基于高中信息技術核心素養的計算思維的培養

孫明珠

摘 要：信息技術教師對于學生思維發展的重視程度越來越高，尤其是計算思維這一學科核心素養，其和理論思維以及實驗思維共同組成三大科學思維，直接關系著學生利用信息技術解決問題的能力水平。為幫助學生實現發展計算思維的學習目標，教師應全面優化教學策略，通過創設情境來幫助學生在課堂中獲取真實體驗；借助以任務導向為基礎的項目教學法來拓展學生的思維深度；依靠循序漸進的教學理念來幫助學生逐步發展計算思維；利用游戲競賽來激發學生參與課堂互動，強化思維系統的學習動力。

關鍵詞：高中信息技術；核心素養；計算思維；培養策略

隨著大數據技術、人工智能技術等先進信息科技滲透到現代人的日常生活以及工作學習中，計算思維也越來越重要。在高中信息技術核心素養體系中，計算思維也占據著重要的地位，其主要指高中生在借助計算機科學領域中的理論知識、思想方法解決問題時進行的一系列思維活動，包括界定問題內容、抽象提取問題特征、構建結構模型、以合理化的方式組織數據、針對各類信息資源進行分析與判斷、依靠算法來實現對問題的解決。教師不僅要讓學生在信息技術課堂中獲取學科知識，還應轉變學生的認知觀念，從而實現對計算思維的有效培養?，F探討高中信息技術課堂中如何引導學生形成計算思維。

一、創設情境，實現親身體驗

計算思維能夠促使學生利用計算機、數學、信息學等學科知識來處理問題，其綜合了問題解決能力、邏輯思考能力以及計算機技能等多方面能力，對于高中生未來的發展有著不容忽視的重要意義，但培養難度也比較高。因此教師可通過創設情境，借助學習情境的形象化、具體化、真實化特征來彌補計算思維本身的抽象化特點，并利用各種貼近學生實際生活的應用場景來使學生認識到計算思維以及信息技術對于生活的不可或缺性，對計算思維的養成形成更為濃厚的興趣，主動地發展自身思維以及信息技術核心素養。

比如：在《算法及其特征》一課中，學生需要以更為系統化的方式來理解算法概念，并掌握二分查找這一以高效為優勢的算法。在計算思維的核心素養發展方面，學生需要能夠把處理問題的具體方案總結與分解為準確、清晰的步驟；明確算法的重要特征以及基本要素；了解二分查找算法基本思想，并能夠以合適的方式對其進行描述；通過Python語言來有效實現二分算法，成功解決問題。

在教學環節中，教師可創設如下情境：班級的語文課代表在期中考試完成后，進入辦公室幫助語文老師整理大家的試卷，為了使教師能夠便捷、高效地將考試成績錄入到計算機中，課代表在整理過程中，結合考生學號，按照由小至大的順序對試卷展開了重新排列。此時A同學找到語文老師，提出自己的試卷只寫了考號而遺漏了名字，因此提出了補填姓名的申請。課代表應當如何把握此次機會，幫助老師在最短的時間內將試卷找出，教師提出的問題包括通過何種方案可以有效解決此問題，涉及的算法有哪些典型特點。通過這一生活化情境，學生的注意力得到有效吸引，同時本課所需要解決的項目也得以引出。學生在思考問題時，還需要提取其中的隱含性條件。學生在小組內結合教師給出的例子進行思考與討論，發現若按照順序進行查找，當出現查找失敗的情況時，盡可以將一個錯誤答案排除，要找到能夠一次實現對多個錯誤問題進行排除的方法。教師可幫助學生梳理待解決的問題，包括對該問題進行具體化處理，程序輸出與輸入的內容是什么；項目隱藏了哪些條件，在二分查找中，應將哪張試卷和A同學的考號展開比較；如何在二分查找期間成功縮小答案范圍；如何設計二分查找的程序結構。在分析中學生完成基本模型的抽象任務，即：針對包含若干不同元素的有序數列，需將指定元素從中找出，只需將A同學的試卷編號輸出即可找出其試卷。同時，學生確定了問題解決步驟包括分析程序結構，確認對應語法，設計流程圖以及編寫代碼。最后，學生在自主協作中完成了設計二分查找算法對應流程圖的設計任務，也掌握了對于自身較為實用性的技能。

情境教學法在計算思維的養成教育中可以為學生創設合適的學習環境，鍛煉學生處理學習以及真實問題的能力，幫助學生降低對算法等學習難度較高的知識的理解難度，激發其學習動力，而且可以拉近信息技術課程、計算思維與高中生日常生活之間的距離，使高中生能夠正確認識計算思維的價值。

二、任務導向，拓展思維深度

項目教學法是高中生計算思維強化的教學工作中最為常用的教學方法，教師在采用這一教學方法時，需要對知識模塊進行提取、組織與整合，從而設計出較為完整的項目，再對項目進行拆分，分解為具體的學習任務，以此為基準來完成教學活動的設計。在項目活動中，學生與教師需要共同參與其中，活動的選擇設計、組織安排以及實施是教學的核心組成部分，也是學生形成計算思維的重要環節。以任務為導向來引導學生獲取正確的學習、思考與探究方向有助于拓展其思維深度。

針對《機器學習與深度學習》模塊，教師可為學生設計“走入人工神經網絡與機器學習”探究項目，結合人工智能核心技術應用案例來組織學生展開對這部分知識的學習。首先，學生需要完成第一部分任務，即對機器學習內容進行體驗，通過閱讀教材與搜集資料明確機器學習的具體概念與當前的發展歷程。具體活動包括利用Flappy-Bird小游戲來感受機器學習的過程；借助數字化學習的方式來掌握機器學習所經歷的發展歷程。在第二部分任務中，學生需要學習機器學習的應用領域與運行原理，借助感知器來了解機器所運用的學習方式；利用決策樹來完成“等人”決策的設計；掌握人臉識別庫等機器學習的具體應用情況。在最后一部分任務中，學生需要通過對簡單化的人工神經網絡所形成的學習過程進行體驗以及對于深度學習展開應用來加深對神經網絡所具有的基本原理的印象。在學習過程中，可通過對手寫體數字進行識別來實現對于TensorFlow的具體化體驗。在學生完成所有學習任務后，教師可針對“機器學習概念”“機器學習與人類學習之間的區別”“體驗機器學習的應用”以及“案例評價報告”等評價項目來對學生的單元學習效果進行評價，幫助學生明確自身在項目學習中的具體學習成果。

在學習《數據可視化》時，教師需要引導學生對文本數據實現可視化的作用、具體方式進行掌握，了解詞云制作原理以及Python詞云程序等，其中指向計算思維的學習目標為借助自主學習單以及網站新手教程，通過WorditOUT或者WordArt網站來完成詞云制作任務。在教學中，教師首先可為學生呈現出詞云圖片以及與之相對應文字描述，從而將項目主題引出，學生需要找到并登錄統計局網站，在其中的“可視化欄目”板塊搜索自己感興趣的話題并完成對網頁的瀏覽，對文本類數據可視化的具體作用進行體會。學生需要按照教師為其布置的課前任務，通過Excel來對所有同學的午餐內容進行統計，并將詞頻依次列出，并探索能夠在最短時間內獲得詞頻數據的方法，依靠WordlitOUT或者WordArt軟件來以所有同學午餐為主題完成詞云的制作。而后，在學生能夠對詞云制作的主要步驟進行精準梳理后，教師可令學生從網絡上下載自己所喜歡的文檔，借助Python詞云程序，提取文章主旨。利用網站提供的提示信息，完成參數設置，獲取午餐詞云。啟動“Python數據可視化”這一指定程序，結合代碼案例與文檔提示，來繪制與設計詞云。最后通過流程圖來展現出數據可視化的具體實施過程，并對詞云程序進行改編，為自己有興趣的文檔來制作對應的詞云。最后對學生的抽象問題以及分析問題的能力進行考查，可引導其思考文本類數據可視化的其他形式，對比詞云與其他處理數據的方式的異同點與優劣勢。

教師在以計算思維的發展為主要教學目標來選擇教學模式時，需要確保所選用的教學模式兼具創新性、開放性、合作性以及學生主體性的特點。以任務為驅動要素的項目式學習模式能夠滿足這一項信息技術關鍵能力的培養目標，將理論及技能學習與實踐應用環節加以融合，使學生以高效的方式實現對知識的深化理解，對思維的有效

發展。

三、循序漸進，尊重認知規律

對于高中生而言，高中信息技術課程的學習難度相較以往的學習內容，有著幅度較大的提升，以自動化、抽象以及算法思想為核心特點的計算思維培養工作也屬于長期性的教育任務。在初期接觸環節中，學生對其的印象往往是抽象且模糊的，因此無論是抽象思維的養成，還是信息技術的傳輸，教師都必須以尊重高中生的認知規律為前提，以循序漸進的方式來引導學生逐步在信息技術知識與技能的學習、理解與掌握的過程中，接觸計算思維，逐步形成計算思維[1]。

如：在學習《作出判斷的分支》一課時，教師首先應對學生的學習內容、學習程度與學習方式作出判斷，學生在此單元中需要接觸算法的概念，了解描述算法可用的方法以及多種控制結構的特征，同時還需要掌握Python程序相關知識與程序運行調試方法等內容。能夠結合實例，對“算法”概念進行概括性敘述，并圍繞具體情境，選擇合適的控制結構與方法來表示算法。而在該課中，python程序中的if語句以及分支結構為重點內容?？紤]到學生在前期的學習中已經對程序設計知識形成了初步的了解，對于程序描述方式也有了較為深刻的印象，雖然接觸了Python中的輸出輸入、數據類型、變量與常量等內容，但是因多方因素，可能存在一定的遺忘，需要教師逐步引導。在計算思維方面，學生需要了解雙分支、單分支結構的執行順序，并在實際問題的分析過程中，結合分支結構繪制程序流程圖。

教師可讓學生思考，生活中有哪些和物流有關的APP，可從中體驗到什么功能；如何寄出快遞；若需要經營快遞寄取中心，考慮到寄取費用隨快遞重量增加而增長，而手動計費方式效率與精準度都比較低，如何設計可對郵資進行自動計算的計算器。學生可組建小組來分析問題，結合網絡搜索的資料了解當前快遞寄送的收費規則；探討計算器可用的程序結構類型以及具體的運行邏輯；程序結構于Python之中對應的具體算法表示方式；通過程序流程圖的形式來表達其運行邏輯；完成模型設計后，編寫代碼。在此問題分析環節中，學生的合作意識以及分析問題的能力得到鍛煉與增強，同時還可在梳理問題的過程中，確定該課所需掌握的知識點。在學生自主設計程序結構時，教師可尋求合適的時機進行指導與糾正，如分支結構類型、關系運算符等內容。學生可借助PPT來以動畫的形式呈現出執行單雙分支結構的過程，在探究Python對應的具體語法時，對語法要點進行總結；以自然語言來描述計算器的具體執行過程。在此環節中，學生的建模以及抽象分析能力均能夠獲得有效鍛煉。設計完成后，學生可相互以多角度的方式來展示本組的“郵資計算器”代碼、流程圖等設計成果，并討論制作作品期間遭遇的困難與應對方法。

為實現計算思維培養的教學目標，教師需層層深入教學過程，讓學生通過明確實際問題，分析解決方案，歸納算法步驟，繪制程序流程圖以及編碼等環節，逐步提升自身的計算思維水平。在最終的總結與評價環節中，為增強學生在程序語言輸出以及輸入格式的規范性，可摒棄人工判斷的方法，運用OJ平臺來給學生提出精準化反饋與專業化建議。

四、以賽促學，激發學習動力

在當前的信息技術教學中，不少學生對于計算思維都缺乏深刻、正確的認識，對于計算思維的發展動力不足，往往將注意力集中到學習任務方面，沒有關注思維層面的發展目標。這與教師長期采用的單一化、枯燥化的教學方法有著密切的關聯。因此教師在計算思維教育過程中，應引入游戲化競賽這一教學要素，通過技能訓練式、探究式以及引導式游戲活動來使信息技術教學過程更加靈活有趣，從而實現“以玩促學”“以賽促學”的教學目標。

比如：在學習《數據的查找》一課時，學生需要通過二分查找與順序查找兩種方式來完成查找目標數據的學習任務，學生通過對必修一教材的學習已經能夠簡單應用數組，對于二分查找也有一定的了解；順序查找則是高中生需要掌握的查找類算法中較為簡單易行的典型算法。教師在為學生設計游戲競賽時，應當重點強調對兩種不同算法的比較設計?？蔀閷W生設計“查找大師選拔賽”的游戲活動，學生需要通過無刻度式天平這一工具從20個顏色、大小完全一致的小球中篩選出質量稍重的特殊小球，查找過程需要計時，按照具體破解時間來篩選出“破解大師”，各個小組之間可對破解方法進行交流。而后，學生需要結合目標球的具體質量范圍展開質量競猜，在對競猜次數進行記錄的過程中，還需將算法寫出。再通過二分查找法進行目標小球的查找，并對兩種不同的查找方法展開對比與分析。最后，對游戲規律進行總結，歸納二分查找法的實施步驟，同時，探討游戲中采用的兩種數據查找方法分別適用于哪一種類型的問題。在游戲進行過程中，學生察覺相比前一種方法，二分查找法能夠以更高的效率幫助自身找到目標小球，以此實現了對優化算法意識與評估思維的有效培養。

游戲競賽能夠充分激發學生對于信息技術學習的熱情，但是在實際的教學設計環節中，教師應注重游戲內容與計算思維發展內容、教學內容的一致性，以教學內容為核心設計并選擇合適的游戲內容與類型。同時還需通過及時的教學反饋來了解學生在游戲中所采用的問題解決方法的正確性，在合適的時機為學生提供指導與糾正。

結束語

計算思維的培養與強化需要學生的主動配合與信息技術教師的科學引導，因此教師應當從教學模式、教學內容、教學方法等角度入手，立足核心素養發展目標，綜合應用情境教學法、項目教學法、游戲化教學法等多種教學手段，為計算思維養成創設良好的實施條件，使學生在真實化、趣味化、生活化的信息技術課堂中實現對自身高階思維的有效發展。

參考文獻

[1]蔣亞梅.高中生計算思維培養存在的問題及對策[J].中小學電教（教學），2022（12）：19-21.