面向高中生計算思維培養(yǎng)的信息技術(shù)課程項目式學(xué)習(xí)研究

宿慶　張文蘭　王海　李紅斌

[摘? ?要] 新的高中信息技術(shù)課程標準將計算思維列為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，在課程教學(xué)中予以實現(xiàn)成為亟須解決的問題。文章圍繞計算思維的培養(yǎng)這一議題，將項目式學(xué)習(xí)的理論、方法、要素與計算思維的問題解決過程相結(jié)合，從項目設(shè)計、項目實施和項目評價三個環(huán)節(jié)建立面向計算思維的項目式學(xué)習(xí)模式，并提出了問題聚焦、問題確定、問題抽象、算法設(shè)計、驗證測試、歸納遷移六個環(huán)節(jié)的具體實施流程。經(jīng)過準實驗研究，利用量化與質(zhì)性相結(jié)合的評價方式，證明計算思維在高中信息技術(shù)選擇性必修課程“開源硬件項目制作”中能夠得到有效培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞] 計算思維; 項目式學(xué)習(xí); 開源硬件; 學(xué)習(xí)模式

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 宿慶（1989—），男，山東平度人。講師，博士，主要從事中小學(xué)STEM教育、信息技術(shù)課程教學(xué)與項目式學(xué)習(xí)研究。E-mail：suqing8909@nwnu.edu.cn。張文蘭為通訊作者，E-mail：wenlan19@163.com。

一、引? ?言

誠如周以真教授所言，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)對生活、學(xué)習(xí)產(chǎn)生的影響日益深遠，計算思維已成為每個人都需要學(xué)習(xí)和運用的態(tài)度和技能[1]。《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》將計算思維列為高中信息技術(shù)課程的核心素養(yǎng)之一[2]，從思維的視角闡述了信息技術(shù)學(xué)科的培養(yǎng)目標。計算思維培養(yǎng)效果的優(yōu)劣，影響著學(xué)科核心素養(yǎng)落地效果的優(yōu)劣[3]。

國外對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)秉承“低門檻、高產(chǎn)出”的原則，認為計算豐富的環(huán)境以及有效的計算思維培養(yǎng)工具往往具備腳手架的功能，便于傳播分享，具備系統(tǒng)化和可持續(xù)性[4]。因此，諸如Agentsheets、Agentcubes這樣的基于網(wǎng)絡(luò)的仿真創(chuàng)造工具以及LEGO、WeDo、Arduino等開源硬件和計算機模塊被大量應(yīng)用在計算思維的培養(yǎng)上[5]。大量研究證明，基于Arduino開源硬件項目開發(fā)制作的課程內(nèi)容在培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力上具有較好的促進作用[6]。

作為一種指向?qū)W生高階思維能力培養(yǎng)的教學(xué)模式，項目式學(xué)習(xí)近年來得到了學(xué)者的普遍關(guān)注，同樣也在計算思維的培養(yǎng)中有了一定的研究經(jīng)驗。學(xué)者在小學(xué)階段Scratch編程課[7]、虛擬機器人課程[8]、“二分查找”[9]等課程中構(gòu)建、實踐基于計算思維的項目式學(xué)習(xí)模式，結(jié)果表明，研究構(gòu)建的項目式學(xué)習(xí)模式對發(fā)展學(xué)生的計算思維能力效果顯著，能有效促進義務(wù)教育階段學(xué)生計算思維的提高[10]。

雖然已有研究對計算思維的培養(yǎng)展開了一定的實踐，但在高中階段將Arduino等開源硬件引入計算思維培養(yǎng)的研究較缺乏。在選擇性必修課程“開源硬件項目制作”中面向計算思維的培養(yǎng)探索構(gòu)建基于Arduino開源硬件的實踐模式，這是國內(nèi)信息技術(shù)課程教學(xué)研究亟待解決的問題。基于此，本研究在Arduino開源硬件課程中構(gòu)建項目式學(xué)習(xí)模式及實施流程，以期為高中階段開展面向計算思維培養(yǎng)的課程教學(xué)提供參考。

二、面向計算思維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)

項目式學(xué)習(xí)模式構(gòu)建

計算思維的養(yǎng)成不止于信息技術(shù)學(xué)科知識的獲取，更重要的是通過信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)了解工具背后的學(xué)科思想，使學(xué)生產(chǎn)生認知的變化。作為解決問題的思維過程，應(yīng)以問題解決為目的，引導(dǎo)學(xué)生在運用信息技術(shù)解決問題的過程中獲得真實的經(jīng)驗，培養(yǎng)計算思維。項目式學(xué)習(xí)的中心是學(xué)生通過項目接觸、學(xué)習(xí)學(xué)科的核心概念[11]。如果項目式學(xué)習(xí)不能涉及學(xué)科的核心知識，而僅僅針對學(xué)科拓展內(nèi)容設(shè)計研究項目，則只能視為一種綜合實踐活動，不能實現(xiàn)項目式學(xué)習(xí)與學(xué)科概念、知識與思維的整合。張文蘭教授認為，依托課程重構(gòu)理念對學(xué)科知識進行項目式轉(zhuǎn)化非常重要，可以更好地促進項目式學(xué)習(xí)在國家核心課程中的應(yīng)用和推廣[12]。項目式學(xué)習(xí)的內(nèi)容來自真實生活情境中開放的、非良構(gòu)的問題，強調(diào)學(xué)生在問題的識別和解決過程中習(xí)得知識、培養(yǎng)能力、提升思維，這與計算思維強調(diào)通過問題識別、分解、抽象并利用計算機或有關(guān)工具解決問題的思維過程是一致的。同時，項目式學(xué)習(xí)強調(diào)通過情境創(chuàng)設(shè)引發(fā)學(xué)生興趣、通過學(xué)習(xí)活動融入知識傳授、通過學(xué)習(xí)成果評估學(xué)習(xí)效果，這些都與培養(yǎng)計算思維中所強調(diào)的問題情境、問題解決活動和問題解決的成果相一致，因此，項目式學(xué)習(xí)的過程要素與計算思維的過程要素具有較高的契合度。本研究以信息技術(shù)學(xué)科數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)、信息社會四個學(xué)科核心概念為切入點，結(jié)合已有研究并考慮項目式學(xué)習(xí)情境、內(nèi)容、活動、結(jié)果的構(gòu)成要素，構(gòu)建如圖1所示的面向計算思維培養(yǎng)的開源硬件課程項目式學(xué)習(xí)模式。

（一）項目設(shè)計

項目設(shè)計是項目式學(xué)習(xí)實施的基礎(chǔ)和保障，是在信息技術(shù)課程標準和學(xué)科概念的基礎(chǔ)上形成對課程內(nèi)容的項目式重構(gòu)。項目設(shè)計包括確定項目主題、明確項目目標、設(shè)計驅(qū)動性問題、規(guī)劃項目活動四個環(huán)節(jié)。

1. 確定項目主題

項目主題的確定作為項目設(shè)計的起點，重點在于將想法轉(zhuǎn)化為挑戰(zhàn)、將學(xué)科概念滲透到項目中。信息技術(shù)課程承擔著讓學(xué)生適應(yīng)技術(shù)發(fā)展、體驗新技術(shù)的責任，因此，信息技術(shù)課程需要以一定的形式向?qū)W生傳遞技術(shù)發(fā)展過程以及利用技術(shù)解決真實生活問題的過程，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注技術(shù)，不斷發(fā)展學(xué)生使用信息技術(shù)解決問題的能力。本研究從信息技術(shù)學(xué)科概念、計算思維的水平、開源硬件的特點和學(xué)生的能力確定項目學(xué)科結(jié)構(gòu)和知識點結(jié)構(gòu)，進而確定項目主題，通過引導(dǎo)學(xué)生使用信息技術(shù)工具、計算思維解決問題，幫助學(xué)生成為靈活的技術(shù)應(yīng)用者和計算思維的理解者。

真實的項目強調(diào)面向事件、面向問題，強調(diào)學(xué)科核心概念聯(lián)系現(xiàn)實世界或親身經(jīng)歷的“真實”。本研究認為，項目主題的確定一方面可從開源硬件實例、生活中的信息技術(shù)設(shè)備出發(fā)，分析其在解決實際問題中包含的學(xué)科核心概念，根據(jù)課程標準的具體要求，形成可遷移的項目主題;另一方面，可從學(xué)科核心概念出發(fā)，分析其應(yīng)用域，結(jié)合真實情境進行項目式組合，進而確定項目主題，最終形成若干個面向計算思維培養(yǎng)的開源硬件項目庫。

2. 明確項目目標

項目式學(xué)習(xí)的目標不僅包括對學(xué)科知識、內(nèi)容的習(xí)得，還包括具體技能和思維習(xí)慣的養(yǎng)成。依據(jù)項目主題，面向計算思維培養(yǎng)的項目式學(xué)習(xí)目標包括項目中蘊含的學(xué)科核心概念以及在利用信息技術(shù)工具解決問題的過程中計算思維水平達到的層次。在項目式學(xué)習(xí)目標的制定上，要基于四個學(xué)科概念，即明確學(xué)科能力和看待問題的觀念、明晰學(xué)習(xí)的重難點、遵循課程標準對學(xué)生計算思維發(fā)展水平上的要求、明確對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的描述，從而明確開源硬件課程的目標。

3. 設(shè)計驅(qū)動性問題

驅(qū)動性問題是由教師或?qū)W生圍繞真實事件和真實問題預(yù)先設(shè)計的情境性、挑戰(zhàn)性和有意義的問題，是引導(dǎo)整個項目過程的關(guān)鍵。在項目式學(xué)習(xí)過程中，一個好的驅(qū)動問題能夠保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生可以圍繞項目式學(xué)習(xí)過程中的驅(qū)動性問題進行深入思考，完成真實且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，最終實現(xiàn)習(xí)得學(xué)科知識以及提升高階思維能力等項目式學(xué)習(xí)目標。信息技術(shù)課程特別是開源硬件課程需要與生活情境緊密相連，驅(qū)動性問題應(yīng)從確定的項目主題出發(fā)，緊扣開源硬件課程的知識點和學(xué)習(xí)目標，充分考慮各學(xué)科核心概念的應(yīng)用域，構(gòu)建其與生活的聯(lián)系，從生活問題出發(fā)設(shè)計具有開放性、有一定難度的、密切聯(lián)系學(xué)生生活情境且符合學(xué)生特征的驅(qū)動性問題（任務(wù)），可以是常見設(shè)備的模仿制作或改進創(chuàng)新，也可以提出生活中的全新問題。

4. 規(guī)劃項目活動

規(guī)劃項目活動主要包括通過情境構(gòu)建幫助學(xué)生理解驅(qū)動性問題、通過活動設(shè)計實現(xiàn)計算思維培養(yǎng)、通過工具設(shè)計支持學(xué)生學(xué)習(xí)活動。

（1）情境構(gòu)建

知識源于客觀世界又作用于客觀世界，在與客觀世界的相互作用中才能體現(xiàn)知識的本質(zhì)。學(xué)生在情境中的互動可以促進知識的形成和發(fā)展。同時，情境中的學(xué)習(xí)也能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)投入，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作為強調(diào)在真實情境中開展學(xué)習(xí)的模式，項目式學(xué)習(xí)將學(xué)科內(nèi)容通過項目活動的形式予以呈現(xiàn)，學(xué)生在豐富的資源支持下通過合作、探究、發(fā)展、創(chuàng)新，最終實現(xiàn)對學(xué)科知識的學(xué)習(xí)和相關(guān)能力的提升[13]。在開源硬件課程的設(shè)計中，需要構(gòu)建盡可能真實的情境，將開源硬件置身于真實的應(yīng)用場景中，引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)實情境中的問題，運用所學(xué)知識解決現(xiàn)實情境中的問題。

（2）活動設(shè)計

對項目問題進行分解，有利于學(xué)生分配合適的時間，同時，也有利于對項目進行階段性的評價，促進項目更好的完成。項目活動是由驅(qū)動性問題引領(lǐng)的、結(jié)合學(xué)習(xí)目標的、具備一定探究性和挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)。開源硬件課程的項目式學(xué)習(xí)活動設(shè)計應(yīng)該建立在個體使用計算思維方法形成并完成問題解決方案的過程基礎(chǔ)上，圍繞利用開源硬件開展項目設(shè)計的一般流程展開，幫助學(xué)生在真實問題的項目中，通過抽象分析輸入、輸出裝置的數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系，設(shè)計算法和編寫程序，實現(xiàn)開源硬件課程項目作品的自動化執(zhí)行，最終實現(xiàn)對項目驅(qū)動性問題的解決。

（3）工具設(shè)計

工具設(shè)計部分主要是為學(xué)生提供完成任務(wù)所需的必備工具，可以分為：①開源硬件開發(fā)所需的軟硬件工具，主要包括支持學(xué)生完成項目制作所需的各類硬件芯片、傳感器、執(zhí)行器以及與之配套的連接線等硬件工具，支持其進行算法設(shè)計、程序編寫、編譯上傳的軟件平臺;②支架工具，主要包括幫助學(xué)生進行問題分解、問題抽象、算法設(shè)計、調(diào)試優(yōu)化、反思提升等學(xué)習(xí)活動的“策略型支架”和介紹相關(guān)傳感器、執(zhí)行器工作原理、接線原則、調(diào)用方式的“資源型支架”。支架的設(shè)計應(yīng)依據(jù)學(xué)生的特征，兼顧科學(xué)性與通俗性、嚴謹性與實用性的要求，針對學(xué)生解決問題過程中可能出現(xiàn)的問題及設(shè)備應(yīng)用、程序編寫中的重難點提供支持。

（二）項目實施

項目實施階段是項目式學(xué)習(xí)的核心，本研究的項目實施階段以美國國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）和計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）提出的計算思維操作性定義[14]中的實現(xiàn)問題解決為目標，設(shè)計學(xué)習(xí)流程和師生活動，將學(xué)生思維“定向”到用計算思維實現(xiàn)項目問題解決的過程，實現(xiàn)對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。

研究結(jié)合項目式學(xué)習(xí)的情境、內(nèi)容、活動、結(jié)果四個構(gòu)成要素，以及項目式學(xué)習(xí)的基本過程和方法、計算思維的操作性定義、開源硬件課程項目式學(xué)習(xí)的特點，構(gòu)建了如圖2所示的面向計算思維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)項目式學(xué)習(xí)實施流程。

1. 問題聚焦

對于開源硬件課程項目式學(xué)習(xí)而言，教師是項目的發(fā)起者和組織者，項目的主題也往往是由教師經(jīng)學(xué)科核心概念與真實情境的雙向路徑形成的。在問題聚焦環(huán)節(jié)，教師通過創(chuàng)設(shè)情境，提出非良構(gòu)、開放性的項目驅(qū)動性問題，引導(dǎo)學(xué)生聚焦項目關(guān)注的核心問題。學(xué)生通過教師創(chuàng)設(shè)的情境，感知項目，明確驅(qū)動性問題的要求，在對項目情境和驅(qū)動性問題進行分析后，提出多樣的問題解決方案。

2. 問題確定

在問題確定環(huán)節(jié)，教師通過對項目的原理進行分析并提供指導(dǎo)，幫助學(xué)生對項目進行問題分解，明確其中的工作原理，讓學(xué)生能夠使用自己的語言描述原理和運行過程，為問題抽象奠定基礎(chǔ)。在本階段，需要引導(dǎo)學(xué)生分析不同問題解決方案的工作原理、難易程度，結(jié)合開源硬件設(shè)備的實際情況，確定最佳的問題解決方案。

3. 問題抽象

抽象是將真實問題轉(zhuǎn)化為能夠使用開源硬件、軟件程序解決問題的關(guān)鍵，是對問題的具體原理在傳感器、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)及其關(guān)系上的抽象。在這個環(huán)節(jié)上，教師通過為學(xué)生提供資源開展支架教學(xué)，幫助學(xué)生在理解項目工作原理的基礎(chǔ)上選擇設(shè)備，分析數(shù)據(jù)，明確設(shè)備、數(shù)據(jù)間的關(guān)系，將項目問題抽象為能夠使用開源硬件、算法程序解決的具體問題。

4. 算法設(shè)計

算法是計算思維實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵，是將抽象的問題轉(zhuǎn)化為程序語言自動運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。計算思維的本質(zhì)是計算機化、程序化了的問題解決過程，包括利用計算機等工具輔助解決問題、進行邏輯組織和數(shù)據(jù)分析以及通過算法支持實現(xiàn)自動求解等步驟[15]。在算法設(shè)計環(huán)節(jié)，教師為學(xué)生提供幫助，指導(dǎo)學(xué)生依據(jù)抽象問題進行算法設(shè)計，開展實踐創(chuàng)作，完成作品。

5. 驗證測試

識別和修復(fù)錯誤是運用計算思維解決問題的一個重要部分。在問題抽象和算法設(shè)計之后，需要對解決方案進行調(diào)試和檢測。在驗證測試環(huán)節(jié)，教師組織匯報、綜合點評，要求學(xué)生將程序上傳驗證，并開展測試，對出現(xiàn)的錯誤通過同伴討論或在教師的指導(dǎo)下進行修改、完善。

6. 歸納遷移

計算思維的歸納遷移主要是指概括問題解決方案并將其應(yīng)用于解決其他問題。歸納遷移環(huán)節(jié)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下對項目問題的解決過程進行總結(jié)反思、拓展提升，同時對已完成的項目進行分析，總結(jié)解決問題的方法，將其歸納、總結(jié)、遷移、推廣到類似的、廣泛的問題求解中，培養(yǎng)學(xué)生理解開源硬件等信息技術(shù)工具在不同情境中解決問題的一般思路。

（三）項目評價

項目評價主要包括對成果的評價和對學(xué)習(xí)效果的評價。項目式學(xué)習(xí)強調(diào)將作品作為學(xué)習(xí)完成后的一個明確的輸出成果。項目作品的完成應(yīng)能體現(xiàn)項目式學(xué)習(xí)的目標，體現(xiàn)學(xué)生在知識、技能和思維上的發(fā)展。項目式學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過問題解決活動，所獲得的不僅僅是知識，還有如何應(yīng)用知識和技能的方法與策略，這就需要對學(xué)生表現(xiàn)出的高階思維能力作出評價。因此，在開源硬件課程項目式學(xué)習(xí)中不宜采用傳統(tǒng)的紙筆測試，而應(yīng)該構(gòu)建面向?qū)W生表現(xiàn)和思維能力的評價體系。

三、計算思維效果測量工具

研究將計算思維的培養(yǎng)作為研究的重點，需要關(guān)注學(xué)生計算思維的發(fā)展變化。關(guān)注學(xué)生思維發(fā)展方式的變化過程，觀察與分析思維外顯行為的過程，即評價計算思維的過程。本研究在參考已有研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建計算思維量表（Scale），測評學(xué)生在項目式學(xué)習(xí)前后計算思維的變化。同時，研究針對學(xué)生利用計算思維解決問題的過程性數(shù)據(jù)開展流程圖評價（Flow Chart）和文本分析（Text Analysis），通過S-F-T評價體系，形成量化和質(zhì)性相結(jié)合的評價方式。

（一）計算思維量表

研究選擇Mustafa等開發(fā)的涵蓋42個題項的計算思維量表。用該量表對785名高中生進行測試，證明了該量表對高中生計算思維測量有效。

（二）流程圖評價

研究將學(xué)生在完成項目過程中繪制的程序流程圖作為計算思維“發(fā)聲”的指標之一，并參考郁曉華等的研究[16]對學(xué)生表現(xiàn)出的計算思維水平進行評價。針對程序流程圖的評價主要從完整性、合理性和創(chuàng)新性三個維度進行，見表1。采取兩名授課教師分別評價，在確定評分尺度一致性后，對打分求取平均值。經(jīng)計算，本研究流程圖的評分標準區(qū)分度為0.646，具有較好的區(qū)分度。

（三）作品文本分析

本研究圍繞學(xué)生完成項目過程中的學(xué)案、程序設(shè)計文件和基于作品的訪談（Artifact-based Interviews），對學(xué)生利用開源硬件解決問題過程中體現(xiàn)的計算思維展開分析。學(xué)生在學(xué)案中主要記錄其對問題的抽象、分解，對數(shù)據(jù)及其關(guān)系的分析，對項目的迭代、優(yōu)化、遷移等內(nèi)容。程序設(shè)計文件是學(xué)生在完成項目中編寫的程序，是對學(xué)生問題解決過程中使用到的程序元素的集中體現(xiàn)。基于作品的訪談針對項目作品展開，包括對項目作品是如何創(chuàng)作的簡述、在完成項目作品中遇到的問題及如何解決的、完成項目作品時對重難點的攻破、對項目作品的迭代優(yōu)化、對項目結(jié)果成敗的測試等。

MARCOS R等學(xué)者指出，計算思維量表這樣的評價工具在對計算思維解決問題中的思維過程的評價上存在不足，同時研究還指出不同類型的評價工具關(guān)聯(lián)性較少，在教育實踐中建議綜合應(yīng)用[17]。研究中使用計算思維量表對學(xué)生計算思維能力在學(xué)習(xí)前后的變化進行客觀的評價，同時結(jié)合學(xué)生完成項目過程中的學(xué)案、程序設(shè)計文件和基于作品的訪談收集過程數(shù)據(jù)進行分析。通過提取細節(jié)信息和關(guān)鍵詞，分析和評估學(xué)生在計算思維問題解決過程中的變化，對量表的定量評價進行補充，從過程和細節(jié)的角度評價學(xué)生在參與課程學(xué)習(xí)后計算思維的表現(xiàn)。

四、面向計算思維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)

項目式學(xué)習(xí)模式效果檢驗

（一）實驗對象

準實驗研究于2020—2021學(xué)年第一學(xué)期的10月至12月開展，選擇蘭州市某省級示范性高中2020級高一年級一班作為實驗班，三班作為對照班。準實驗研究使用計算思維量表對學(xué)生進行前測（見表2），結(jié)果顯示，在問題解決等五個維度上，數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)方差齊性（sig>0.05），實驗班、對照班在計算思維量表的五個維度上均不存在顯著性差異，屬于同質(zhì)樣本。

（二）實驗設(shè)計

開源硬件課程項目式學(xué)習(xí)課程共計7周，每周兩課時，共計14課時。課程內(nèi)容上，實驗班和對照班在設(shè)計上基本保持使用的傳感器、執(zhí)行器、程序模塊的一致性。實驗班采用研究構(gòu)建的項目式學(xué)習(xí)模式及實施流程;對照班采用常見的學(xué)習(xí)模式，通過提出問題、示范演示、知識講解、自主編寫、交流展示等環(huán)節(jié)開展教學(xué)。

（三）實驗數(shù)據(jù)與分析

1. 基于計算思維量表（Scale）的學(xué)習(xí)效果檢驗

對實驗班和對照班計算思維量表的數(shù)據(jù)使用SPSS 25進行獨立樣本t檢驗（見表3），結(jié)果表明，實驗班學(xué)生在計算思維量表的五個維度上均產(chǎn)生統(tǒng)計學(xué)意義上的變化，其中，在批判性思維上，實驗班學(xué)生與對照班學(xué)生相比出現(xiàn)較高水平的顯著性差異;在問題解決、算法思維兩個維度上，實驗班學(xué)生與對照班學(xué)生相比出現(xiàn)了顯著性差異;在合作學(xué)習(xí)、創(chuàng)造性思維兩個維度上，實驗班學(xué)生與對照班學(xué)生相比也出現(xiàn)了一定程度上的顯著性差異。

2. 基于程序流程圖（Flow Chart）的學(xué)習(xí)效果檢驗

為揭示實驗班學(xué)生在參與開源硬件課程項目式學(xué)習(xí)后在程序流程圖評分上的變化，研究對實驗班學(xué)生程序流程圖評分進行分析，得到如圖3所示的結(jié)果。

研究表明，實驗班學(xué)生在利用程序流程圖外顯、表達自己計算思維上的表現(xiàn)呈逐漸提升趨勢。同時對實驗前后的程序流程圖得分進行配對樣本t檢驗，得出p=0.010（p<0.01），結(jié)果表明，實驗班學(xué)生在程序流程圖繪制評分的提升上有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。

同時，對照班和實驗班學(xué)生程序流程圖評分的獨立樣本t檢驗表明，樣本呈現(xiàn)方差齊性，且顯著性p=0.000（p<0.001），說明經(jīng)過不同的教學(xué)模式，對照班和實驗班的學(xué)生在程序流程圖上的表現(xiàn)出現(xiàn)顯著性差異，說明項目式學(xué)習(xí)在培養(yǎng)學(xué)生利用程序流程圖表達計算思維上具有顯著的效果。

為了進一步了解實驗班學(xué)生經(jīng)過開源硬件課程項目式學(xué)習(xí)后，在程序流程圖繪制上的變化，研究選取部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中繪制的程序流程圖，分析學(xué)習(xí)前后的變化。在對學(xué)生繪制的流程圖的分析中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)之后繪制的程序流程圖其完整性、合理性逐漸向好，說明學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)，利用計算思維解決問題的思路日漸清晰。同時，學(xué)生繪制的程序流程圖中有紅筆修改的痕跡，這是在程序上傳調(diào)試的過程中學(xué)生就出現(xiàn)的問題對思路不斷修正和優(yōu)化的痕跡，體現(xiàn)了學(xué)生隨著程序編寫和測試任務(wù)的推進，對問題解決思路的不斷修正和優(yōu)化的思維過程。

3. 基于項目作品文本分析的學(xué)習(xí)效果檢驗

基于項目作品的文本分析將實驗班在完成課程最后一個項目——“智能家居臺燈”形成的學(xué)案、程序和對其的訪談文本作為數(shù)據(jù)來源。從學(xué)生的學(xué)案中，研究發(fā)現(xiàn)針對項目主題，實驗班學(xué)生圍繞項目主題，不同組學(xué)生能夠聚焦不同的問題[如ZL（女）、LJX（女）兩位學(xué)生組成的小組聚焦顯示溫度和遙控控制燈光;CWH（男）、ZQ（男）兩位學(xué)生組成的小組聚焦逐漸亮度調(diào)節(jié)、LCD溫度顯示和音樂播放]。研究將實驗班形成的23個學(xué)案文稿錄入Nvivo 11中，并從問題的識別分解和抽象、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備選擇、算法設(shè)計幾個維度進行編碼分析。研究發(fā)現(xiàn)，實驗班的學(xué)生在完成課程項目式學(xué)習(xí)后，能夠從各自聚焦的問題出發(fā)，明確各功能的工作原理，對問題進行識別和分解，并能夠用自己的語言正確描述臺燈的基本功能，也能夠根據(jù)“智能”這一主題為作品添加包括遠程開關(guān)、聲音控制、亮度控制、溫度提示及備忘錄提示等功能，用自己所學(xué)實現(xiàn)智能化的問題解決。在數(shù)據(jù)分析、設(shè)備選擇和算法設(shè)計階段，實驗班的學(xué)生針對聚焦、識別和分解的具體問題和工作原理，進行數(shù)據(jù)分析，選擇合適的傳感器和執(zhí)行器，甚至利用學(xué)案學(xué)習(xí)使用新的元器件和程序。實驗班的學(xué)生在問題確定和問題抽象的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)解決問題中需要的傳感器、執(zhí)行器以及相關(guān)數(shù)據(jù)，以問題解決為目的，準確描述輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，為流程圖設(shè)計和程序的編寫奠定基礎(chǔ)（如學(xué)生RGY和JJC為解決智能家用臺燈通過聲音控制開關(guān)問題，將數(shù)據(jù)之間的關(guān)系描述為“選用聲音傳感器，設(shè)定一定的值，聲音大小超過該值時燈亮，反之燈滅”）。

在對實驗班學(xué)生編寫程序的分析中，可以看出在經(jīng)歷了問題聚焦、問題確定、問題抽象、算法設(shè)計后，學(xué)生均可以正確地選擇程序模塊以及相關(guān)邏輯運算模塊，正確編寫程序。同時，結(jié)合對學(xué)生學(xué)案和訪談數(shù)據(jù)的分析，實驗班學(xué)生能夠從作品能否解決驅(qū)動性問題、是否符合日常生活經(jīng)驗或常見狀態(tài)、能否穩(wěn)定運行等維度評估項目成功與否。學(xué)生也會通過添加一些硬件讓作品更加實用、功能更加豐富或能夠在新場景下拓展應(yīng)用，以實現(xiàn)項目作品的優(yōu)化遷移。實驗班學(xué)生同時表示，項目式學(xué)習(xí)使自己形成了用程序眼光看待身邊問題的計算觀念。

五、研究結(jié)論及實踐建議

（一）研究結(jié)論

本研究構(gòu)建的面向計算思維培養(yǎng)的項目式學(xué)習(xí)模式及其實施流程，將學(xué)生解決問題的思維“定向”為計算思維的過程。研究通過計算思維量表、程序流程圖評價和基于作品文本的分析，證明其在高中生計算思維培養(yǎng)和提升上有效。

（二）實踐建議

1. 準確把握計算思維的內(nèi)涵設(shè)計開源硬件課程項目內(nèi)容

計算思維培養(yǎng)要求學(xué)生能夠結(jié)合自己的生活、學(xué)習(xí)實際，運用計算機相關(guān)知識解決問題，完成作品，得出結(jié)論。因此，以培養(yǎng)計算思維為目標，就是要強調(diào)以通過計算思維實現(xiàn)問題解決為主線，以驅(qū)動性問題推動項目，利用計算思維的全過程培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和解決問題的能力。在開源硬件課程項目內(nèi)容的選擇上，要對計算思維解決問題的思維過程有科學(xué)準確的認識。注重從高中生身邊真實的設(shè)備、裝置出發(fā)，提煉驅(qū)動性問題，通過真實的問題，引發(fā)學(xué)生深入思考。融入計算思維的驅(qū)動性問題要能夠讓學(xué)生在驅(qū)動性問題的思考與解決過程中，逐漸認識到計算機相關(guān)知識和方法的重要性，主動去嘗試使用這些知識和方法來解決問題，從而在完成項目、求解問題的過程中獲得相關(guān)知識，提升計算思維，提高問題解決的能力。

2. 依據(jù)計算思維過程設(shè)計開展項目式學(xué)習(xí)活動

作為利用計算機相關(guān)知識或方法解決問題的思維過程，計算思維解決問題的過程是定向的，而非隨意的。因此，在開展面向計算思維的項目式學(xué)習(xí)活動時，需要依據(jù)計算思維實現(xiàn)問題解決的過程，通過問題聚焦、問題確定、問題抽象、算法設(shè)計、驗證測試和歸納遷移六個環(huán)節(jié)開展相應(yīng)的項目式學(xué)習(xí)活動設(shè)計和教師活動設(shè)計，定向幫助學(xué)生在利用計算思維解決問題中實現(xiàn)對計算思維的培養(yǎng)。

3. 重視學(xué)習(xí)支架在項目式學(xué)習(xí)中的作用

如前文所述，學(xué)生解決問題的思維存在隨意性，而計算思維卻是定向的，因此，也需要通過學(xué)習(xí)支架幫助學(xué)生根據(jù)項目式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)開展學(xué)習(xí)，變問題解決的隨意性為定向性。依據(jù)計算思維解決問題的過程設(shè)定問題鏈，通過回答問題，支持學(xué)生依據(jù)計算思維解決問題的過程由思維隨意性變?yōu)槎ㄏ蛐浴Ｑ芯拷ㄗh：首先，將問題聚集、問題確定、問題抽象、算法設(shè)計等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為問題，編制學(xué)習(xí)任務(wù)單，形成學(xué)習(xí)支架，支持學(xué)生分解問題、抽象問題、設(shè)計算法，引導(dǎo)學(xué)生完成項目問題的解決，以培養(yǎng)和提升計算思維。其次，算法設(shè)計對于學(xué)習(xí)者而言是難點，如何將數(shù)據(jù)間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為算法往往制約著學(xué)生的項目推進，因此，需要如流程圖這樣的思維可視化工具作為支架反映學(xué)生的設(shè)計思想，幫助學(xué)生整理思維、設(shè)計算法。同時，算法設(shè)計的錯誤或缺陷也都會反映在流程圖中，教師可以及時發(fā)現(xiàn)并通過示范講解、學(xué)生展示糾錯等方法專門給予指導(dǎo)。最后，還需要針對不同的傳感器、執(zhí)行器的工作原理、程序調(diào)用提供學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識，更好地將其應(yīng)用在自己的問題解決方案中。

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Research on Project-based Learning of Information Technology Curriculum for Cultivating Senior High School Students' Computational Thinking

SU Qing1，? ZHANG Wenlan2，? WANG Hai3，? LI Hongbin3

（1.School of Educational Technology， Northwest Normal University， Lanzhou Gansu 730070;

2.School of Education， Shaanxi Normal University， Xi'an Shaanxi 710062;

3.Lanzhou No.51 High School， Lanzhou Gansu 730000）

[Abstract] The new senior high school information technology curriculum standards lists computational thinking as a core literacy of information technology subjects， and its cultivation in curriculum teaching has become an urgent problem to be solved. Centering on the cultivation of computational thinking， this paper combines the theories， methods and elements of project-based learning with the problem-solving process of computational thinking， and establishes a project-based learning model for computational thinking from three aspects： project design， project implementation and project evaluation. And a specific implementation process of six links is proposed， namely， problem focusing， problem identification， problem abstraction， algorithm design， verification testing and induction migration. Through the quasi-experimental research， this paper proves that it can effectively cultivate and improve the computational thinking of senior high school students in the selective compulsory course of information technology "Open Source Hardware Project Making" by using quantitative and qualitative evaluation methods.

[Keywords] Computational Thinking; Project-based Learning; Open Source Hardware; Learning Mode

基金項目：2021年中國教育科學(xué)研究院STEM教育2029行動計劃專項課題“STEM視角下推動普通高中育人方式改革的實踐研究”（課題編號：2020STEM118）;甘肅省教育廳2022年青年博士基金項目“面向計算思維培養(yǎng)的中小學(xué)信息技術(shù)課程項目式學(xué)習(xí)研究”（項目編號：2022QB-039）