基于PBL模式的高中生計(jì)算思維能力培養(yǎng)實(shí)踐研究
——以《while循環(huán)的應(yīng)用》為例

阮靜 福建省廈門實(shí)驗(yàn)中學(xué)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）提出要發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，并鼓勵學(xué)生在不同的問題情境中，運(yùn)用計(jì)算思維形成解決問題的方案。[1]同時(shí)，新課標(biāo)倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，將知識建構(gòu)、技能培養(yǎng)和思維發(fā)展融入運(yùn)用數(shù)字化工具解決和完成任務(wù)的過程中。[2]新課標(biāo)無論是在知識能力的掌握還是學(xué)習(xí)方式上都對學(xué)生的學(xué)提出了更高、更深層次的要求，這也為教師帶來了更大的挑戰(zhàn)。如何讓學(xué)生產(chǎn)生探究完成任務(wù)的興趣與積極性，又如何讓學(xué)生在探究的過程中達(dá)成知識建構(gòu)、技能訓(xùn)練與思維的熏陶發(fā)展，是教師需要不斷思考探索解決的問題。

●PBL與計(jì)算思維的內(nèi)涵

1.PBL

PBL（Project-Based Learning，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)）是一種以項(xiàng)目為依托，以學(xué)生為中心，讓學(xué)生在解決問題的過程中主動探究的學(xué)習(xí)模式。[3]它強(qiáng)調(diào)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境、驅(qū)動性的問題與任務(wù)，讓學(xué)生圍繞項(xiàng)目中的問題與任務(wù)，展開小組合作探究，并進(jìn)行成果展示與交流，在項(xiàng)目完成的過程中獲得知識和技能。

2.計(jì)算思維

計(jì)算思維的提出可追溯到20世紀(jì)50年代，早期專家學(xué)者曾提及計(jì)算思維，但并未對其概念進(jìn)行界定。直到2006年，周以真（Jeannette M. Wing）教授正式提出了計(jì)算思維的概念。她認(rèn)為，計(jì)算思維就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動[4]，并強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維是面向所有人的思想，而不是計(jì)算機(jī)的思維方式。新課標(biāo)指出，計(jì)算思維是指個體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動。[5]國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）與計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）從操作的角度定義計(jì)算思維是問題解決的過程，該過程包括問題闡釋、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、解決方案的制訂、資源的最有效利用與整合、問題解決方案的遷移應(yīng)用等。[6]

●計(jì)算思維能力培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)

1.思維培育理論

思維是人類所具有的以感知為基礎(chǔ)卻又超越感知的高級認(rèn)識活動。人們通過比較、分析、抽象、總結(jié)等一系列思維活動對客觀事物的規(guī)律、屬性及事物之間的聯(lián)系形成認(rèn)識。[7]學(xué)者、專家從不同的視角對思維進(jìn)行了不同的種類劃分，計(jì)算思維即是其中的一種。關(guān)于思維能力的培育理論，比較受關(guān)注的主要有戈登的發(fā)散思維訓(xùn)練模式和威廉姆斯的創(chuàng)造性思維教學(xué)模式。

戈登的發(fā)散思維訓(xùn)練也叫“集思廣益”練習(xí)，讓學(xué)生用“類比法”對事物進(jìn)行比較，由熟知的事物聯(lián)想到新的事物，或從原有的想法中得到新的想法，以訓(xùn)練、提高學(xué)生的創(chuàng)造力。[8]威廉姆斯的創(chuàng)造性思維教學(xué)模式則基于“認(rèn)知情感交互作用理論”，教師運(yùn)用歸類、比擬等教學(xué)策略，為學(xué)生提供寬松自由的氛圍，讓學(xué)生大膽質(zhì)疑、猜測與想象，在提高學(xué)生認(rèn)知水平的同時(shí)增強(qiáng)情感體驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。

2.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)生在原有知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加深理解、發(fā)展自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程。本文基于PBL模式，讓學(xué)生圍繞項(xiàng)目活動主題展開探究，在已有知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上探究完成項(xiàng)目活動任務(wù)，在任務(wù)完成的過程中，不斷拓展思維，完善知識體系，這一過程完全遵循建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論。

3.情境學(xué)習(xí)理論

情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是在學(xué)生與學(xué)習(xí)情境、學(xué)生與學(xué)生之間互動的過程中發(fā)生的，是一個具有社會性和實(shí)踐性的過程。[9]PBL模式中教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)的項(xiàng)目情境，讓學(xué)生對真實(shí)的問題進(jìn)行分析與探討，找到問題解決方案，并實(shí)施解決。這一過程不再是單純的知識傳授，而更注重學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)以及思維的訓(xùn)練，這一點(diǎn)和情境學(xué)習(xí)理論相一致。

●基于PBL模式的高中生計(jì)算思維能力培養(yǎng)實(shí)踐探究

“while循環(huán)的應(yīng)用”是必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》第四章中的內(nèi)容，是Python程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容，學(xué)生對這一節(jié)內(nèi)容的理解與掌握直接關(guān)系到對后續(xù)第五章以及選擇性必修模塊內(nèi)容的興趣與積極性。所以，在對本節(jié)進(jìn)行教學(xué)時(shí)，筆者通過創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境，以“隨機(jī)點(diǎn)名程序”開發(fā)為項(xiàng)目任務(wù)，運(yùn)用平臺組織學(xué)生探究學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在解決問題和完成任務(wù)的過程中達(dá)成知識建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維訓(xùn)練，感受到學(xué)中有樂，學(xué)有收獲。

1.創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境，明確問題需求

本節(jié)主要學(xué)習(xí)while循環(huán)語句格式及應(yīng)用，在此之前學(xué)生已經(jīng)掌握了for循環(huán)語句以及列表等相關(guān)基礎(chǔ)知識。與for循環(huán)語句相比，while循環(huán)有自己獨(dú)特的優(yōu)勢，while語句更容易理解，對實(shí)際問題的應(yīng)用也更加廣泛。因此，本節(jié)課從真實(shí)情境導(dǎo)入，以真實(shí)問題展開項(xiàng)目探究—“運(yùn)用Python語言開發(fā)一個隨機(jī)點(diǎn)名程序”（如表1），即針對自己班級實(shí)際人數(shù)與人名做一個可供教師直接使用的點(diǎn)名工具，讓學(xué)生明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容以及任務(wù)要求，并從班級實(shí)際情況出發(fā)展開項(xiàng)目問題分析，明確問題需求。

表1

2.借助教學(xué)平臺，搭建項(xiàng)目框架

本節(jié)圍繞真實(shí)學(xué)習(xí)生活中的點(diǎn)名問題，設(shè)計(jì)“隨機(jī)點(diǎn)名程序設(shè)計(jì)開發(fā)”項(xiàng)目，組織學(xué)生進(jìn)行自主、協(xié)作、探究學(xué)習(xí)。隨著問題的不斷深入分析、項(xiàng)目的推進(jìn)與優(yōu)化，學(xué)生除了需要復(fù)習(xí)相關(guān)基礎(chǔ)知識外，還需要了解Python語言中的隨機(jī)函數(shù)、字符列表等內(nèi)容。因此，筆者借助ITTools信息技術(shù)教學(xué)輔助平臺，為學(xué)生搭建項(xiàng)目學(xué)習(xí)框架（如下頁圖1），提供項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)單，明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容以及學(xué)習(xí)要求，還設(shè)置了需要完成的三個學(xué)習(xí)任務(wù)檢測，通過任務(wù)練習(xí)與檢測逐步推進(jìn)項(xiàng)目制作。

圖1

3.設(shè)置問題引導(dǎo)，建構(gòu)知識體系

實(shí)際問題的解決比單純的學(xué)科問題要復(fù)雜得多，這時(shí)教師的問題引導(dǎo)就顯得尤為重要（如圖2）。在本節(jié)課開始的隨機(jī)點(diǎn)名程序開發(fā)中，教師可以先從最簡單的學(xué)號抽取引導(dǎo)學(xué)生思考：“如何運(yùn)用Python語言基礎(chǔ)知識生成一個班級所有學(xué)生的學(xué)號盒子，并從中隨機(jī)抽取？”（班級學(xué)號是一個連續(xù)的數(shù)字序列，可以使用range（）函數(shù)生成一個列表存儲學(xué)號，使用隨機(jī)函數(shù)抽取一個學(xué)號）再提出問題：“需要多次抽取，但并不確定要抽取幾次，該怎么通過程序控制實(shí)現(xiàn)？”由于并不知道抽取次數(shù)，for循環(huán)語句并不能實(shí)現(xiàn)，引出可以通過條件來控制的while循環(huán)語句。隨著項(xiàng)目的不斷深入，教師進(jìn)一步提問：“在隨機(jī)抽取學(xué)號之后，如何關(guān)聯(lián)到該學(xué)號對應(yīng)的學(xué)生姓名？”（可以將姓名放在抽取的盒子里，即使用姓名作為列表中的元素來抽取）“如何將全班學(xué)生的姓名導(dǎo)入程序生成姓名列表？”以此來引導(dǎo)學(xué)生探究文件的讀取等拓展內(nèi)容。通過教師的問題引導(dǎo)，學(xué)生復(fù)習(xí)了舊知，同時(shí)也探究了新知，在原有知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)充自己的知識體系。

圖2

4.依托項(xiàng)目任務(wù)，達(dá)成思維培養(yǎng)

本節(jié)課將隨機(jī)點(diǎn)名的項(xiàng)目細(xì)化為一個一個的小任務(wù)，同時(shí)提供相關(guān)學(xué)習(xí)參考，在學(xué)生完成任務(wù)之后可以直接提交后臺評測，每一個小任務(wù)的完成都會激發(fā)學(xué)生探究的興趣。隨著三個基礎(chǔ)任務(wù)的完成，學(xué)生掌握了while循環(huán)的應(yīng)用，但為了滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，教師安排了拓展任務(wù)及課后思考，需要學(xué)生小組合作探究學(xué)習(xí)Python語言中文件讀取的相關(guān)內(nèi)容，對程序進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化完善。本節(jié)課提供作品提交頁面，學(xué)生可直接提交小組完成的最終程序作品以及項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動記錄表（如表2）。為了幫助一些基礎(chǔ)比較薄弱的學(xué)生，教師還可以提供相關(guān)解題思路的半成品代碼供參考，從不同的角度鼓勵學(xué)生嘗試完善，同時(shí)，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生嘗試優(yōu)化程序功能，訓(xùn)練學(xué)生思維。

表2

5.小組展示評價(jià)，促進(jìn)能力提升

通過教學(xué)輔助平臺，學(xué)生可以欣賞各小組最終完成的程序作品，也可以進(jìn)行互評；教師也可以直接對作品進(jìn)行評價(jià)。同伴互評更能使學(xué)生看到其他組作品的亮點(diǎn)以及同伴在探究過程中所做的努力，同時(shí)可以反思自己作品中存在的問題并加以改進(jìn)，從而促進(jìn)能力的提升。

●結(jié)束語

計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，體現(xiàn)了信息技術(shù)學(xué)科的育人價(jià)值。計(jì)算思維能力是學(xué)生通過信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)所應(yīng)形成的關(guān)鍵能力，對其的培養(yǎng)不能一蹴而就，需要教師不斷細(xì)化課程教學(xué)方案，真正將培養(yǎng)落實(shí)到每一節(jié)課中。而基于PBL模式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，既落實(shí)了新課標(biāo)對項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的要求，又有助于培育以學(xué)習(xí)為中心的教與學(xué)關(guān)系，并在問題解決的過程中促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的提升。