基于計算思維的信息科技學科實踐 設計與實施

洪優萍 浙江省杭州市高新區（濱江）教育研究院

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“義教新課標”）指出，義務教育信息科技課程具有基礎性、實踐性和綜合性[1]，實踐性作為信息科技課程性質之一，凸顯了學科實踐在落實信息科技學科育人價值中的重要性。從信息科技的學科實踐視角來看，很多真實問題的解決過程或不同領域使用的軟硬件產品或應用系統，都會融合科學原理、思維方法與處理過程，從而達到工程實現。因此，信息科技學科實踐主要指向科學原理的探究及運用過程、運用學科思維解決問題的過程和信息處理與實現的過程等，驅動學生主動參與、積極實踐與意義建構，促進學生對信息科技學科本質的理解，從而幫助學生逐步形成核心素養。

●基于計算思維的學科實踐內涵

計算思維是信息科技學科特有的學科思想，即用計算機科學領域的思想方法去進行問題求解。基于計算思維的學科實踐，是具有信息科技學科特質的學科實踐路徑，其遵循計算思維特征及其過程要素，將學科知識包裹在問題情境中，以問題解決為主線，按照計算思維的學科思想，沿著問題界定、問題分析、問題求解、遷移應用的學習邏輯開展實踐探究活動，培養學生的核心素養。

●基于計算思維的學科實踐設計要點

1.體現學科實踐的目標

計算思維是學生核心素養中的一個重要維度，在基于計算思維的學科實踐設計中，教師要深入理解計算思維的特征及過程表現，運用計算思維開展實踐探究學習，在真實且富有意義的問題探究與解決中深化對學科知識的理解、建構與遷移運用，有效培養學生的計算思維，并與核心素養的其他三個方面相互支持與滲透，共同促進學生核心素養的發展。

2.促進學科理解的路徑

基于計算思維的學科實踐，要注重育人目標的整體性，明確不同學段計算思維的發展目標；要明晰學習內容的適切性，針對不同學段的內容模塊，選擇適合運用計算思維開展學科實踐的學習內容；要關注實踐路徑的多樣性，針對不同學段素養目標與不同學習內容特征，設計相應的學科實踐路徑。

3.基于計算思維的線索

運用計算思維解決問題的過程包含問題界定、抽象建模、算法設計、驗證優化、遷移運用等關鍵要素。學科實踐則是引導學生體會學科思想方法，經歷發現問題、解決問題、建構知識、運用知識的過程。基于計算思維的學科實踐，是以計算思維為引領，從而建構“問題界定—抽象建模—算法設計—驗證優化—遷移運用”的學科實踐線索。

●基于計算思維的學科實踐實施策略

1.厘清計算思維學段特征，明確實踐目標

依據義教新課標對計算思維學段特征、學段目標的闡述，可以明確計算思維在不同學段的具體發展目標，體現了計算思維的循序漸進和螺旋式發展。第一學段能用語言描述問題解決的過程；第二學段要針對實際問題或學習需求，將問題進行過程分解，能用圖示或文字等方式描述問題解決的順序；第三學段通過體驗身邊的算法，能對問題展開分析，用自然語言和流程圖等方式描述算法，并驗證或編程實現，然后對其進行優化；第四學段要能在真實情境中發現問題，提取問題特征，制訂并執行解決方案，反思優化并遷移運用。

如表1所示，在進行計算思維目標設計時，要依據不同學段特征，明確學科實踐的進階發展目標。

表1

2.立足計算思維問題情境，形成實踐主題

在進行基于計算思維的學科實踐過程中，要以學科知識為基礎，與現實生活中的真實問題相關聯，依據計算思維學段目標，選擇能用計算思維的實踐路徑來解決的問題情境，從而形成學科實踐的探究主題，增強學生認識真實世界、解決真實問題的能力。

例如，《自動控制燈》案例源于信息科技課程第三學段的“過程與控制”模塊。教師結合本模塊的內容要求及學業要求，對本項目中的學科知識進行結構化梳理，本模塊主要包含“系統與模塊”“反饋與優化”“邏輯與運算”三個部分，具體如圖1所示。

為了更好地將學科知識與核心素養融合，筆者設計了本案例的學習目標（如下頁表2），將其與核心素養相對應。

表2

圍繞學習目標，教師首先嘗試將學科知識與學生經驗、現實生活、社會實踐鏈接，依據學生的認知經驗與學習基礎，選擇生活中常見的控制系統，以“自動控制燈”為應用場景，提出驅動性問題：“生活中的燈有時無法滿足我們的需求，如何使用控制系統來解決這些問題？”接著，根據計算思維的實踐路徑，將驅動性問題拆解為六個子問題：“生活中的燈存在哪些問題？”“如何讓燈從手動控制轉變為自控制或讓自動控制更加精準？”“該怎樣從控制系統的環節入手進行設計？”“如何實現一個仿真的控制系統？”“小組實現的自動控制燈存在哪些值得改進的地方？”“控制系統還可以來解決哪些問題？”通過子問題的解決來解決大問題，以此推動實踐線索的設計。

3.基于計算思維過程要素，設計實踐線索

在基于計算思維的學科實踐中，教師可以依據計算思維的過程要素，沿著“問題界定—抽象建模—算法設計—驗證優化—遷移運用”的流程設計實踐線索。問題界定是解決問題的第一步，明確當前問題可以用計算思維來解決，運用化繁為簡、化大為小的思想，將問題分解為多個可以解決的小問題或者小模塊。抽象建模是從具象到抽象的過程，抓住問題的核心，提取關鍵要素，得到問題的形式化表達，構建真實問題自動化求解的模型，為下一步計算機自動化求解做準備。算法設計是將求解問題進行分步驟解決方案的描述，可以運用算法的三種基本結構來進行表述，并轉變為計算機能夠理解的語言。驗證優化是驗證解決問題的過程，以此來反思并優化問題解決的方案。遷移運用是在解決一個具體問題后進行的總結歸納，形成解決問題的方法，并將其遷移運用到其他問題求解中。

例如，《亞運知識問答器》一課是立足學校開展的社會實踐活動，教師可以以“如何設計一款亞運知識問答器”為問題驅動，以其中一個子活動“如何設計具有基本功能的知識問答器”為例，聚焦核心概念——分支結構，讓學生通過經歷基于計算思維的實踐線索解決問題，具體過程如表3所示。

表3

4.遵循計算思維發展規律，調整實踐進程

計算思維在不同學段有相應的特征與目標，在開展基于計算思維的學科實踐活動中，要依據不同學段的具體要求，動態調整實踐進程。第一學段和第二學段的要求相對較低，能用語言、圖示或文字等方式描述問題解決的過程，則可以將實踐路徑調整為：問題界定—抽象建模—算法設計。第三學段能對問題展開分析，用自然語言和流程圖等方式描述算法，并驗證或編程實現，再對其進行優化，則可以將實踐路徑調整為：問題界定—抽象建模—算法設計—驗證優化。第四學段能提取問題特征，制訂并執行解決方案，反思優化并遷移運用，則實踐路徑為：問題界定—抽象建模—算法設計—驗證優化—遷移運用。

在學科實踐活動中，教師也要關注學科實踐的實際學習進程，根據學生計算思維的發展情況，對學科實踐路徑進行動態調整。在解決較為復雜的情境問題時，運用模塊化思想，將大問題分解成小問題，運用計算思維的實踐線索逐個解決小問題，以此實現問題的整體解決。

●基于計算思維的學科實踐實施成效

1.立足學科思維，形成多維實踐路徑

在設計與實施的過程中，教師可以依據不同學段學生的認知規律以及課程內容模塊的性質，動態選擇計算思維的過程要素，形成多樣化的學習線索（如圖2）。

圖2 基于計算思維的多維實踐線索

不同的問題情境有不同的復雜度，針對簡單的問題，教師可以圍繞計算思維的過程要素進行解決。針對較為復雜的問題情境，就需要通過模塊化思想來設計與實踐。如圖3所示，以問題解決為邏輯線，遵循模塊化思想，將計算思維線融入其中，通過自頂向下設計、自下而上實現的實踐路徑，實現問題解決。

圖3 基于模塊化思想的實踐線索

2.基于學科實踐，助力學教方式轉變

在實踐研究中，基于學科實踐特征，能夠形成基于計算思維的學科實踐新路徑，助力學教方式的轉變，從而實現了從知識為本轉向素養為本，真正為學生的核心素養發展服務，同時促進了學習內容的轉向，實現了素養導向的課堂建構。

3.促進學科理解，發展學生核心素養

基于計算思維的學科實踐，是具有學科特質的實踐路徑，它以問題情境為驅動，引導學生經歷計算思維發展的全過程，實現知識的建構與應用，提升問題解決能力，促進學科理解，逐步發展學生核心素養。

●結束語

基于計算思維的學科實踐，是具有信息科技學科特質的學科實踐路徑。教師在設計時，不僅要理解基于計算思維的學科實踐內涵，而且要關注育人目標的進階性、學習內容的適切性和實踐路徑的多樣性。在實施過程中，教師應遵循計算思維的過程要素、學段特征和發展規律等來設計學科實踐路徑，開展學科實踐活動，助力學生核心素養的發展，實現信息科技課程的獨特育人價值。