高中計算思維技能培養教材的設計與開發

閻姝宇，駱科亞，寸珊娜，許靖宇

（天津師范大學教育學部，天津 300000)

1 研究背景

著眼于高考改革新模式的發展走向與教育領域可預見性的全面改革，為著力推動構建高中階段基本普及的社會新形勢，教育部重新修改訂正了普通高中的課程方案和課程標準，為全體國民素質提供強化助推力，同時將提升創新型人才培養質量作為新時代強根鑄魂的發展需求。對比《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”) 與《普通高中信息技術課程標準（實驗）》（以下簡稱“老課標”)，計算思維登上信息技術學科核心素養的舞臺，為信息技術學科的培養目標提供了思維站位的蝶變空間。異于老課標側重對操作行為的培養，新課標圍繞數據、算法、信息系統、信息社會四大概念，將這一核心素養在課程教學中予以實現促成為亟須解決的問題——即如何從培養思維能力的角度強調分解、抽象、評估和遷移[1]。

新課標中25 次提及“自主可控”、5 次提到“原始創新”、4次提到“原創精神”，強調信息技術課程對“促進科技創新自主可控、維護國家安全”的重要“基礎性意義”，因此，信息技術課程明確成為培養學生信息思維與科技能力的重要載體[2]。持續更新換代的信息技術對日常生活學習所產生的影響是自然而然地進行內化轉移或外顯轉變的，具有忽略時空限制的繼承性和持久性，而計算思維作為一種必備的態度與技能，應該被每個人學習和應用[3]。

對現有問題進行闡釋，在理解的基礎上完成對其的解決這一籌思步驟，最終形成的解法對策能夠被信息處理機構有效執行——該過程即計算思維。老課標過于強調對操作和行為的訓練，是以技術為導向，以熟練程度和技巧為方向的教學過程。新課標則是呼吁信息技術課程內容轉向注重對思維能力和能動意識的培訓，是以科技為導向，以舉一反三和融會貫通為橋梁，致力于提升學生的適應力、勝任力和創造力。

2 文獻綜述

計算思維概念最早是在1996 年由麻省理工學院(MIT) 的Seymour Papert 教授提出[4]。2006 年3 月，美國卡內基·梅隆大學的周以真教授對計算思維再次做出定義，從此計算不再單純是編程的指代，而是通過抽象過程描述并解決實際問題，將人類行為與信息處理流程相串聯。

近年來針對基礎教育階段提出了幾種培養方式：使用機器人參與課程建構[5]、借助游戲活動或教學游戲化[6]和利用編程軟件[7]。但以上三種方式均有局限，如現在教育機器人仍然處于研發進步階段，成果產出不明顯，且生產、維修價格相對較高，使得教學活動難以有效開展；如多數游戲化教學的開展只針對解決單一問題，缺少系統性的計算思維培養過程；如多數用于教學的編程軟件均采用圖形化編程軟件進行，更適用于小學、初中學段。少數采用代碼化的編程平臺更適用于大學階段教學。

綜上，高中生缺乏對算法理論化的學習資源[8]，如何將理論化的算法知識以計算思維培養的形式為學生開展教學，成為本研究的重點之一。

目前信息技術教學模式仍有不足，具體表現為互動模式過于單一化、形式化。這樣的模式一方面很難實現人機之間的主觀能動選擇，也很難實現人機之間的遷移和整合。同時人機之間依托技術進行互動的過程也褪去創新底色，學生越來越少地在作業中表現自己的想法，很難做到知識的復述與加工。

評價方式過于單一。大部分學校僅重視學業水平考試成績，對于學期測評并沒有納入考評，忽略了平時的學習效果評價，致使教師在教學上熱情不高，學生對課程內容失去興趣，進而導致忽視信息技術課程內容的現象發生。

隨著新課標的全面推進，應有意識地利用計算工具分解、抽象、遷移作為解決問題的思維過程，并以其為目的，促使生活經驗在解決問題的過程中得以獲取，保證實際行為在生活經驗的取得中得以體現，讓計算思維真正發揮其教育作用與創新精神。設計并開發一套完整的、以計算思維技能培養為主導的高中信息技術教材可以有效解決上述問題。

3 設計依據

本項目以東北師范大學于穎博士提出的教材結構設計理念框架CTACK 作為培養計算思維教材設計的理念框架和理論依據[9]。如圖1所示，在該框架中，把“雙基”定位為專業知識，對應信息技術學科中的“專業知識”，把“問題解決”定位為活動，對應教與學的活動過程與教與學的方法，把學科思維定位為信息技術學科四大核心素養中的計算思維。

圖1 CTACK關系框架簡圖

在關系框架中包含了完整的信息技術學科核心素養，其中，計算思維作為關鍵技能對其他三個核心素養起引領作用，在培養學生計算思維技能的同時，也逐步發展學生的信息意識、數字化學習與創新以及信息社會責任。學科知識為框架圖的最底層，支撐活動的開展并為其提供底層邏輯。學生從一系列學習活動中不斷提取、凝練和總結方法論，從而不斷促進其計算思維技能的形成。在設計培養學生計算思維技能的教材時，可逆向分析此關系框架簡圖，首先將計算思維解構為抽象、程序化、分解、評估、概括五個關鍵技能，再設計與之匹配的教學活動，從教學活動中提取與凝練學科知識，這樣有利于促進學生逐步內化和吸收在學習學科知識和參與相應教學活動過程中形成的方法論，并將其進一步轉化形成學生的計算思維技能。

綜上所述，本項目設計以計算思維為導向、在CTACK理論框架指導下，面向具有學科育人功能的新型高中信息技術校本教材。

4 教材設計與開發

4.1 教材結構和功能

在水平維度，本教材選擇了合適的信息技術學科教學理念，從信息技術學科思維的角度考慮了教材資源所承載的更高層次的知識形態，并根據橫向層面將各核心章節的教學內容轉化為不同的課程內容。

在垂直維度層面上，由于學生的年齡水平和發展階段不同，在設置教學重點和難點時，呈現一個逐漸從容易到困難螺旋上升的過程，最終形成垂直難度內容水平序列。在不同內容水平的要求下，其學習根據學生的個人能力逐漸進一步提高學習垂直深度。

在深度維度層面，本教科書借助實際案例解釋，使學生能夠更好地積極地與教科書資源互動，獲得有意義的知識形狀。根據信息技術核心素養的培養要求，加強教科書資源和課程內容的綜合性、具體性和發展性，使學生獲得更多的方式知識和價值知識，將教科書資源和課程內容轉化為學生獨立改進的個人知識體系。

4.2 核心素養維度要素

信息技術學科核心素養的落地，教材成為重要影響因素之一。為符合信息技術學科核心素養，采取案例學習作為主要方式，能夠驅動學生進行良好的合作探究式學習，完成學習活動的過程中，掌握基本知識提升學習體驗。

層級合理、內容適量、避免成為“滿堂灌”的知識課堂，圍繞信息技術課程標準進行編寫，結合現實生活情境，強調學生利用計算思維幫助自己分析問題、解決問題。

能夠將理論學習和實踐遷移相結合，能夠良好地映射CTACK框架對教材結構的作用。

4.3 指向信息技術學科大概念

“學科大概念”是課程設計思想和理論的載體，其作用為整合過去離散的學科知識，提供強有力的學科知識核心支撐，學生依靠“概念錨”充分挖掘課程核心，有效洞察學科知識和內化遷移已學知識，真正獲得信息技術學科素養[10]。

本教材以現實世界案例作為支撐，根據以學生為主體，教師主導的教學方法，在教材的深入指導下，以學生為主體，以問題為基礎，根據思考和討論，圍繞問題收集數據，發現和解決問題，培養學生的自學能力和創新能力。

4.4 具體設計流程

首先，明晰現階段的要求，在已提出的基礎知識與“基本技能—問題解決—學科思維”三層架構下，掌握推出CTACK 框架的理論推理流程，并深入理解其應用原理。清楚對計算思維從“抽象、程序化、分解、評估、概括”五個方面的解構及其理論來源，掌握其中的分類依據，為后續教材結構設計、知識分類、教材內容設計等步驟做好鋪墊[11]。

其次，基于已掌握的CTACK 框架進行教材結構設計。通過CTACK 框架搭建具體的教材結構，為教材的模塊、章節、課程等內容提供前提與保障。

再次，將計算思維技能培養的知識進行整理與分類，從“抽象、程序化、分解、評估、概括”五個方面解構的結果，按照前期完成的教材結構設計，進行教材的詳細設計。結合教學設計的相關理論，完成每一節課的教學設計，建立課程教學內容學習評價機制，完成試題編制、考核標準等教學評價的設計，從而完成教材主體內容。

最后，對教材界面與版式進行設計，結合前期完成的教材主體內容，完善數字化資源的開發，對全部內容進行資源整合，完成紙質教材與數字化資源結合下的立體化教材開發。嘗試將教材應用于實際教育教學過程中，根據反饋不斷迭代、完善。結合實際教材應用情況，開發輔助教學使用的教案、PPT、教學參考資料等資源。

在整體上先對教材進行整體的主體編寫與開發，完成主體開發后，再逐步依據理論與實踐反響進行修改，最后完成相應的教學設計。

4.5 教材主體開發

4.5.1 主體模塊

此模塊對學生將抽象問題具體化的能力要求較高，不適合使用傳統的教學方式進行教學，因此，使用以學生為主體，教師為主導的教學方法。使用此教學方法幫助學生學習，培養信心，促進知識內化。同時，為了防止大量知識對學生造成認知負荷，引起學生對學習感到疲倦或產生厭惡感，本部分選擇使用案例引起學生學習興趣。學生通過學習理解日常生活案例，在問題解決的過程中深化學科核心素養，提升專業技能，并積累實踐經驗，促進計算思維的形成。

4.5.2 拓展鏈接

此模塊介紹了與本課程相關的拓展內容，技術前沿和相關知識發展趨勢，并以知識卡片的形式呈現。在有限的范圍內擴展學生的知識圖譜，為學習能力強、對僅僅學習基礎知識不滿意的學生提供不斷深化學習的知識渠道。在最后一個模塊中呈現“拓展鏈接”，為以后的學習打好基礎，建立起新舊知識的連接。拓展鏈接有利于培養學生學習的個性化特征，有利于學科核心素養的產生，充分體現了教材設計的時代性和合理性。

4.5.3 問題討論

此模塊設立問題討論活動。學生能夠在問題討論的過程中產生思維碰撞，了解他人的思考方式以及想法，并與自身的對比整合。在此過程中，學生能夠學會與同齡人交往，學會分享，最大限度地發揮信息的價值，并感知自身的認知與其他同學的差異，不斷發展。此外，在同學之間，學生能夠更好地發揮和表現自己，減少了課堂上回答問題時的緊張和局促感。問題討論是培養學生表達能力、分享能力以及創新學習能力的重要手段，能夠激發學生的學習熱情，提高學生在課堂中的參與度和參與感，使學生在彼此的差異感知體驗中深化計算思維的學習。

4.5.4 思考與練習

此模塊是在學生掌握和理解基本知識后進行具體實踐。旨在培養學生解決問題和實踐創新能力，實現對課上所學知識和技能的擴展訓練。該模塊要求學生獨立完成項目活動，并根據“抽象-程序化-分解-評估-概括”五個方面解構問題，從而使計算思維進一步得到強化[12]。

5 結束語

教材設計需要不斷滿足國家戰略和社會對人才的需求，設計者應準確把握教材內容的時代性與形成性，在不斷實踐的過程中，對教材內容進行反復打磨潤色。教材是課程理念的具體體現，也是師生教與學的重要載體。在實踐教學的過程中要善于總結發現學生是否真正內化所學的知識，能夠將學到的知識運用到實際的問題解決中去，進而對教材進行二次開發。