摘 要：計算思維的培養不是一蹴而就的，本文試著引入學習進階理論，探索并細化學生在學習信息技術課程的過程中所遵循的螺旋上升、層層遞進的思維路徑。借助SOLO分類理論，具體把計算思維分成“問題與分析”“算法過程”“建模與抽象”三個一級維度以及九個二級維度，試著探索行之有效的進階路徑，從而達到計算思維培養的目的。

關鍵詞：學習進階；計算思維；核心素養

作者簡介：彭仁杰（1981—），男，江蘇省蘇州高新區教學研究室。

一、研究背景

當前，新課程改革的主題是促進學生核心素養的發展。而信息技術學科核心素養之一的計算思維已逐漸被公認為當代數字社會“合格公民”的必備關鍵素養之一。

計算思維是《義務教育信息科技課程標準》所提出的要培養的核心素養之一，計算思維的培養也是最近信息技術學科最關注的話題之一，目前計算思維雖然取得了一定的理論研究成果，但還有許多關鍵問題沒有得到解決或解決得不夠深入。我國目前缺少一個本土化的、經過嚴格論證的指標體系來支持計算思維教學實踐的有效推進［1］。同時，我們還不太了解計算思維從基本形式發展到復雜形式的特點，沒有一個覆蓋全學段的、適宜的實踐模式來指導教師。

筆者在查看國內外文獻的時候，發現學習進階理論更加重視學生的科學認知過程和認知過程中的方法應用，能指導教師在課程設計的時候考慮不同學段的學生處于什么水平，聚焦學科核心概念，再根據學生思維的進階來設計課程，完成學生素養的進階。雖然學習進階理論在信息技術學科上的研究較為缺乏，但之前的國內外理論已經為計算思維如何進階提供了很好的研究基礎，也為后續的實踐研究奠定了理論基礎。

在文獻研究的基礎上，筆者認為有必要研究細化學生在學習信息技術課程的過程中所遵循的一系列層層遞進的典型思維路徑，歸納計算思維培養的精髓。筆者認為學習進階理論下學生計算思維的培養應關注學生“問題與分解”“算法過程”“建模與抽象”三個方面，從更加具體的方面探究計算思維的發展過程與培養效果，以期更有效地落實信息技術學科核心素養的培養。

二、研究目標

本研究目標為探究在基礎教育階段信息技術學科中，教師如何針對學生的計算思維有效開展進階培養。

具體研究目標為在深入研究計算思維后，構建計算思維進階框架；促進不同學段學生計算思維進階培養的教學策略研究；通過教學驗證完善進階框架，同時細化教學策略；開發“學習進階理論下促進學生計算思維發展的教學策略”的各類型課例。

三、構建計算思維進階模型

建構預設框架是本研究的第一項工作，也是本研究的重點內容，是后續研究的基礎。為了保證計算思維學習進階的科學性和有效性，本研究在構建學習進階假設時，主要遵循以下三個步驟。

（一）學習進階變量的確定

在查閱國內外文獻參考后，筆者確定了本研究中的學習進階維度，主要包括五個子變量：算法思想、問題分解、評價、抽象和歸納。為了促進測量工具的開發，需要對計算思維的三個子變量進行更為詳細科學的界定，使計算思維每個階段都易于測評，具體如表1所示。

（二）學習進階縱向層級的假設

模型假設每個學生都具有潛在的（不可直接觀察到的）計算思維能力，這種能力體現在項目分析及其解決、程序分析及其實現等能力上。學習進階呈現的是學生對于計算思維九個子變量認知水平的深化過程。通過學習和聯系，學生對于概念的認知從一知半解到能夠多角度分析，再到深化理解并能夠運用概念理論知識解決問題，最終達到歸納真實問題解決活動模式的水平［2］。

基于SOLO分類理論和學習進階的認知發展獨有路徑，計算思維的學習進階起點是學生在學習核心概念之前的結構或思維能力，進階終點是最高層次的拓展抽象結構。在本研究中，進階的起點和終點主要基于課標文件，結合社會實際和已有研究結果來確定。

四、設計適合不同學段學生計算思維進階培養的教學模式

進行促進計算思維進階培養的教學方法設計，首先需要結合信息技術課程的自身特征，同時滿足學習者個體對其生成的觀點進行深層次加工的需求，最重要的是要促進學習者計算思維的有效發展。因此，該部分研究內容可以分為三個子部分。

（一）確定各學段促進學生計算思維進階的教學實踐框架

筆者利用已有的文獻和國內外經典案例，歸納“計算思維進階培養”的精髓，并根據課題組前期調研成果，初步構建計算思維培養實踐框架，由三個同心圓組成，如圖1所示。最外圍的圓環為計算思維技能，是學生使用計算工具解決問題所必需的認知過程，包括九個維度：數據收集、數據分析、數據表示、問題分解、抽象、算法和過程、自動化、模擬、并行［3］。中間的圓環為計算思維實踐，它結合了許多計算技能來解決一個應用問題，包括自動化、計算建模和數據實踐。最里面的圓環為普適性的教學原則，是指促進學習者參與計算的策略，將計算與學生的興趣和經驗聯系起來，并提供機會幫助學生消除對于計算的偏見和刻板印象。結合該實踐框架，以及各學段學生的發展特點，教師確定了向不同學段和認知能力的學生教授什么以及如何教授。

（二）確定促進學生計算思維進階的教學策略設計原則

教學實踐框架用以指導教師更好地開展針對性的教學設計。同時，教學策略的確定要遵循以下兩個設計原則：以學生為主體和以培養學生計算思維為目標。

在教學設計上，要注重培養學生解決問題的能力，根據學生的學段特點，采用基于項目/問題/游戲的學習方式，教學由簡到繁，逐步展開，每個問題與一定的情境或故事相結合，以一些計算工具作為解決問題的輔助手段，以問題的解決為最終目標，而非使用簡單的工具教學（進階設計思路如圖2所示）。

（三）設計各學段促進學生計算思維進階的教學策略

在進階策略的設計上，結合信息技術課程的特點，筆者考慮從以下幾方面展開。

第一，轉變教學理念，優化教學模式。教師要摒棄以往以技術習得為主、教師演示學生模仿為主的簡單式任務驅動模式，將關注的重點放在學生的自主探究上，要求學生更多地參與進來，從而使其思維得到逐步的鍛煉。而整個活動過程不再以結果為導向后，教師也能有更多的精力關注學生在問題解決過程中的計算思維的培養。

第二，引入項目化教學方式。教師圍繞教學目標，選擇與學生生活密切關聯的項目，引導學生通過問題的解決達到計算思維的逐步進階。項目的復雜程度也需要根據學段提高而慢慢增加。

第三，引入游戲化教學方式。學生在設計游戲、制作游戲、測試游戲的過程中，計算思維也能逐步得到鍛煉。由于教師將整個問題解決的過程放權給學生自主探究，因此，最終問題解決的方式也將根據學生不同的分析、思考方式而展現出不同的樣式。對學生有強吸引力的游戲，會讓學生在問題解決時更投入，思考也會更深入。

第四，運用大單元的理念設計教學活動。不管是項目化教學還是游戲化教學，很多知識點不是一節課的內容，需要教師運用大單元的理念結合真實學情對教材進行二次開發。而大單元的教學也能讓學生在宏觀上對教學目標有更深的理解。

五、中小學人工智能編程課的教學進階案例

（一）當前中小學人工智能教育現狀

2017年國務院發布的《新一代人工智能發展規劃》中指出，應實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程［4］。最初的中小學人工智能課基本都是以體驗為主，學生無法得到更多的信息素養的提高。如何在中小學階段設置不同的課程，從而真正達到學生計算思維的進階培養，是目前需要解決的問題。筆者所在地區對此進行探索，基于小學、初中、高中不同階段對人工智能的不同理解要求，讓學生對人工智能進行進階式的學習，從而促進學生計算思維的循序漸進和螺旋發展。

（二）中小學階段人工智能課進階的探索

小學階段，硬件和模塊化編程相結合，讓學生對人工智能有初步認識和感知，能分辨不同的人工智能類型，并逐步鍛煉計算思維能力。如在“讓小飛能聽會說”一課中，通過“三人傳話”游戲，帶領學生了解語音識別技術與語音合成技術在具體應用中的實現過程，學習語音轉寫、語音合成等編程模塊的使用方法，并通過人工智能在線平臺，編寫實現小飛能“聽”會“說”的程序［5］。

初中階段，通過項目學習，讓學生認識人工智能知識體現，初步了解人工智能算法，重點培養學生創新應用能力。如在“‘石頭剪刀布'游戲”一課中，通過mind+圖形化編程軟件和攝像頭結合，設計“石頭剪刀布”游戲，訓練機器識別手勢，從而讓學生能和機器對戰。通過項目的解決，學生認識了KNN機器學習算法，并對人工智能有進一步認識，鍛煉了計算思維［6］。

高中階段，學生應進一步理解人工智能及其實現原理，培養高級計算思維。如在“信息的智能化加工”一課中，由于學生在生活中已經有了人工智能的應用體驗，教師需要根據高中生年齡特點設計教學，使其進一步理解智能化加工背后的算法原理。教師一開始通過讓學生運用百度人工智能進行貓狗識別項目，對圖像識別進行進一步理解，從而引發學生基于深度學習的思考；然后用高中生容易理解的語言介紹神經卷積網絡，讓學生了解圖像識別的原理［7］。

六、總結

學生計算思維的發展，不是一蹴而就的，需要通過不斷的進階學習，才能螺旋式上升。通過把學習進階理論引入計算思維培養中，我們有了以下發現。

學習進階能夠為計算思維的培養提供更清晰的路徑。基于學習進階研究提出學生計算思維的發展模型，初步規劃了學生認知發展的藍圖，重視學習進階在實際課程與教學中的應用，著力探索如何提供更清晰的路徑促進學生發展。

學習進階能更好地體現新課程標準的理念，符合學生的認知規律。學習進階有助于學生更清晰地掌握計算思維的概念、內涵及表現，符合學生的認知規律，從而全面提高學生的信息素養，達成具象化新課程的目標。

學習進階為計算思維的評價提供參考依據。學習進階研究提出學生計算思維的模型，在研究過程中，這些模型不斷得到修正和改進，從而為計算思維的評價提供新維度的參考依據。

總之，學習進階能夠幫助學生克服制約計算思維發展的因素，幫助學生在思維層面更好地理解信息技術課程，進而解決計算思維發展難的問題，解決計算思維培養中的瓶頸問題。本研究的目的是探索計算思維進階培養的教學模式，在實踐中深化學生計算思維發展，以期為一線教師們提供參考。

［參考文獻］

陳興冶，馬穎瑩.本土化計算思維評價指標體系的構建與探索：基于1410名高中生的樣本分析與驗證［J］.遠程教育雜志，2020，38（5）：70-80.

王孟瑜，荊延德.基于SOLO分類理論的“人地關系”學習進階研究［J］.地理教育，2020（8）：4-8.

郁曉華，肖敏，王美玲.計算思維培養進行時：在K-12階段的實踐方法與評價［J］.遠程教育雜志，2018，36（2）：18-28.

國務院.國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知［EB/OL］.（2017-07-08）［2022-12-20］.http：//www.gov.cn/gongbao/content/2017/content_5216427.htm

張洪偉.中小學階段的人工智能教育策略研究［J］.天天愛科學（教育前沿），2022（2）：51-52.

張丹，崔光佐.中小學階段的人工智能教育研究［J］.現代教育技術，2020，30（1）：39-44.

楊紅梅.人工智能融入高中信息技術課程的研究［J］.廣西教育，2022（14）：71-73，90.