異學(xué)段同題異構(gòu)，促計(jì)算思維進(jìn)階發(fā)展

彭仁杰

摘要：作者圍繞“算法”核心概念的建構(gòu)，在小學(xué)、初中和高中三個(gè)階段，通過(guò)基于問(wèn)題解決的綜合實(shí)踐課，剖析了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的不同層級(jí)，探究了計(jì)算思維的縱向發(fā)展路徑。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；學(xué)習(xí)進(jìn)階；同題異構(gòu)；算法；異學(xué)段

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2023）09-0039-04

“同題異構(gòu)”通常是指不同教師根據(jù)學(xué)生特性，依據(jù)自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在同學(xué)段開(kāi)展通過(guò)不同教學(xué)設(shè)計(jì)講授同一知識(shí)內(nèi)容的活動(dòng)。那么，同一知識(shí)內(nèi)容，在小、初、高三個(gè)階段又應(yīng)怎樣打破知識(shí)本位固有觀念，進(jìn)行異學(xué)段的同題異構(gòu)呢？筆者以“算法”核心概念建構(gòu)為例，分別面向小學(xué)、初中和高中三階段，基于問(wèn)題解決的綜合實(shí)踐課，剖析了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的不同層級(jí)，并通過(guò)學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)呈現(xiàn)層級(jí)發(fā)展，進(jìn)而探究計(jì)算思維的縱向發(fā)展路徑。

信息科技學(xué)科中計(jì)算思維進(jìn)階培養(yǎng)路徑

1.計(jì)算思維核心維度的確定

計(jì)算思維的本質(zhì)是將問(wèn)題抽象建模，并尋求最佳解決方案的思維方法與活動(dòng)，是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)來(lái)進(jìn)行算法、自動(dòng)化、評(píng)估、建模與仿真、抽象、概括的能力。結(jié)合計(jì)算思維的相關(guān)概念，筆者認(rèn)為計(jì)算思維是一個(gè)包含形式化問(wèn)題，合理組織和分析數(shù)據(jù)，抽象化，識(shí)別、分析、運(yùn)用可能的解決方案以及應(yīng)用遷移等特征的問(wèn)題解決過(guò)程。

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將計(jì)算思維定義為個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問(wèn)題解決過(guò)程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)。這與《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在計(jì)算思維方面的進(jìn)階體系相銜接。因此，本文采用分解、抽象建模、算法思維和評(píng)估遷移四要素作為計(jì)算思維技能的橫向指標(biāo)。

2.計(jì)算思維縱向進(jìn)階路徑的確定

柳秀峰和Salinas等人認(rèn)為學(xué)生的思維發(fā)展存在階段性特征，這是以實(shí)證為基礎(chǔ)的可檢驗(yàn)的假說(shuō)，也為本研究提出的以同題異構(gòu)的教學(xué)實(shí)踐來(lái)研究學(xué)習(xí)進(jìn)階提供了可行性的論證。學(xué)習(xí)進(jìn)階是縱向研究的范式，更強(qiáng)調(diào)描述學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)思維路徑的發(fā)展歷程，關(guān)注的是學(xué)生如何思考，它描述學(xué)生對(duì)某個(gè)主題連續(xù)的、更加熟練的思考方式，而不是簡(jiǎn)單的是否獲得了某個(gè)知識(shí)。探究信息科技學(xué)科中學(xué)生計(jì)算思維的進(jìn)階路徑，第一步是了解這些可轉(zhuǎn)移技能是如何發(fā)展的。而在信息科技課程中，無(wú)論是在小學(xué)、初中，還是在高中，其要求學(xué)生掌握的基本邏輯結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是相似的，同學(xué)段相互聯(lián)系，異學(xué)段縱向連續(xù)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由具體到抽象。

同題異構(gòu)下小初高三階段計(jì)算思維進(jìn)階的教學(xué)實(shí)踐

1.分析學(xué)科大概念，確定合適算法平臺(tái)

筆者以“利用編程技術(shù)進(jìn)行綜合問(wèn)題解決”為主題，分別選取了小學(xué)六年級(jí)、初中一年級(jí)和高中一年級(jí)的學(xué)生作為教學(xué)對(duì)象，邀請(qǐng)執(zhí)教教師根據(jù)大單元教學(xué)法對(duì)學(xué)生進(jìn)行主題編程教學(xué)，最終以“驗(yàn)收成果”的方式進(jìn)行一次同題異構(gòu)實(shí)踐課。在三個(gè)不同年級(jí)，三節(jié)課涉及的具體概念分別為：①編程的三種結(jié)構(gòu)，即順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)；②數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)涉及數(shù)組和一般變量；③功能模塊為隨機(jī)函數(shù)。

小學(xué)六年級(jí)學(xué)生思維活動(dòng)仍局限于具體事物以及日常經(jīng)驗(yàn)，缺乏抽象性，因此教師選取APP Inventor程序設(shè)計(jì)平臺(tái)開(kāi)展教學(xué)。該平臺(tái)采用可視化的編程語(yǔ)言，使學(xué)生更加關(guān)注算法本身，能夠更容易理解算法及程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法。對(duì)于處于形式運(yùn)算階段的初中一年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，可以采用Python編程，但是為了降低編程難度，關(guān)注算法本身，提高學(xué)生學(xué)習(xí)算法的興趣，同題異構(gòu)中仍采用APP Inventor平臺(tái)。而對(duì)于已具備抽象思維的高中一年級(jí)學(xué)生，則是采用Python自帶的IDLE編程平臺(tái)。

2.縱向了解學(xué)生水平，找準(zhǔn)學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)

在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)，教師要聚焦學(xué)科核心概念，根據(jù)學(xué)生思維的進(jìn)階來(lái)設(shè)計(jì)課程，完成學(xué)生素養(yǎng)的進(jìn)階，因此，教師要根據(jù)不同年級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)制訂階段性學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)。然而，教師無(wú)法直接觀測(cè)到學(xué)生思維的進(jìn)階，這就要借助學(xué)生的課堂表現(xiàn)來(lái)分析。因此，教師要了解學(xué)生技能如何隨著時(shí)間的推移而進(jìn)步，以便能夠?yàn)閷W(xué)生設(shè)計(jì)出接近最近發(fā)展區(qū)的課堂任務(wù)。

但進(jìn)階的起點(diǎn)并不好找，筆者通過(guò)本土化Bebras測(cè)試，開(kāi)展區(qū)域性問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)合對(duì)師生的非結(jié)構(gòu)化訪談，確定計(jì)算思維進(jìn)階的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)不同年級(jí)同題異構(gòu)的實(shí)證研究，驗(yàn)證小學(xué)中高年級(jí)、初中一年級(jí)和高中一年級(jí)的起點(diǎn)與終點(diǎn)。每個(gè)階段的目標(biāo)既是此階段的學(xué)習(xí)進(jìn)階終點(diǎn)，也是下一個(gè)階段的進(jìn)階起點(diǎn)，總體形成一個(gè)縱向的節(jié)點(diǎn)參考表（如上頁(yè)表）。教師根據(jù)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建概念學(xué)習(xí)腳手架，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從感性經(jīng)驗(yàn)上升到概念掌握的轉(zhuǎn)變。

3.以項(xiàng)目為支撐，搭建計(jì)算思維的進(jìn)階臺(tái)階

在確定計(jì)算思維進(jìn)階的起點(diǎn)與終點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)后，教師應(yīng)該給予學(xué)生充足的探究時(shí)間和空間，采用項(xiàng)目式教學(xué)，以精心設(shè)計(jì)的活動(dòng)為支撐，引導(dǎo)學(xué)生基于自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行探究，搭建堅(jiān)實(shí)的學(xué)習(xí)進(jìn)階的臺(tái)階，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的內(nèi)化。在本研究中，三個(gè)階段的同題異構(gòu)均以具體問(wèn)題情境為依托，以問(wèn)題解決為最終目的搭建學(xué)習(xí)進(jìn)階的臺(tái)階。

小學(xué)六年級(jí)以畢業(yè)為主題，設(shè)計(jì)出題APP，考查學(xué)生對(duì)學(xué)校的了解。單選題的出題，涉及的組件為信息對(duì)話框和單選框；多選題涉及的組件為復(fù)選框，采用復(fù)選框可以將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化，隱藏復(fù)雜問(wèn)題的細(xì)節(jié)。同時(shí)涉及列表選擇框和列表元素的隨機(jī)，通過(guò)列表隨機(jī)實(shí)現(xiàn)畢業(yè)寄語(yǔ)的贈(zèng)送，但教師并不特意講解數(shù)組的概念，只是讓學(xué)生會(huì)用即可。

在初中一年級(jí)的教學(xué)中，教師利用學(xué)生身邊的手機(jī)游戲的開(kāi)發(fā)因勢(shì)利導(dǎo)，把手機(jī)上的應(yīng)用程序轉(zhuǎn)變成教學(xué)案例，消除學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)的距離感和恐懼感，幫助學(xué)生建立一個(gè)促進(jìn)其主動(dòng)學(xué)習(xí)以及意義建構(gòu)的學(xué)習(xí)環(huán)境。教學(xué)首先通過(guò)《旅行的青蛙》游戲引入，實(shí)現(xiàn)去某地旅游用“標(biāo)簽”直接顯示即可，然后提出問(wèn)題：如何實(shí)現(xiàn)青蛙隨機(jī)到不同地方的旅行？涉及的知識(shí)點(diǎn)為簡(jiǎn)單的隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)和判斷語(yǔ)句。生成隨機(jī)數(shù)的方式產(chǎn)生隨機(jī)事件效率不高，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，從而引出列表這一概念。列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本節(jié)課通過(guò)將游戲里的隨機(jī)和列表的隨機(jī)選取結(jié)合起來(lái)，降低了列表的學(xué)習(xí)難度，增加了程序設(shè)計(jì)的趣味性。在應(yīng)用階段，通過(guò)幾個(gè)不同的應(yīng)用例子，如抽獎(jiǎng)、背單詞、笑話制造機(jī)，讓學(xué)生體會(huì)同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的反復(fù)應(yīng)用，提高綜合問(wèn)題解決能力。在拓展提高階段引導(dǎo)學(xué)生添加單詞朗誦功能，給程序添加人工智能元素，這些都能讓學(xué)生從“要我學(xué)編程”向“我要玩編程”轉(zhuǎn)變，在潛移默化中學(xué)習(xí)知識(shí)、培養(yǎng)能力。

在高中一年級(jí)活動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，從博物館數(shù)字化出發(fā)，以各種數(shù)字技術(shù)展示傳統(tǒng)二十四節(jié)氣飲食為切入點(diǎn)，將“以不時(shí)不食——二十四節(jié)氣對(duì)應(yīng)的飲食”引入編程綜合問(wèn)題解決的課題中，讓學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)節(jié)氣飲食的判斷題，最后實(shí)現(xiàn)多個(gè)問(wèn)題的隨機(jī)展現(xiàn)與判斷題干的正誤。整個(gè)程序的模塊組成如下圖所示。這節(jié)課由淺到深，涉及的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用從單條件邏輯判斷到多條件邏輯判，最后到循環(huán)、判斷和隨機(jī)函數(shù)的綜合應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目時(shí)明確引入需求分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、代碼實(shí)現(xiàn)、最終測(cè)試等軟件工程思想，同時(shí)顯性引導(dǎo)學(xué)生在問(wèn)題分析過(guò)程中對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分解和抽象，提升學(xué)生計(jì)算思維。

跨學(xué)段計(jì)算思維融通與整合的思考

通過(guò)三學(xué)段的“聯(lián)動(dòng)”，教師引導(dǎo)學(xué)生感受了知識(shí)生成以及深入研究的過(guò)程，感受了計(jì)算思維能力培養(yǎng)的系統(tǒng)性和循序漸進(jìn)的過(guò)程，以及對(duì)同一知識(shí)由探索到探究再到研究的過(guò)程。通過(guò)本次實(shí)踐，筆者得到以下啟示：

一是教師要有學(xué)科大觀念，教材不是教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。為了更有效地促進(jìn)計(jì)算思維的進(jìn)階，教師僅僅知道本學(xué)段本學(xué)科的課程要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須了解學(xué)生以前學(xué)到的知識(shí)，以及后續(xù)知識(shí)與當(dāng)前知識(shí)能夠互動(dòng)的課程內(nèi)容，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)發(fā)生。

二是教師需要具備資源意識(shí)，意識(shí)到教材是可改變改進(jìn)的資源，教師是可挖掘的資源，學(xué)生是可開(kāi)發(fā)的資源。

三是教師要有生本意識(shí)，要思考不同學(xué)段的學(xué)生在學(xué)習(xí)同一內(nèi)容時(shí)，達(dá)成的目標(biāo)要求如何更有效遞進(jìn)。教師不僅要重視學(xué)科知識(shí)的銜接，更要重視學(xué)科思維的銜接；不僅要注重橫向的借鑒，還要有縱向的對(duì)比，異中求同，同中求異，前后貫通。

此次同題異構(gòu)涉及的年級(jí)只有三個(gè)年級(jí)，后續(xù)的研究還需要開(kāi)展更多的不同年級(jí)的教學(xué)實(shí)踐，以實(shí)證來(lái)研究計(jì)算思維學(xué)習(xí)進(jìn)階，并不斷調(diào)整與修正，通過(guò)基于證據(jù)的進(jìn)階研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程和水平的充分了解，為課程和評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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本文是江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃課題“學(xué)習(xí)進(jìn)階理論下學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐研究”（D/2021/02/184）的研究成果之一。