基于計算思維培養的信息技術拓展課程實踐探究

【摘要】本文基于計算思維是信息技術學科的核心素養之一，論述在義務教育信息技術拓展課程培養學生計算思維的方法，即通過“研、教、學、評”一體化設計和可視化編程拓展課程開發，促進學生計算思維的發展。

【關鍵詞】計算思維 拓展課程 可視化編程 教學模式 評價指標

【中圖分類號】G62 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）25-0057-05

2017年，計算思維被確定為信息技術學科核心素養之一。如何有效培養學生的計算思維是信息技術學科教師面臨的挑戰。國際上的普遍做法是通過課程建設予以解決，如美國、澳大利亞等國家為了培養學生的計算思維，開設了面向STEM（科學、技術、工程和數學）的全新課程，在課程實施工具方面，采用圖形化編程，使學生不必面對晦澀難懂的代碼語法，從而掃除了編程語言的障礙，使學生可以直接涉足設計與創造。

為了有效培養義務教育階段學生的計算思維，筆者在借鑒國外經驗的基礎上，于2020年組織柳州市51所中小學校的相關教師及100名信息技術學科教師，開發了基于計算思維培養的義務教育多學科拓展課程。下面，筆者介紹如何通過“研、教、學、評”一體化有效設計和開發義務教育信息技術拓展課程。

一、“研”——目標正確與內容科學的保證

（一）科學制訂課程目標

開發和建設信息技術拓展課程，首先需要確定課程目標，其次需要制訂課程框架、內容，繼而研究解決課程實施過程中的一系列問題。為使制訂的信息技術課程符合學科改革發展需求，筆者帶領團隊對學段學情、現行信息技術教材的不足、信息技術課標銜接進行了調研。

1.調研可視化編程普及情況

我們團隊對部分學校三至六年級學生進行不記名問卷調查，共收回問卷2 055份。調查發現，在三年級、四年級學生中，有48%的學生從來沒有接觸過可視化編程，了解可視化編程軟件的學生不足26%。五年級、六年級學生中，有41%的學生從沒學過編程，了解可視化編程的學生不到21%。而在接觸過編程軟件的學生中，超過54%的學生是在學校社團或競賽隊伍里學習編程，通過校外培訓機構接觸的有29.47%，有極少數學生是在家長的引導下自學的。

2.研析現行教材內容

2021年廣西科教版《信息技術》教材涉及編程方面內容的只有五年級下冊主題四《能說會道新朋友》，共有3課時3個任務，以體驗、感受居多。初中教材（2016年版）只有八年級下冊有4個主題涉及可視化編程，但這4個主題均是選修內容因而缺乏課時保證。

3.研讀課程標準中的相關要求

《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》指出：課程要通過豐富多樣的任務情境，鼓勵學生在數字化環境中學習與實踐；倡導基于項目的學習、多元化教學策略；課程設計體現層次性、多樣性和選擇性；在課程中嵌入與信息技術相關的社會現實問題情境，結合數據加工、問題解決和信息系統操作的真實過程，發展學生的計算思維；構建基于學科核心素養的評價，改進學習，優化教學和整體性評價。

綜合以上幾點，我們制訂了基于計算思維培養的信息技術拓展課程目標：營造真實有趣的情境，通過提供豐富的數字化資源開展教學，幫助學生初步了解利用計算機科學基礎知識解決問題的一般步驟、方法，會識別和進行簡單問題的分析、拆解、抽象、建模、算法實現，能夠自主、合作探究完成簡單問題解決方案的制訂，并通過軟件平臺編程、調試實現自己的創意及設計，初步培養學生的計算思維。

（二）科學選擇課程內容的三個原則

1.多元化原則

（1）平臺多元化

我們利用不同平臺建設立體化的拓展課程，包括可視化編程、STEM課程、腳本語言Python課程等，滿足不同學段、不同層次學生計算思維的培養需求。可視化編程引入“點貓科技”公司的源碼編輯器，讓學生通過玩積木方式創造游戲、故事、動畫、應用程序等；STEM則以圖形設計類“卡魅”“3D One”為平臺開發教學內容，讓學生解決問題具象化；Python課程采用海龜編輯器，適合學生從可視化編程向代碼編程進階。各實驗學校可依據本校師資及條件選擇合適的平臺開設信息技術校本拓展課程。

（2）應用多元化

信息技術拓展課程的開發，應該為學校學科競賽、社團活動、課后服務、特色課程開設等提供足夠的支撐，主要包括以下方面。一是個別化拓展內容。學校從社團建設、學科競賽角度考慮，挑選邏輯思維強、天賦高，對編程較感興趣、有特長的學生，為他們提供與所學課程專題有關的知識，但又超出正規課程所覆蓋的廣度和深度。如Python平臺課程，適合于邏輯思維強、數學功底好、愛好編程的初中生。此類拓展課程，適合社團課或信息“奧賽”成員學習。STEM課程內容跨學科融合，對學生的創新及動手能力要求較高，有些模塊還需要一定的硬件設備，適合小范圍開設。二是延伸性拓展內容。該內容針對全體學生，是學科正規信息課程的延續、深入、豐富。如小學可視化編程課程，有助于學生在源碼編輯器中以游戲化、項目化的方式開展學習，完成對初級算法知識的學習和入門。素材庫有趣多樣，豐富的原創IP為學生構建了充滿故事和真實感的源碼世界。由于軟件平臺操作人性化、可視化、興趣化，入門檻低，適合全體學生學習。

2.學段有效銜接原則

信息技術拓展課程內容的選取，要考慮不同年齡段學生的發展需求，原則上要小學、初中、高中一體化構思，義務教育要與高中教育有效銜接，小學低年級到高年級逐漸從形象思維向邏輯思維方向轉變。

基于此，筆者的研究團隊在選取小學拓展內容時，以可視化編程、STEM簡單項目為主，而初中拓展課程則在小學基礎上加大項目難度，加強算法學習，增加代碼編程內容，如在可視化編程、STEM基礎上，開設Python課程作為提升、補充，螺旋式培養學生利用計算機科學基礎知識解決問題的能力，也保證初中生進入高中后可以無縫銜接，順利適應以Python語言作為編程平臺的高中課程內容學習。

3.生活真實化原則

培養計算思維的最終目的不是停留在課堂上解決問題，而是回歸實際生活解決問題，即學生在遇到實際問題時，能夠自然而然地運用課堂上形成的思維意識和能力來解決問題。因此，營造來源于學生身邊的、熟悉的真實情境并設計真實的任務，成為課程開發的重點。

一是以學科融合為切入點，以學生日常生活為主線。小學生偏向形象思維，抽象思維、邏輯思維較弱，我們主張設計看得見、摸得著、聽得到的情境化、游戲化、故事化學習主題，在知識與生活之間建立有意義的聯系，促進學生理解與掌握知識。例如，我們所設計的其中一本拓展教材內容，就是由教師帶領學生和“小Z”（編程軟件虛擬角色）交朋友、做運動、學畫畫、講故事、做算術、玩游戲，使學生能夠輕松愉快地學習知識。教材中的案例涉及小學語文、數學、科學、體育等多學科融合，每個案例都有“跟我學”“小提示”等板塊，編排結構合理，內容豐富實用。

二是以家國情懷為切入點，以地方民族風情為主線。我們以柳州各景點的游覽作為初中可視化編程拓展教材的編寫主線（如表1），設計出獨具柳州特色的“小螺哥”“三妹”角色形象及教材圖片素材，以順序、選擇、循環、函數幾大編程算法作為教材編寫的暗線，恰到好處地將本土特色和知識點相融合。每個章節都采取“兩課操作案例+一課算法專題”的形式進行架構。案例課在做中學，難度遞進提升；專題課對主要算法思維進行強化，并結合日常生活理解和運用算法，培養學生的計算思維。

三是以“學以致用”為切入點，以身邊數據信息處理為主線。利用所學去分析、挖掘身邊一些事物的內涵及規律，解決一些現實問題，這是深受學生歡迎的教學方式。初中是學生形象思維向抽象思維轉變的階段，學生的編碼能力變強，能理解事物表象背后的一些道理和規律。為此，初中Python拓展課程的設計，以零基礎為起點，內容貫穿順序、選擇、循環三大算法，以案例教學為主，堅持學以致用（如表2）。通過學習，學生能夠融會貫通，完成較復雜的數據處理項目，體驗到利用計算機科學知識解決問題的高效性，繼而有效激發學習、探究的熱情，加深對抽象知識和自動化知識的理解。至于平臺，我們選擇海龜編輯器。海龜編輯器兼顧積木式編程及代碼編程兩種方式，符合初中生思維處于形象思維向抽象思維轉變的實際。

二、“教”——開發有效教學模式

（一）項目式教學模式

我們把項目教學法與計算思維培養幾個關鍵步驟結合起來，項目即真實的問題，項目的分析、分解對應著問題的抽象、理解和分解，通過思維導圖的方式讓思維可視化（如圖1）。在這樣的教學模式中，學生以小組合作的方式設計項目，前幾個課時由教師引導學生用流程圖的方式呈現簡單問題的解決過程，后幾個課時由學生獨立完成項目計劃。此環節對應著計算思維中的算法與數據分析，通過流程圖和項目計劃書讓學生的思維可視化。在項目實施環節，各任務的解決包含著新知的學習及規律探究，抽象與建模、優化，知識的拓展與遷移，問題的解決過程、方法的優化對應著項目的調試及程序的優化過程，以及模式識別拓展運用到生活當中，最終的作品展示、項目的評價則又促進學生的自我思辨與提升。

（二）STEM教學模式

基于STEM教學培養小學生計算思維的課程教學模式包含六個步驟：設置問題、拆解分析、抽象建模、計算機模擬、創作作品、評價共享成果（如下頁圖2）；四個環節：劇本設計、動手嘗試、邀你挑戰、我的收獲；師生活動：在教學中，教師指導與學生活動也對應分為六個步驟。在師生活動的步驟2中，已經把問題拆解為若干個小任務，所以在“算法解析”和“計算機模擬”時，教師會根據需要重復此步驟，以促成學生完成小任務?；赟TEM教學，我們選擇了圖形化編程、AutoCAD（卡魅制作）、3D One（3D設計）的課程教學內容，所以“計算機模擬”也在對應的軟件中完成。

（三）任務驅動式教學模式

在任務驅動教學中，教師的教和學生的學都以完成一個具體任務為主線。教師提出問題，以任務的形式發送給學生。學生在接收到任務后對問題進行分析，得出解決問題的辦法，從而調動學習主動性和積極性；在問題解決中給出自己的觀點和做法，在同一個任務的不同解決方法中選擇最佳方法。在多次解決問題的嘗試中，學生掌握了解決實際問題的能力，培養了創造性思維和計算思維（如圖3）。

三、“學”——配套數字學習資源

開發豐富的教材配套資源，營造立體化數字學習環境，給師生提供良好的教材使用體驗，是破解師生使用新教材所遇難題的有效切入點，可有效促進師生共同成長。

（一）教師的“學”

教師使用信息技術拓展教材開展教學，其實就是無聲的培訓和學習成長過程。學科教師只有充分理解開發者的意圖，了解與之相關的有效教學模式，掌握課程資源的正確使用方法，才能順利實施教學。由優秀課例、教學設計、課件、微課、導學案、素材包等組成的資源庫是教師用好信息技術拓展教材的有力保障。教師在使用教材之前，通過觀摩配套優秀課例資源，從中接觸到編者的教學理念、教學方法和經驗，然后主動借鑒、模仿、創新、實踐，內化吸收為自己的教學技能，并運用于課堂教學之中，課后反思改進，找到適合自己的教學方式方法。這種“不斷觀察—學習—實踐—反思”的過程就是與編者無聲的學術交流的過程，也是教師不斷學習成長的過程。

（二）學生的“學”

資源庫的開發，同樣要全方位為學生服務。學生可利用導學案有效完成課前、課中、課后的學習任務，從資源庫的微課中尋找到突破難點的方法，從素材包中找到合適的素材來完成學習任務等。資源庫為不同層次學生的學習提供了有力的保障。

例如，初中可視化編程課程資源細化到拓展教材的每一章節內容，并作了分層考慮：每一個作品都制作一份基礎版作品供能力有限的學生參照，一份提高版作品供學有余力的學生參照；對不同主題、不同設計思路的程序進行分解，提取每一課案例程序中使用到的角色和背景，單獨存放于指定文件夾中；制作微課對知識難點進行講解。

四、“評”——構建多維評價體系

（一）從作品完成效度方面設計評價表

從作品完成效度方面設計評價表主要是從知識維度出發，針對不同的課程內容，設計作品評價表、課后練習題等，引導學生開展自評、互評（如表3）。

（二）從學生計算思維發展角度設計評價表

這是對信息技術拓展課程開發的效果和培養學生計算思維的成效進行自我診斷的測評，為拓展課程的后續修改、豐富提供科學數據，賦予拓展課程生命力。筆者的研究團隊借鑒了Bebras試題作為學生計算思維水平的測量工具。該試題以學生熟悉的生活場景為背景，將計算機科學概念具體化，其中要解決的問題需要學生利用計算思維和新方法。課題組共設計前后測試題各8題，均來源于“Bebras國際計算思維挑戰賽”題庫，并對應分解、抽象、算法、評估、概括五大計算思維能力維度（如表4）。

（三）從知識維度出發設計評價表

從知識維度出發設計評價表主要基于知識點開展自我評價，促進學生總結與歸納，反思本課學習效果，尋找原因，促進學生課后學習及下一課的修正，形成良好的學習方法和習慣（如表5）。

（四）從能力維度設計評價表

從能力維度設計評價表的目的是引導學生自我審視、思辨，形成一種習慣、一種能力。如初中可視化編程課程針對能力維度，在每一節案例類課中設計了一個總體評價表，讓學生對應計算思維核心要素進行自評自查，重視對學生的過程性評價（如表6）。

信息技術拓展課程的設計和開發，是一種知識面廣、時間跨度大的校本教研方式，筆者的研究團隊經過實踐，探索出了“研、教、學、評”一體化的拓展課程有效開發模式：“研”是基礎工作，決定了課程是否有價值，課程目標是否正確，課程內容是否科學，需要進行多方面的調研及文獻、理論的學習和論證；“教”體現課程的理念和方法，針對課程開發的各種教學模式，能有效促進教與學的變革，提高教學質量；“學”是課程實施的保障，各種配套數字學習資源可破解教師教學實施過程中的問題，提供豐富的參考經驗，亦為學生的自主學習和探究提供足夠的輔助；“評”是有效實施反饋，通過對教學行為和結果進行多維度的科學測評，促進師生反思與提升，亦為課程的修改、完善提供數據。依此設計和開發的基于計算思維培養的義務教育信息技術拓展課程，是學科教材的有益補充，有助于培養學生的計算思維。

參考文獻

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注：本文系廣西教育科學規劃2021年度重點課題“基于計算思維的義務教育信息技術學科拓展課程的開發及應用”（2021A063）的階段研究成果。

作者簡介：藍海峰（1975— ），廣西博白人，本科，工學學士，研究方向為信息技術與學科融合、課程開發。

（責編 黎雪娟）