面向計算思維培養的跨學段銜接教學實踐探索

【摘 要】文章在分析計算思維跨學段銜接教學重要性的基礎上，結合銜接教學實踐，提出了面向計算思維培養的跨學段銜接教學實踐策略：采用大單元“逆向設計”的教學設計策略、“用數學思維連接計算思維、借助算法探索拓寬計算思維廣度、歷經問題解決全過程拓展計算思維深度”的教學實施策略和“關注思維發展，體現教、學、評一致性”的教學評價策略。

【關鍵詞】計算思維;跨學段;銜接教學

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）09-014-03

2022年義務教育階段新課標頒布，義務教育階段的信息技術課程成為一門獨立的國家課程并正式更名為“信息科技”，這不僅是課程地位的提升，更是學科育人價值追求的變化。高中階段于2020年開始全面實施基于新教材的課程教學，信息意識、計算思維、數字化學習與創新和信息社會責任是它們共同追求的學科核心素養。在高中項目教學實踐過程中一線教師普遍認為時間緊、任務重，究其根源在于學生學習準備不完備，思維訓練匱乏。因此探索面向計算思維培養的初高中銜接教學策略對學生成長、課程建設和學科發展都意義重大。本文以“雞兔同籠”問題的解決為例來談談如何開展計算思維培養的跨學段銜接與螺旋上升。

計算思維跨學段銜接的重要性

1.課程標準的內在要求

國內外不同專家從不同層面界定了計算思維的內涵，結合2017年版普通高中信息技術課程標準中關于計算思維的定義，本文認為計算思維表現在問題解決過程中的思維活動，從問題解決的過程來看，思維活動包含了分析問題、設計問題解決方案、基于方案解決問題并評估優化方案，即界定問題、抽象建模、算法實現、評估優化。普通高中信息技術課程標準將計算思維的學業水平劃分為四個等級，2022年頒布的義務教育階段信息科技課程標準給出了計算思維四個學段的學段特征，從課標描述可以看出，高中階段計算思維的預備級水平與義務教育第四學段（7-9年級）計算思維的水平相當，第四學段中的遷移能力包含在了高中階段的水平1，由此可見，學科核心素養培養的學段銜接與螺旋上升是課標的要求。

2.計算思維發展的內在規律要求

計算思維是人類高階思維之一，其發展以學科知識和技能為基礎，以問題解決過程為載體。人的思維是一個由簡單到復雜，再回歸簡約的過程，即人類對世界的認識和理解是螺旋式深入并最終歸納出事物的本質。皮亞杰將兒童思維發展分為直觀行動思維、具體形象思維和抽象邏輯思維三個階段，計算思維更多地體現在以直觀行動思維和具體形象思維為基礎的抽象邏輯思維上。小學階段是計算思維的重要啟蒙期，初中生的抽象邏輯思維逐漸發展起來并日益占據主導地位，計算思維的發展必須遵循思維發展的規律，因此做好思維培養的學段銜接教學緊迫且重要。

面向計算思維培養的跨學段銜接教學實踐策略

思維是核心素養最本質的構成要素，發展計算思維是信息科技課程和信息技術課程共同的價值追求之一，要將計算思維的培養落實到課堂教學實踐中，就要遵循學生思維發展規律，優化組織教學內容，精心設計課堂學習活動，有效落實課堂探究活動以及跟蹤評價活動。面對學生基礎參差不齊、教學時間緊、學習任務重的現狀，在第二輪的必修1教學中設計實施了“‘雞兔同籠’問題解決”的銜接項目。

1.采用大單元“逆向設計”的教學設計策略

所謂“大單元”就是打破教材章節限制，根據項目探究的需要整合不同章節、學段的內容;所謂“逆向”設計就是首先明確目標，在目標引領下設計證明學生達到預期目標的評價指標，進而設計促進目標達成的系列學習活動。大單元教學設計用項目貫穿單元知識點和基本技能，貫通不同單元，增強知識技能之間的連接，讓學生在問題解決的過程中建構知識、習得技能，發展思維，促進學生的深度學習和遷移能力提升。“‘雞兔同籠’問題解決”項目整合了必修1（教科版）教材中1.2數據的計算、第二單元編程計算、第四單元計算與問題解決的內容。

作為學段銜接的探究項目，項目主題選擇和深度把控尤為重要。在教學設計時可參考如下步驟：（1）明確項目探究目標與預期學習成果;（2）梳理核心概念，形成知識框架;（3）根據學情設計問題情境，確定學習主題;（4）設計學習活動和持續性的評價活動。“‘雞兔同籠’問題解決”項目的總目標是培養計算思維，因此將學生的預期學習成果分解為五大關鍵能力：問題界定與分解、抽象與建模、算法設計與實現、算法評估與優化。圍繞教材和項目目標，梳理出了項目的知識框架如圖1所示。從學習準備、學習能力和學習意愿三個方面進行了學情分析，確定了經典數學問題解決的活動主題，并創設了“雞兔同籠”問題解決的真實情境。

2.“問題解決為形，思維培養為神”的教學實施策略

計算思維體現在問題解決過程中，計算思維的培養也滲透在問題解決過程中，用計算思維的方法解決問題與在問題解決過程中培養計算思維相輔相成，互為促進。計算思維培養是靈魂，“問題解決”是載體和手段。

（1）數學思維：連接計算思維之橋

在銜接項目教學時，以經典數學問題解決為切入點是較好的選擇。因為經典數學問題的解決不僅為學生使用計算機解決熟悉的問題提供了契機，而且也有利于學生在利用數學思維解決問題的過程中逐步理解、經歷計算思維中的“分析與界定問題”“抽象與建模”“設計與實現算法”“評估與優化算法”等思維活動過程。在“雞兔同籠”問題解決中，教師將求解數學問題的過程、數學解題方法、“未知數”的概念、“分類討論”思想、“依次列舉”等類比到計算機求解問題的過程、程序設計中的算法、變量、分支結構、循環結構。這一系列的類比有效地激活了學生的已有經驗，實現了知識、技能和思維的遷移。

（2）算法探索：拓寬計算思維廣度

在“雞兔同籠”問題的解決中，學生會給出列表法、假設法、抬腿法、方程法等不同的問題解決方法。教師首先讓學生完成三項工作：分組描述不同方法解決問題的過程;說一說不同算法的區別與聯系;哪個方法可以很快得出答案呢？然后引導學生對比分析假設法和抬腿法，通過分析學生能找到雞或兔的頭數與雞、兔的總腳數和總頭數有一個固定的數量關系，比如得出其中一個公式：兔的只數=（總腿數-總頭數*2）/2，實質上公式的得出過程就是學生抽象建模的過程。緊接著引導學生分析列表法和方程法，學生會發現列表法的本質是最樸素、最笨拙的一個一個去試的方法，教師也就順勢給出了“枚舉”的思想。方程法是在限定條件下去列舉，方程法是列表法的優化。最后，引導學生思考利用Python程序實現算法，在算法實現的過程中學生就會接觸到變量、賦值、表達式等基礎概念以及算法的三種程序結構。除了從直觀上引導學生分析算法效率，也鼓勵學生探索Python程序的運行效率。

算法是問題解決的靈魂，算法探索對學生計算思維的發展尤其重要。只有學生思維打開了，才會運用計算思維的方法來解決問題，形成“問題解決”和“思維發展”的良性互動。

（3）問題解決：拓展計算思維深度

按照布盧姆的教育目標分類學理論，分析、評價和創造屬于高階思維技能。計算思維作為一種高階思維，其培養需要學生在問題解決中經歷聯想、拓展、遷移的學習過程，在不斷解決認知沖突的過程中促進深度學習。在“雞兔同籠”項目探究中，不僅讓學生聯想數學學習經驗、遷移數學中的問題解決方法，而且引導學生思考比較不同算法，以及利用Python程序實現算法。為了檢驗學生是否掌握了問題解決的方法，還設計了“小試牛刀”活動：“小明用6.8元在中國郵政購買了50張面值1角和2角的兩種郵票，求1角和2角的郵票各購買了多少張？請同學們編寫程序來計算”。項目最后設計一個拓展活動：用計算機程序求解經典的“百錢買百雞”問題。

3.“關注思維發展，體現教學評一致性”的教學評價策略

評價是教學的重要組成部分，在大單元逆向設計項目教學中，每個階段都要設計可以證明學生達成學習結果的證據，開展跟蹤性評價。大單元項目學習中跟蹤性評價方案應該包括評價目標（評價的角度或對象）、評價標準（參照課標和單元預期目標要求）、評價任務和評價方式（工具）等要素。以培養學生計算思維為主要目標的項目教學實施過程中，教師重點關注學生思維的發展狀態。在本項目中評價目標對應計算思維核心素養所蘊含的關鍵能力;評價方式（工具）主要包括項目探究單、學生作品、課堂觀察等方式。該項目評價方案如表1所示。

總結與反思

“雞兔同籠”問題是一個經典的數學問題，作為初、高中的銜接項目，項目情境本身并不復雜，但該類問題的解決方法有很多，且貼近學生的學習經驗，是一個比較成功的銜接教學項目。項目將算法、Python程序的基礎知識、程序控制三種基本結構等內容都融入其中。在本項目中特別關注了算法的探究和數學思維對于計算思維培養的橋梁作用。從某種意義上說，算法就是用于計算的一種過程模型，程序是該模型的一種形式化表達。理解并運用成熟算法，或經歷算法形成的建模過程，都是良好的計算思維培養渠道。

作為銜接學習項目，項目難度和復雜度需要把控。教師可以根據學校學生的實際情況進行調整。鑒于學情，本銜接項目的開放性和擴展性都具有一定局限性。作為培養學生計算思維的學習項目，學生要解決的應該是真實且相對復雜的問題，這樣更有利于學生經歷分析和界定問題、分解問題、抽象建模、算法設計與實現、算法評估與優化的全過程，有利于生發問題和發現問題。

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