培養計算思維的高中信息技術校本作業探究
——以認識程序和程序設計語言為例

曾 艷 張海宴

（福州金山中學，福建 福州 350008）

《普通高中信息技術課程標準（2017 年版）》界定了信息技術學科的核心素養要素：信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任。作為信息技術學科的核心素養之一，計算思維已成為中小學信息技術教育領域關注的焦點。2020 年福建省信息技術學科啟用新教材。新教材轉變過去偏重“知識型”和“技能型”內容學習的情況，圍繞課程目標，對每個單元設計豐富多樣的項目學習活動，旨在全面提升學生的核心素養。其中，《數據與計算》的“算法和程序設計”是最適合培養學生計算思維的學習內容，體現了信息技術學科的發展趨勢。本文以“認識程序和程序設計語言”項目為例，闡述如何基于學情設計多樣化的校本作業，培養學生的計算思維。

一、計算思維培養的系統規劃

美國卡內基梅隆大學計算機科學系主任周以真教授在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》上首先提出了“計算思維”的概念。周教授認為，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學廣度的一系列思維活動。她還認為，計算思維是每個人的基本技能，不僅屬于計算機科學家。我們應當使每個學生在培養解析能力時不僅掌握閱讀、寫作和算術，還要學會計算思維。［1］

計算思維是指有效結合信息技術與人類思想，解決復雜現實問題的一系列思維活動。2013 年，英國南安普頓大學的伍拉德博士和辛西婭·塞爾比博士共同提出計算思維包括五個要素：抽象、分解、算法思維、評估和概括。［2］培養學生的計算思維就要圍繞這五個要素設計學習活動。培養學生的計算思維是一個系統工程，需要按照各個學段的學習特點進行規劃，制定培養目標和培養內容。培養目標不應是確定不變的，而應從學生掌握的知識廣度和深度、解決問題時所需要的知識等視角進行分析，從而建立層級不同的培養目標，以反映學生思維能力的提高程度。

目前，我國對于計算思維的開展基本是通過信息技術課堂開展。從認知發展的特點來看，高中生已經具備較廣的知識面，可以脫離形象事物的支撐進行純代碼的編程學習，因此可對高中生進行模擬運用與探索創新層次的計算思維培養。根據本校學情，筆者規劃的目標是學生達到以下計算思維水平：針對給定的任務進行要求分析，明確需要解決的問題；能夠提取問題特征，進行抽象處理，并用形式化的方法表述問題；運用基本算法設計解決問題的方案，能使用編程語言實現這一方案；按照問題解決方案，選用適當的數字化工具獲取、組織、分析數據，并能將其遷移到其他相關問題的解決過程中。

二、計算思維培養的實踐方法

計算思維培養的終極目標是使學生能像計算機科學家一樣思考，這需要學生掌握大量的基礎知識，并進行較長時間的訓練。從教育教學的角度看，對學生進行計算思維的培養實踐過程，需要把握計算思維培養的關鍵環節與教學要點，精準設計校本作業。

（一）項目學習循序漸進

計算思維培養包含三個關鍵環節：分析問題、設計解決方案、遷移應用。高中信息技術學科的項目學習可以圍繞以上環節，根據學情精準設計校本作業，以知識為基礎、以能力為重點、以學科核心素養引領項目作業目標、以學科大概念統領項目作業內容。通過項目學習解決知識碎片化的問題，幫助學生建立知識間的聯系，建構學科知識體系，循序漸進地培養學生的計算思維。

在項目“認識程序和程序設計語言”的學習中，筆者從生活實例入手，設計了本項目的三種類型校本作業（圖1），作業的設計以項目為導向，在真實的問題情境中，學生自主地解決實際問題，可以極大地觸發學生思維的意愿，積極思考，克服困難，解決問題，從而發展思維。［3］

圖1 項目學習校本作業示意圖

1.分析問題

培養計算思維的第一個環節是分析問題，包括表述問題、組織和分析數據、抽象模型三個方面。課前作業是到圖書館借書的實踐體驗，課上分析問題并繪制借書流程圖，目的是復習算法的描述。由于學生第一次接觸程序設計語言，對編寫程序的一般過程比較陌生，而設計算法是編程解決問題的核心步驟，本題讓學生從體驗中了解算法思維，鍛煉學生分析問題，提高抽象地表達問題的能力。

完成以上學習內容，教師引出如何利用Python 編程語言實現程序的編寫。高中信息技術課程的算法和程序設計以Python 語言為編程工具，通過問題分析與算法設計，解決現實生活中遇到的相關問題，培養計算思維能力。學生需要對問題進行分析抽象和任務分解、設計解決問題的算法、代碼編寫后調試運行，再對程序糾錯與優化，最后進行程序的評價與延伸。這一系列學習活動包含了計算思維的五要素，是學生計算思維培養的系統化過程。

2.設計解決方案

編程教育在本質上是計算思維的一種載體。通過高中信息技術課程培養學生的計算思維，既可從高中課程標準規定的內容出發學習課程標準規定的課程模塊，也可基于學生的認知發展特點開拓編程教育、創客教育，從應用計算機科學解決問題的角度開展學生計算思維的培養。［4］筆者依據以上理論設計的校本作業綜合運用題，具有開放性、啟發性和探究性的特點，包含由易到難的分層次任務，滲透式地培養計算思維。

開展“軍工品質、大國重器”高端汽機油主題促銷活動，利用油潤互動、潤輔組合，提升店銷高端汽機油增量空間。今年“3·15”期間，結合“品質消費，美好生活”活動，大連分公司香爐礁昆侖快速換油中心與油氣零售分公司通力合作，以高端潤滑油品質體驗套餐為賣點，借助加油站引流的客戶資源，憑借超高的性價比，鼓勵顧客現場換油，當日實現高端機油銷售45桶。同時，在原有購買合成油送汽油基礎上，加推送玻璃水活動，既增加高端合成油大禮包力度，吸引消費者體驗昆侖高端汽機油產品，又帶動了玻璃水銷量，實現1+1＞2促銷效果。截至目前，大連分公司銷售高端汽機油10373桶，增幅143.5%。

（1）自主選擇，多元思維

綜合運用題：2022 年北京舉辦了冬奧會，冰墩墩和雪容融是倍受人們喜愛的吉祥物，有多種品類和款式，在淘寶奧林匹克官方旗艦店，冰墩墩金屬DIY鑰匙扣掛件的售價是88 元，雪容融10cm 擺件玩具售價是88 元，冰墩墩運動造型吸管杯售價是139 元……

完善程序題：請你自主選擇一款吉祥物（可在奧林匹克官方旗艦店查詢更多款式與價格），編寫一個猜價格的游戲程序，如果用戶猜的價格高于售價，顯示“對不起，你猜高了！”如果用戶猜對了，則顯示“恭喜你，猜對啦！”否則顯示“對不起，你猜低了！”請根據題意在程序***處填寫正確的代碼。

本題是此項目學習的重點，是計算思維培養的重要環節。通過熱點問題與數學計算巧妙結合起來，使學生在設計解決問題方案的過程中理解計算思維。

筆者采用完善程序代碼的方式，便于學生理解算法，體悟編程解決問題的過程，再提煉核心知識獨立編寫程序，問題情境輕松有趣且充滿挑戰性。同時，由于每個學生的思維不同，因此作業設計了自主選擇的內容，達到發展多元化思維的目標。

（2）案例模仿，發展思維

案例模仿包含兩個方面的功能：一是為學生提供豐富的學習資源，擴展學生對相關知識的理解深度；二是為學生提供示例，通過模仿可以一定程度上增強學生的體驗與感知，是深化學生對知識理解的重要途徑。筆者設計的編寫程序題在完善程序題之后，學生可以模仿上一題獨立設計解決問題的方案，有效地提高了學習效率，是校本作業設計的巧妙之處，促進了計算思維的發展。

程序的算法并不是唯一的，本題與數學的計算關聯性較大，學生的數學解題思維不同，程序的算法就不同，這是學生獨立編寫的第一個程序，可以檢驗學生是否達到計算思維的中等水平。

計算思維不是在接受式學習中培養的，它需要學生在分享、交流、對話、碰撞中漸漸清晰，內化為思考問題的習慣和解決問題的方法。因此，課堂作業完成后，教師抽選學生分享他們的程序代碼，全班學生參與評價，指出程序中存在的問題，學生根據評價對程序進行優化。在課堂評價環節，應該突出學生的思維評價，回顧問題解決的過程，提煉思維，通過概況和評估，實現計算思維的形成和提升。［5］

（二）問題探究，遷移應用

遷移應用是培養計算思維的第三個環節，遷移應用能力也是培養計算思維的最高層次目標，學生需要較長時間的學習與積累，當學生能夠在其他問題解決過程中靈活運用之前掌握的方法及知識，說明其計算思維已基本形成。筆者設計了課后探究拓展作業，促進遷移應用能力的形成。

探究拓展題：為了豐富同學們的課余生活，學校將舉辦科藝節活動，欲采購兩款冬奧會吉祥物作為獎品。請你編寫程序實現以下功能：分別輸入欲購買的冰墩墩、雪容融吉祥物的價格，購買總金額不能超過10000 元，要求冰墩墩的購買數量是雪容融的2倍，求出可以購買這兩款吉祥物數量的所有方案。

問題探究是學生將所掌握的計算機科學知識進行應用的階段，也是學生真正產生自我體驗的階段。從問題分析著手，將現實問題抽象為一個數學問題去設計解決方案。本題將學生的現實活動與假設情境相結合，問題本身帶有一種思維引導的作用，可以進一步提升學生的計算思維。學生之間可以自由分組，通過問題討論，在不同視角和觀點中，互相啟迪思維，使每個學生逐步從較淺的理解層次過渡到較深的理解層次。問題探究并不僅僅是解決一個問題，而是在探究的過程中追求思維上的進步與深化。

筆者設計的項目學習校本作業層次分明，在教學中注重學生思維過程的外化。學生初次接觸編程語言，通過教師講解后完成作業，抽象知識感受算法思維，在學生程序測試運行成功后，抽選學生交流展示，梳理自己的思維過程，同時學生之間進行評估，進而總結概括經驗解決類似問題，計算思維從而得到有效提升（圖5）。

圖5 提升計算思維方法

三、結語

計算思維已經成為適應信息社會發展，打造自我發展力的重要因素，培養學生的計算思維是時代發展對教育者提出的新要求。筆者以真實的生活經驗為切入點，讓學生切實了解算法，根據學情設計多樣化的程序設計校本作業，讓學生們學思并行，充分感受學習的樂趣，化被動接受為主動探究，逐步形成計算思維。