教學模式構建與實踐研究

焦勝強

摘 要：項目式學習基于真實問題情境，將知識、技能和思維的發展融為一體，指向真實問題的解決，因而為學生計算思維的培養提供了有效途徑。本研究在文獻研究的基礎上，結合高中信息技術教學實際，構建了指向計算思維培養的PBL教學模式，并以枚舉算法項目“解密盛唐時期詩人之間的關系”為例驗證該教學模式，實踐證明，該模式能在項目問題解決中有效培養學生的計算思維能力，也為其他一線教師開展項目式教學提供有益參考。

關鍵詞：計算思維;PBL;教學模式;高中信息技術

一、計算思維和PBL項目式教學

（一）計算思維內涵

計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動[1]。自2006年周以真教授提出計算思維定義以來，諸多學者和專家從不同側面對計算思維內涵進行了闡述，綜合文獻分析，本研究認為計算思維的內涵是：具備計算思維能力的學生，在學習生活中，面對實際問題能夠運用算法思維、分解思維、抽象思維、概括思維、批判性思維等五個方面要素，采用形式化、模型化、自動化和系統化方式解決實際問題。

（二）PBL項目式教學

美國巴克教育研究所指出，PBL是一套系統的教學理念方法，是對復雜真實問題的探究過程，也是精心設計項目作品、規劃和實施項目任務的過程[2]，在這個過程中，學生能完成知識建構和技能培養。北師大劉儒德教授認為，PBL是以問題為引導，學生圍繞問題開展一系列學習活動，從而發展學生的思維策略，培養他們解決問題的能力[3]。一般來說，項目教學流程由確定項目主題、制定計劃分工、確定項目方案、協作探究實踐、項目成果交流、項目總結評價等六個部分組成[4]。通過文獻梳理并結合教學實際，本研究認為項目教學是指以解決問題為導向，通過小組合作的形式開展新知學習、設計項目方案、探究實踐來進行學科知識學習，發展創新思維的一系列學習活動。

（三）PBL項目式教學對計算思維培養的支持

首先，PBL為計算思維的培養提供環境基礎。計算思維旨在提升真實問題解決的能力，在PBL真實情境問題中，能有效激活并調整學生的前置知識，讓學生在創造性地、靈活的遷移應用所學知識的同時，實現計算思維的培養目標。其次，PBL為計算思維的培養提供操作過程。面對PBL一系列整合任務，以小組合作的形式，充分運用抽象、分解等計算思維的思想方法，各個擊破解決子問題，在問題解決中進一步內化提升計算思維能力。

二、指向計算思維培養的PBL教學模式構建

（一）指向計算思維培養的PBL教學模式整體構思

本研究參考PBL的一般流程，在計算思維內涵理解的基礎上對信息技術教學過程進行分析思考，循著從學習內容設計到教師的教學設計、學生的學習設計，最后內化為學生計算思維的培養的思路，建構更符合教學實踐的教學模式。該模式從內而外分三層構成。第一層是教學內容，闡釋以項目為統整的教學內容組織設計;第二層是基于PBL闡述教師的教與學生的學兩方面流程，并形成多輪迭代的學習循環;第三層是計算思維指向層，闡明最終需要達到的高中生計算思維培養目標。

（二）指向計算思維培養的PBL教學模式步驟

該教學模式將計算思維訓練提升與項目教學過程有效融為一體，計算思維既是解決問題時的思想方法指導，又是項目學習的目的。其步驟為：1.教師先明確項目主題，以項目統整教學內容，然后創設真實問題情境，呈現問題并設置問題切入口。學生進入情境，明確問題目標。這一階段培養學生直觀感知情境問題，明晰問題任務，培養學生于真實情境中抽象問題本質的能力。2.教師基于項目主題及教學目標，結合項目任準備好相關的學習資源，這有利于促進學生多通道、多角度、多元化生成新知，也為后續活動探究提供載體。然后對將要學習的新知識技能做出示證，為分析問題、設計問題解決方案做好鋪墊。學生積極參與新知學習，分小組頭腦風暴界定問題。這一階段旨在培養學生合作學習、抽象問題本質的能力。3.針對上一階段界定出的關鍵問題，小組研討對話，形式化分解為子問題，同時關注問題分解的邏輯關系，綜合各子問題的解即得整個項目問題的解決方案。教師則準備好相關支架（如流程圖等），輔助問題分解，并進行方法思路指導。這一步驟通過小組討論思辨、統籌分析問題，培養學生批判性思維、算法思維、問題分解的能力。4.根據制定的算法方案，小組分工，探究實踐解決各個子問題，并反復調試改進，優化算法。教師充分關注學生解決問題的過程，收集階段性作品成果，進行過程性評估。并在巡視觀察時，及時評估指導。這一步驟通過探究實踐，培養學生的批判性思維、算法思維以及問題解決能力。5.教師組織學生分小組進行展示交流，分享項目活動中遇到的主要困難及解決思路，總結項目經驗，然后教師創設新的類似問題情境，引導學生將問題解決方法思路遷移運用到新情境問題解決中，培養提升學生的概括、遷移思維能力。

三、指向計算思維培養的PBL教學模式實踐探索

根據指向計算思維培養的PBL教學模式流程設計，結合項目實施過程中還需注意的問題，以高中信息技術枚舉算法項目“解密盛唐時期詩人之間的關系”為例進行說明。

（一）創設情境呈現問題，進入情境明確問題。

首先，教師根據課標及學科教學內容，確定項目核心為枚舉算法的基本思想和程序實現，明確學業要求為1.了解枚舉算法，能用流程圖描述該算法;2.理解枚舉算法的編程實現過程;3.認識枚舉算法在學習生活中的應用價值。其次，由學生熟識的朋友圈點贊和微博@判斷兩人的關系入手，創設情境，引入古代詩人之間的關系判斷（寫信、題詩……），最后呈現項目問題：“解密盛唐時期詩人之間的關系”。學生進入問題情境，根據研究范圍為盛唐詩人，結合學過的文史知識或查閱資料，明確項目問題為在《全唐詩》中梳理杜甫、李白、王維、孟浩然等幾位詩人之間的關系。由此，學生在獨特的情境中抽象出項目任務，明確問題。

（二）準備資源示證新知，劃分小組界定問題。

教師準備好相關素材資源及數字化學習環境，如：《全唐詩》文檔、學習任務單并安裝好Python編程環境。然后以查找盛唐時期詩人杜甫@李白的關系為例，講授演示通過文檔的“查找下一個”方法手動查找兩人關系（如查找杜甫寫的詩中，題目或詩句中出現李白）。學生以小組為單位，分工合作，在限定時間內（如3分鐘）通過唐詩文檔查找出“杜甫、李白、孟浩然、王維、賀知章”五人間的關系，統計符合條件的個數并將其題目和相關詩句填在任務單上，并繪制詩人關系圖，以找到個數多的小組獲勝。通過該項目熱身，讓學生初步認識枚舉算法的基本思想，即針對要解決的問題，逐一列舉它所有可能的情況，逐一判斷哪些符合問題所要求的情況，從而得到問題的解。由此，界定、抽象出項目解決的關鍵問題：1.逐一列舉，2.逐一判斷。

（三）問題分解制定方案，提供支架方法引導。

項目熱身從人工枚舉入手，既讓學生對枚舉算法原理有了初步理解，又讓學生感受到枚舉算法在實際生活中應用的普遍性。但鑒于人工方法速度慢，難于應對數據量大的全唐詩查找，學生自然想到利用計算機來解決問題。因而將人工枚舉思想自然地類比到計算機的枚舉思想，通過小組頭腦風暴，教師收集問題，經判斷、選擇、問題轉化，師生一起將關鍵問題以計算機能處理的方式，形式化分解為三個子問題：一是查找詩人關系的范圍和對象（唐詩庫，詩人甲、詩人乙），二是確定詩人之間有關系的條件（詩的作者是甲且題目或詩句中有乙），三是查找結果（滿足條件的唐詩數量累加）。結合教師提供的流程圖工具，小組合作，畫出每一子問題對應的流程圖模塊，然后將其歸結成整個項目問題的解，得出項目問題解決方案，如圖1所示。這一階段讓學生通過頭腦風暴形式化分解問題，用流程圖工具按子問題模塊逐一描述計算機求解詩人關系的枚舉算法步驟，有利于培養學生分解問題的能力，深入理解算法步驟在計算機解決問題中的作用，培養學生的算法思維能力。

（四）探究實踐調試修改，觀察取證評估指導。

根據上述設計好的項目問題解決方案，本階段的主要任務是參照流程圖，選用合適的數據類型（如列表）編程實現。若考慮到整個程序編寫難度較大，難以在短時間內有效突破難點，也可設計半成品程序，如圖2所示，將加框處代碼挖空，指向枚舉算法的三個關鍵點：“枚舉范圍”“枚舉對象”“驗證條件”，學生通過小組合作、探究實踐補全半成品的程序，關注枚舉算法的核心實現，教師巡視觀察，收集學生的階段性成果，為過程評價做好準備。同時針對學生常見的錯誤進行指導（如驗證條件編程時，計算機對邏輯連接詞not、and、or的執行有先后順序，故需要在合適的位置加括號）。本階段通過編程并調試實現算法，既培養了學生解決問題的算法思維能力，也讓學生從技術學習回歸到真實的問題解決中，給了學生一種基于數據研究唐詩的視角，激發他們后續綜合應用語文、歷史等學科知識進行深入探索研究的興趣。

（五）展示交流迭代遷移，組織評價項目總結。

項目問題編程實現后，教師組織學生分小組進行匯報分享。各小組闡述項目實施中遇到的最大困難及解決辦法，學生在匯報和傾聽其他小組分享時，反思并借鑒他人經驗，進一步提升自己的知識技能，豐富問題解決經驗。隨后教師根據項目實施中學生的知識技能掌握情況以及階段性成果，進行項目總結性評價，引導學生思考枚舉算法的適用特點。然后，為了進一步促進學生對新知的應用，幫助學生對枚舉算法有更全面的認識，教師創設新的類似問題情境，引導學生將問題解決方法思路遷移運用到新情境問題解決中（如同時梳理三位詩人的關系，引入三重循環的研究），培養提升學生的概括、遷移思維能力。

結束語

本研究根據課標及其他文獻分析，梳理了計算思維內涵和項目學習理論，并結合高中信息技術教學實踐，構建了指向計算思維培養的PBL教學模式，并以枚舉算法實例項目“解密盛唐時期詩人之間的關系”為例驗證該模式的有效性。研究發現，指向計算思維培養的PBL教學模式，能有效整合課堂教學內容，在項目問題解決過程中，提升發展高中學生的計算思維。此外，信息技術核心素養涵蓋信息意識、計算思維、數字化學習與創新以及信息社會責任，學科教學不僅是教會學生運用計算思維解決問題，還要求發展核心素養的其他三個方面，因此，如何在不同項目的學習中落實多方面核心素養的培養，值得進一步研究。

參考文獻

[1]劉曉玉.面向計算思維培養的中學信息技術PB教學模式研究[J].中國信息技術教育，2018（1）：34-36.

[2]鐘秋琴.基于項目學習的高中生計算思維發展策略研究[J].教育信息技術，2019（12）：27-29.