“闖關式”教學法指導下的高中算法應用模塊課程設計

楊溢博，吳虬，劉濤，許靖宇

（天津師范大學教育學部，天津 300000）

1 研究背景

《普通高中信息技術課程標準》（2017 年版2020修訂版）（以下簡稱“新課標”）指出：普通高中信息技術課程是一門旨在全面提升學生信息素養，幫助學生掌握信息技術基礎知識與技能、增強信息意識、發展計算思維、提高數字化學習與創新能力、樹立正確的信息社會價值觀和責任感的基礎課程。

計算思維作為信息技術課程新標準中重要的核心素養，是21世紀公民的必備能力之一。高中生作為新一代的“數字土著”，利用信息技術進行主動學習，鍛煉提出問題、分析問題、解決問題的能力十分重要[1]。而隨著新課標的全面推進，多數教材已不適應新課標中的理念，主要原因有二：一是大多數教材基于工具或經驗，對學科思維理解不明確。二是對單一指向的核心素養培養的缺失，而并非課程教材的項目推進教學。特別是針對算法應用模塊的設計，大部分教材只是單純進行知識的講解，忽略了應用這一重要模塊[2]。

算法的設計與分析是計算機科學的核心問題之一。通過學習,學生可以掌握算法設計的常用方法，以便利用這些方法去獨立設計解決各類實際問題。由于算法抽象性高、邏輯性極強，因此要求學生具有較高的抽象思維能力,導致學生在算法學習中往往存在很大的難度，也給教學提出了較高要求。

探究式教學是學生通過教師指導而進行自主探究學習的方法，讓學生在掌握知識的同時，經歷科學探究、自主學習的過程。探究式教學通過加大邏輯思維探究而提高學生解決問題的能力。這種教學模式非常適用于算法教學，教師根據教學內容,通過設置問題情境,引導、輔助學生去自主探究算法的設計、實現直至優化。

“闖關式”教學法中，教師需要將一個實訓項目分解形成關卡，并為每個關卡配上相應的闖關提示。學生在教師的引導下根據闖關提示進行闖關。隨著一個個關卡的完成，學生的成就感也會增強。而且先前關卡的完成情況還會影響后續關卡的進行，迫使學生主動探索知識。“闖關式”教學法下的算法應用模塊課程，能讓學生充分融入課堂，有效改善課堂沉悶的狀況[3]。

對分課堂教學模式是由復旦大學心理系教授張學新提出的教學模式，以課上先由教師講授，課下學生自主內化，再隔堂討論為主要特征，學生由教師引導進行有方向、有目的地自主學習[4]。對分課堂教學模式下的算法應用模塊課程中，教師作為學生學習的引導者與推進者，能很好地把控教學進度與教學方向；學生作為學習的主體，在小組合作與討論中充分發揮自身特長，在討論中主動進行對知識的建構，全面把握算法知識。

2 計算思維技能培養課程開展現狀

高中信息技術課程包含理論基礎知識和實踐操作學習兩個方面。在傳統教學模式下的信息技術課堂注重教師課上講授，重理論而輕實踐，難以達到教學目標，不能培養學生的自主學習以及創新能力[4]。

同時，信息技術課程中算法應用模塊缺少系統性的單元課程設計，學生在學習時無法體會算法的綜合運用，也無法將所學的知識形成緊密的知識網絡。

孫增國、文珊珊[4]提出對分課堂教學模式，將傳統講授法和討論法有機結合，并融入自主內化吸收，強調過程性評價，有效改善了信息技術課程中實踐操作的教學效果和課堂現狀。

劉艷松等學者指出，理論與實踐分開授課，沒有實現理論與實踐的有機融合，教學形式呆板，不便于學生對知識技能的掌握。

基于此，上述學者提出了課程教學內容改革和線上、線下混合式教學實踐，創新了以學生為中心，以案例為載體，以任務驅動為主線，融理論、實踐、專業化、創新、德育為一體的混合式教學模式[5]。

知名學者Tak Yeon Lee等研究者依照兒童的技能與興趣開發了一個游戲系統，以特別的方法來助力他們更加準確地表達算法思維。美國學者Cagin Kazimoglu等人[6]闡釋了一種新型游戲模式，即通過數字游戲來培養計算思維。該團隊以設計游戲框架、分析游戲如何支持不同的計算思維概念以及這些概念是如何被設計成建構程序來鼓勵基于學習的引導式計算思維。

毛如進[7]認為教師的指導引領是學生進行自主學習探索的必備前提，學生在教學過程中利用的教學媒體正是有效實現自主學習的輔助工具，而進行游戲化教學可以發揮闖關游戲、教師的主導作用和學習者的主體作用。高嬌[8]也同樣主張將游戲與教學相結合，用創新性的教學方法來培養學生的計算思維。

然而，多數游戲化教學的開展只針對解決單一問題，對于系統性的計算思維培養比較缺失。計算思維培養也存在著一些效果并不明顯、學習者通過學習帶來的效益不顯著問題。

3 高中生計算思維技能培養課程設計內容

3.1 課程內容概述

本課程在新課標的指導下，以CTACK（計算思維-活動-學科知識）框架為基礎，明晰信息技術課程計算思維結構，從抽象、程序化、分解、評估、概括五個方面解構計算思維技能這一信息技術學科核心素養[9]，并基于此對課程進行設計。

本文以項目組所開發課程的算法應用模塊為例進行章節教學設計。本章節從排列組合、概率、余數的運用以及遞歸的實際應用出發，通過回顧先前所學的算法知識，而后解決實際問題，夯實計算思維技能在設計課程時，本團隊將章節內容進行整合，學生需要通過綜合使用先前所學知識進而解決問題，有助于將先前所學習的零散的知識形成整體性、系統性的知識體系，幫助學生對課程整體內容進行把握。

3.2 課程內容改革

在算法應用這一模塊的課程實施中，本項目組從學科思維的視角搭建學科核心素養架構，將計算思維作為其主要導向標。并且從教材結構設計層面出發，為使其更具指向性與可操作性，能夠在教學實踐中充分體現出計算思維、活動與學科知識三者之間相輔相成、互為依托的培育意識，能夠在教學應用中致力于證明課程與教學論觀點的自洽邏輯，本團隊基于核心素養“三層結構”，圍繞CTACK關系框架，完成課程內容的設置。

在本章節的課程內容設置中，教材從具體的學科知識出發，結合不同的具體教學活動進行內容整合與改革。比如第三節：網絡傳輸奇偶校驗——余數的應用中，就聯系教材第二章第三節：有效分組的余數等基礎學科知識內容，設置網絡傳輸的生活應用情境，幫助學生進行知識的總結和遷移復習。

在本章節的課程教學設計中，本項目組基于完整性原則與分層接受原則，設計豐富多彩、趣味性強、學生能接受的難關，并通過合理安排分組（高低搭配、組內異質、組間同質），在高度興奮中積極主動地完成教學項目、真正學到知識，從而夯實算法知識[7]。

在本章節的課程準備中，對分課堂教學模式與基于闖關游戲的游戲化教學課堂對教師有更加嚴格和細致的要求，但教師只需將教學重點聚焦于解決教材相關內容、完成既定的教學目標即可。教師可采取課下與學生交流探討的方式解決更多的問題[4]。

在本章節的課程實施中，本項目組以行動導向為指導、以游戲闖關為指引、以學生為中心推進教學。教師作為學生學習的引導者，教學重點在傳授學習方法，并給予學生幫助與鼓勵[7]。

在本章節的課程評價中，教師與學生處于平等地位，兩者均為評價主體，本項目組關注于個體差異，并將評價過程、終結性評價與發展性評價相結合，力圖將評價內容綜合化、評價標準層次化。

3.3 章節教學設計

1）學情分析

本章課程面對的對象為高一年級的學生，以下對學生的基本學情展開分析。

信息技術學科知識儲備：學生通過對算法知識的學習，提高了分析問題與解決問題的能力，能根據不同的問題情境選擇合適算法以解決問題。但是在先前學習中，只是對算法知識以及計算思維技能進行簡單的基礎應用，先前學習的零散知識點未在學生腦中形成有條理的知識體系。

其他學科知識儲備：學生在數學學科中已經形成了穩固的計算概念，為學生在算法的應用與實踐中奠定基礎。但是學生可能會將數學學科中的計算方法與信息技術學科中的算法概念相混淆，會對學生利用算法解決問題造成影響。

生活知識儲備：學生在生活中有豐富的有關排序、遞歸等算法的感性經驗，并能從貼近生活的問題情境中抽象出題目模型，進而利用適合于問題情境的算法解決問題。

學生一般風格、能力：高一年級學生具備辯證思維與抽象思維，但以上思維尚未成熟。同時高一年級學生在信息技術課程的學習上不僅依據個人偏好，還具有一定目的。

2）章節教學目標

第一，學生通過體驗闖關游戲的游戲化教學方法，實現對先前知識的綜合性運用，進一步夯實先前所學習的算法的相關知識，提升計算思維技能。

第二，學生通過解決闖關游戲中的問題，感悟算法思想與計算思維，體會算法的多樣性及其在解決問題中的應用。

第三，通過學習本章知識，能主動利用算法知識與計算思維技能解決生活中的問題，提升分析與解決問題的能力。

最后，學生通過學習本章知識，提升信息素養，拓寬眼界。

3）教學策略、教學環境與教學資源

教學策略：為實現本章教學目標，有效突破教學重難點，本章教學將“闖關式”教學法與對分課堂教學模式結合。課前，學生自行回顧所學算法知識，并完成測評題目，教師根據測評結果進行課程的分層分組；課中，利用采用層層遞進的闖關任務設計與學生自主學習的方式，并通過教師引導以及階段性的總結與歸納作為問題解決的支架，助力學生將所學的算法知識與技能進行系統性地運用。在闖關過程中，教師通過引導學生進行小組合作與討論，以提升學生的抽象辯證思維，促進學生將計算思維技能與算法知識內化；課后，教師布置分層闖關題目，方便學生在課后拓展提高[3]。

教學環境：信息技術課程側重于動手實踐與操作，因此設備的支持尤為重要。學生在信息技術課堂上可以使用機房電腦進行學習。此外，學生也可以在手機、平板等移動設備上進行靈活性更高的移動學習[4]。

教學資源：教師利用多種信息化的手段，為學生提供豐富的課內外教學資源。同時教師根據教學進程向學生發放不同的闖關題目，以提高教學效果。

4）教學過程

教師導入闖關情景：教師首先結合先前所學的知識以及闖關素材將學生引入游戲情景，激發學生的學習興趣，每個大關卡內設置有難度層層遞進的小關卡。教師依據課前的評估測試將學生進行分組，開設闖關主題（以排列組合為例，微課視頻內的課前闖關題目如表1所示，課中闖關如表2所示），展示關卡：

表1 微課視頻中闖關題目的設置

表2 課中闖關題目設置

第一關：用計算機破解密碼。

第二關：用概率求π近似值。

第三關：用余數完成網絡傳輸的校驗。

第四關：用遞歸快速解決漢諾塔問題。

教師任務引導，學生探索闖關：教師把握教學節奏，控制好每一關卡的答題時間，并將限制的時間長度告知學生，告知學生任務要求，給予學生一定時間進行思考討論。學生開始小組活動。

教師觀察指導，學生完成闖關任務、數據記錄和匯報：教師在學生進行小組討論的時候進行巡視指導，對有問題的學生及時進行排疑解惑，隨機點名，要求學生對討論結果及解答報告進行一個簡單的匯報。學生在小組內部積極討論，做好記錄，完成匯報。

教師進行評價、講授和收集數據，學生鞏固強化：教師對進行匯報的內容進行評價，講述過關的正確思路，并收集學生的相關記錄進行打分。學生認真聽教師講解正確思路，對照自己的解題思路，反思自己的解題方法，從而對知識點進行鞏固和強化。

布置課后作業，學生完成對應的課后關卡：教師根據學生做好的記錄得分進行分析，根據不同層次的小組布置對應難度的課后練習作業，課后作業也將設置成不同難度層次的闖關任務（以計算機破解密碼為例，課后闖關如圖1所示）：“入門闖關任務”“普通闖關任務”“提高闖關任務”。保證題目難度適合不同學習要求的學生[7]。

圖1 課后闖關題目層次設計

5）教學評價

在設計本章節教學評價的相關內容時，需結合實際情況設計學生自評表、小組評價表和教師評價表。

學生自評表從學生在課上的表現、態度、能力等維度出發，來對其自身進行評價，學生根據每個維度的具體行為表現的描述為自己評分，在一定程度上也起到了自己監督的作用；小組評價表是根據組員在小組活動中的表現進行評價，以提升學生合作學習的能力；教師評價表則體現學生的整體學習狀況，主要評價學生的作業，以督促學生自主學習[4]。

4 結束語

本項目組基于高中信息技術課堂中算法應用模塊課程現狀，結合高一年級學生的特點，將“闖關式”教學法與對分課堂教學模式結合，對算法應用模塊內容進行章節設計，將原本零散的算法應用模塊的知識內容進行歸納整合，讓學生在闖關中做到綜合運用算法知識，充分發揮學生學習的主動性，能在一定程度上改善高中信息技術課程的現狀。