結合項目式學習的中學信息技術課程計算思維培養研究

葉國平 安徽師范大學附屬中學

近年來，隨著信息技術的飛速發展，信息技術教育為學生在較短時間里獲得全面、系統的信息技術知識提供了保障，同時也為學生帶來了信息素養的進一步提升。[1]隨著教學改革的不斷推進，計算思維持續地融入信息技術教育并有效地促進了學生綜合能力的發展，因此，計算思維能力的培養越來越受到國內外研究人員和教師的重視。美國卡內基·梅隆大學的周以真教授在2006年首次系統地提出了計算思維的概念。我國發布的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》要求將計算思維作為信息技術學科核心要素之一。[2]但計算思維本身比較抽象，所以培養學生的計算思維能力是一個長期的過程。在中學信息技術教育階段融入計算思維，能使教師在更新教學理念的同時創新教學模式，從而激發學生的興趣與積極性，進一步提升中學信息技術教學質量與效率，并促進學生能力素養的培養。[3]

●引言

1.計算思維

計算思維的本質是解決問題的思維與能力[4]，對于計算思維，各國學者的理解角度不一樣，定義內容也不一樣，但無論從哪個角度分析，都強調了計算思維在問題解決方面的特征，強調通過抽象建模尋求問題的最佳解決方案。根據各研究成果，筆者認為計算思維可以理解為解決問題的思維活動過程，反映了計算機科學的基本思想方法，并且它可以擴展應用到工作、學習和生活中去解決具體的實際問題。在本研究中，計算思維能力指學生利用程序設計算法解決實際問題的思維活動。

2.項目式學習

項目式學習（Project-basedlearning）簡稱PBL，強調以學生自主探究為目的，以教師適當引導為主線。同時，項目式學習注重團隊協作，以問題為導向，激發小組成員之間的思維碰撞，通過組內成員的集思廣益、相互合作來完成項目任務。項目式學習的引入提升了學生的自主學習能力和動手實踐能力，與傳統的教學模式相比，它改變了傳統教學模式的單一與固化，為學生提供了更為靈活教學方式，實現了學生學習效率最大化。[5]

3.在項目式學習中培養計算思維的優勢

采用項目式學習培養計算思維可以讓學生在解決問題的過程中構建知識、提高能力、發展思維[6]，也能更好地培養學生發現問題、解決問題的能力。同時，通過學生之間的相互合作完成任務目標，可以培養學生的團隊合作意識，有助于發展學生的綜合素質。除此之外，基于項目式學習培養計算思維打破了傳統的信息技術課堂的教學模式，能夠更好、更早地發展學生的思維能力，以實現教學模式的進一步發展。

●如何結合項目式學習培養計算思維

1.理論基礎

（1）建構主義理論

建構主義(Constructivism)理論強調了學習的主動建構性、情境性，倡導在教師的輔助下，以學生為中心的問題式學習、協作探究性學習和情境性學習。[7]該理論認為學習是獲取知識的過程，知識是在特定的教學情境下，學習者通過小組合作，獲得他人的幫助，使用必要的學習材料進行意義建構而獲得的，因此該理論提出學習環境的四大屬性：“情境”“協作”“會話”“意義建構”。[8]基于項目式學習的計算思維培養模式就是基于建構性學習模式，旨在通過創建真實的教學情境，使學生在項目學習的過程中不斷訓練提升計算思維能力。

（2）“做中學”理論

“做中學”是由美國教育學家杜威提出的，該理論要求學生在實踐活動中探索、思考并解決問題，從而在解決問題的過程中學習一些直接的經驗。[9]

在基于項目式學習的計算思維培養模式研究過程中可以利用該理念進行實踐教學的探究，教師為學生創建特定的情境，學生在該情境中自主發現問題、探索問題，通過教師的輔助指導，最終得以解決問題。在這個過程中學生不但能夠學習如何解決問題，還可以直接學習到關于類似問題的相關經驗，進一步提升了學生的計算思維能力。因此，“做中學”理論對基于項目式學習的計算思維培養模式的研究有一定的理論指導意義。

2.構建基于項目式學習的計算思維培養模式

基于項目式學習，結合計算思維在實踐層面上的可操作性等基礎理論，筆者構建了如上頁圖1所示的基于項目式學習的計算思維培養模式。該模式以項目為主線，圍繞如何更有效培養學生的計算思維能力來展開。

（1）教師行為

首先，圍繞項目創設科學的項目問題情境，調動學生探究問題的積極性，并分析問題，將整體項目任務劃分為若干個單元任務，明確項目單元任務；其次，引導學生分析、表達、解決問題，在這個過程中，要為學生提供所需的知識講解及教學資源，并在適當的時候輔助學生完成項目的探究；最后，需要對學生完成的成果進行評價總結，引導學生將本次項目實踐中所獲得的知識推廣到其他問題中。

（2）學生行為

首先，進入教師提出的問題情境中并理解項目問題，根據具體的問題情境，確定并分析單元問題以明確單元任務及要達成的目標；其次，自主探究，抽象問題模型，制訂自動化解決方案，并根據解決方案，利用已有的知識、工具，結合教師的引導完成項目的實施；最后，通過教師評價、與同學分享、交流成果的方式，不斷總結反思，以尋求更大的提升空間。

●實際項目探索

1.項目簡介

青春期的學生對很多事物產生好奇，因此在根據學生特點和教學目標選定項目后，教師需要創設生活中的真實情境引導學生產生探索興趣，激發學生自主學習熱情。

根據學生的認知和學習情況，本次項目探究將按照層層遞進的方式展開，從關于數據安全的基礎出發，圍繞“創建安全密碼”的任務，通過體驗“暴力破解”程序，分析影響密碼破解速度的相關因素，總結創建安全密碼的技巧，同時通過案例分析引出密碼盜竊的其他方式以及采取相應的防盜措施；在學習本節課的過程中，讓學生了解密碼安全防范的重要性，增強自我保護的能力，樹立信息安全的意識。然后通過“讓數據‘隱身’”項目任務，引入愷撒密碼，剖析愷撒密碼的加密原理，并以流程圖、程序實現加密算法，引申出加法密碼的基本原理。通過學習這一系列知識，讓學生逐步樹立數據安全意識。

2.培養目標

①掌握編程計算中常用函數、基本結構（分支和循環）和窮舉的算法設計并學會使用Python語言完成算法設計。

②掌握密碼、密文、明文、密鑰、加解密、數據安全等基本概念以及創建安全密碼的一般技巧和愷撒密碼的加密算法，理解并掌握項目案例涉及的基本知識，并能夠將其推廣應用到其他項目中。

3.教學過程

（1）項目擬定

教師創設情境：生活中基本上家家都有無線網，在初次連接無線網時我們需要設置密碼并輸入密碼進行網絡連接，但是經常會遇到自己家無線網莫名其妙被別人連上，甚至會出現在正確密碼的情況下自己卻連接不上網絡的情況，這就是數據安全出現問題，導致密碼被人破解。由此可見，創建安全密碼對數據保護來說十分重要，如果不能采取有效的保護措施，可能會面臨來自黑客的威脅。那么，什么樣的密碼更加安全？為了確保這些數據的安全性和保密性，又該如何創建安全密碼來保護這些數據？如何防止密碼被破解？

（2）項目可行性分析

本次教學活動通過兩個項目構建基于項目式學習的計算思維的培養模式。

①安全密碼。

本項目通過問題引導學生思考系統數據安全問題—創設密碼，然后通過體驗“暴力破解”程序來體現創建安全密碼的重要性，達到先體驗后總結的目的。在活動過程中，學生自主協作探究，教師適時引導，學生將逐步掌握科學的學習方法和小組合作的技巧，同時引導學生聯系生活中密碼被盜問題，結合以往知識，前后貫通，提升學生計算思維和知識遷移能力，培養學生推理、歸納能力。

②數據隱身術。

基于以上項目，學生已了解到關于安全密碼的概念及創建安全密碼的一般技巧。本項目通過利用生活場景和多媒體視頻，讓學生感知數據“隱身”，體會數據安全性的增強，進而引入數據加密。這符合人類思維發展規律—由感性到理性，最后再應用到解決實際問題中。

（3）項目設計

①安全密碼項目：調動學生學習興趣，由淺入深進行知識的探索，主要通過三個活動讓學生學會設置基本的安全密碼。

活動1：體驗破解密碼。

教師展示密碼定義及多種密碼樣式，進一步提問：有了密碼就安全了嗎？引導學生思考并通過小組協作體驗破解他人密碼的過程。

Step1：被修改信息的學生設置系統密碼。

Step2：同桌協作破解系統密碼，思考破解密碼的方法。

Step3：嘗試完善破解純數字密碼流程圖，并記錄項目活動。

教師組織學生匯報評價，并總結：如果要用計算機編程來模擬破解過程，應采用循環程序結構（如圖2）。

圖2 破解密碼流程圖

活動2：對比不同數位純數字密碼破解時間。

Step1：教師組織同桌合作，利用已給的“破解純數字密碼時間”程序測試數字密碼破解時間。

Step2：分別記錄測試5位、7位、9位密碼的破解時間，完成項目活動的記錄。

Step3：根據數據，分析其涵蓋的信息，討論并填寫結論。

教師展示學生記錄的數據，組織學生匯報評價，并總結：密碼越長，破解時間越長。然后教師設置拓展延伸問題：相同位數的純數字為何測試出的破解時間不同？最后分析“破解純數字密碼時間”的算法，驗證結論。

活動3：計算破解復雜密碼的時間。

教師通過PPT圖例展示不同等級的復雜密碼，從觀察組成元素到算法分析推理其成因，總結密碼的復雜性與等級間的關系；組織同桌協作計算破解復雜密碼的時間，記錄項目活動，并總結出結論：密碼中含字符種類越多越復雜，破解時間越長。

教師組織學生匯報計算所得破解的時間和結論并分析結論背后的算法支撐—電腦編碼中的ASCII碼搜索，總結計算“數字+大寫字母”密碼、混合密碼破解時間的方法，進一步引申出窮舉算法的概念及基本思想。

教師布置擴展任務：根據所學技巧完善系統數據安全性，為使用的系統設置安全密碼。

②數據隱身術：讓學生通過算法設計進一步了解基本的加密算法，同時提升學生的分析問題和解決問題能力。其主要包含三個項目活動。

活動1：感知“隱身術”，通過觀看視頻，感知明文、密文、密鑰以及加密、解密過程。

教師引導學生體驗登錄系統時輸入的密碼暴露在外，提出問題：密碼的暴露是否妥當？引導學生聯想生活中登錄網站和手機APP時的密碼狀態，思考有沒有一種技術能讓數據“隱身”且提升數據的安全性，引入加密概念。

播放影片片段，讓學生感性認識加密和解密過程，然后再分析相關概念。教師提問：聯系視頻，說說其中數據是如何“隱身”的，列舉電碼與字碼的對應關系。接著引導學生理解加密過程中涉及的幾個名詞—明文、密鑰和密文，以及加密、解密過程中的概念，并總結。

活動2：揭秘“隱身術”，具體探究密鑰，剖析愷撒密碼的加密算法。

Step1：體驗愷撒密碼的程序，填寫表格中的密文。

Step2：推理其密碼規律，完成項目活動的記錄。

Step3：組織學生展示和分享密碼規律（如上頁圖3）。

圖3 愷撒密碼規律

Step4：利用動畫形象表達密碼規律，促進學生理解。

活動3：設計愷撒密碼加密算法流程圖。

Step1：帶領學生分析愷撒加密算法中“加密部分”基本流程（特別針對明文位置i上字符的加密過程）（如圖4）。

圖4 愷撒加密算法基本流程

Step2：引導學生分析流程圖中的選擇結構層次，根據密碼規律的分類情況（如圖5）確定需要幾個條件判斷。

圖5 密碼規律分類情況

Step3：引導學生填寫圖5中空白位置，確定判斷條件和處理過程—A.根據分類情況和最右側處理框內容填寫選擇結構判斷條件2。B.填寫條件1成立時的處理框。C.填寫條件1不成立，但條件2成立時的處理框。

Step4：以動畫形式完成愷撒加密算法整體流程圖（如圖6）。

圖6 密碼規律分類情況流程圖

活動4：利用Python編程實現愷撒加密算法。

Step1：參照項目活動3補充并完成程序代碼調試運行，觀察運行結果（如下頁圖7）。

圖7 愷撒密碼待完成程序代碼

Step2：展示幾位學生完成的語句，提示問題根源，提供學習資源幫助學生自主學習轉換函數。

Step3：總結利用chr()和ord()轉換函數實現移位（如下頁圖8）。

圖8 利用轉換函數實現移位

（4）項目實施

教師為學生提供所需的基本學習資源和操作軟件、項目活動手冊、小組分工表等，學生按照教師設計的項目任務，借助軟件登錄系統以及Python編程語言平臺實施項目活動，最后在小組合作和教師的輔助下完成項目任務的編寫、運行和調試。

（5）項目評價反思

教師組織學生展示各自的項目作品并進行小組內交流與互評，集中匯報評價以及根據項目分析和實施過程中學生的課堂表現等來綜合評價學生的計算思維能力的變化，最后教師對整個項目的實施過程進行總結反思，讓學生進一步明確該項目所獲得的知識和能力，同時這樣也能夠使教師在今后的教學活動中更好地指導學生學習，發展計算思維能力。

小組交流互評：小組內的成員相互展示作品并評議交流，根據自己的認識提出改進意見或建議，匯總改進意見或建議并針對存在的問題制訂改進方案，進一步完善項目。

集中匯報評價：在教師的引導下，小組推薦一個優秀項目，選擇代表針對該項目在班級進行集中匯報展示；教師組織項目評審組共同制訂評審標準，對各個匯報小組進行評價分析，并公布最終結果。

●總結

本研究在項目式學習和計算思維的相關理論基礎上進行了教學模式的探究，從計算思維在實踐層面上的可操作性出發構建了基于項目式學習的計算思維培養模式。該模式將計算思維過程化，利用項目式學習的教學方式全面培養學生的計算思維能力，通過項目的引入、分析、設計、實施、評價引導學生發現問題、解決問題、歸納問題，既培養了學生解決實際問題的能力，也提高了學生的團結合作能力，并且在探究過程中更加注重學生計算思維發展的過程性評價，更好地完善了教學。