中學生計算思維能力的培養研究

吉紅蘭

【摘 要】本研究將從Python程序設計課程的角度出發，從基礎知識點、數據分析知識點、機器學習算法知識點及深度學習算法知識點四個方面探討學生計算思維能力培養的要求，并分析借助Python程序設計課程培養學生計算思維能力的策略。

【關鍵詞】Python；程序設計；計算思維能力

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）01-076-02

人工智能的三要素是數據、算法和算力，最終的目的則是通過應用去解決真實問題。計算思維就是一種解決問題的思維方式，這種思維方式要運用計算機科學的基本理念。而Python程序設計課程作為計算思維能力培養的重要載體，它的培養效果直接影響著學科核心素養的落地。

Python程序設計課程中學生計算思維能力的培養要求

信息科技學科知識包含了很多概括性、抽象性的學科概念和學科原理等內容，我們要根據不同模塊的特點，挖掘有利于培養學生計算思維的內容，讓學生在問題解決的過程中發展計算思維。因此，本研究將從提升學生的計算思維的方向對其專業知識點進行映射，為學校相關教學工作的開展提供一定的指導，促進學生計算思維能力的提升。

1.計算思維能力與深度學習基礎知識點映射階段

Python程序設計課程教學過程中針對學生的基礎知識進行教學，對學科的基礎概念、重點工具、基本框架等開展針對性的教學，不僅能夠加深學生對于基礎知識點的了解和認知，也能為后續的深度教學提供一定的基礎。但在實際教學過程中對于學生的計算思維能力也有著較高的要求。學生在學習過程中需要同時具備一定的抽象能力、形式化能力以及思辨能力。例如，在學習神經網絡數學基礎知識點時，學生應具備形式化證明、符號表示等方面的計算思維能力。

2．計算思維能力與Python數據分析知識點映射階段

相較于基礎知識點映射階段的內容不同，數據分析階段更加重視的是對學生具體程序能力的體現。Python程序設計課程中針對學生數據分析能力的提升主要體現在將人工智能程序設計作為提升學生能力的重要內容，學生不僅需要熟悉Python程序的基本內涵，同時還需靈活掌握Numpy、Pandas、Matplotlib等涉及科學計算、預處理、可視化庫的知識，確保能夠為后續深度學習的開展奠定一定的基礎[1]。因此，綜合分析這一階段應當重點培養學生的抽象思維、模型建構、迭代計算等計算思維能力。

3.計算思維能力與機器學習算法知識點映射階段

基于基礎知識與Python數據分析知識點能力的掌握之后，學生可以開展進一步的Python程序設計學習。機器學習算法知識點教學過程中學生需要掌握高階建模、符號表示、模型計算、抽象思維等計算思維方法，其具體學習內容及要求如表1所示。

4.計算思維能力與深度學習算法知識點映射階段

深度學習算法階段的學習內容更加深化，常見的內容有卷積塊、池化、激活函數、學習率、全連接等。這一階段的學習內容及要求是整個Python程序設計課程中的重點及難點內容，對于學生計算思維能力的培養有著較高的標準。例如，學生需要使用 Mnist的手寫識別來融合所有的新概念，在有了一定的基本知識后，利用 Alexnet、VGG、Google LeNet、 Resnet等典型的卷積神經網絡，完成對YOLOV3的后續目標檢測。這一階段對于數據建模、抽象思維、符號表示、模型評估等都有很高的要求[2]。

Python程序設計課程中學生計算思維能力的培養策略

1．轉變教學觀念，培養計算思維能力

在Python程序設計課程中，很多教師已經意識到要注重培養和提高學生的計算思維能力。但是，教師的普遍做法是讓學生反復經歷抽象、分解、算法設計、編程調試和應用遷移等環節，認為這就是培養計算思維了。那么，學生的計算思維達到了一個什么水平？我們都不得而之。究其原因是我們沒能將教學過程與計算思維的發展對應起來。我們要認識到培養學生計算機思維的有效途徑就是解決問題，它是一個逐步發展的過程。教師可以嘗試改變課堂的教學方式，以真實問題或項目驅動，引導學生主動建構知識，讓知識和思維達到內在統一，從而提升學生的問題解決能力。只有嘗試對計算思維進行分解，設計面向核心素養的課程，學生的計算思維能力才能得到有效提升。

2.落實目標先行，運用逆向課程設計

在課程設計環節，教師首先要明確我們更關注的是教學輸入還是教學輸出。關注教學輸入的教師，往往按照教科書內容的順序設計教學活動，他們是教教材，而不清楚如何用教材來教。他們會把大量時間用于思考自己要做什么，要求學生做什么，而不是思考學生要通過怎樣的學習過程才能達成學習目標。這樣的課程設計有兩個弊端：一是教師無法掌握課堂實施的結果，教學質量大打折扣；二是學生無法明確自己努力的方向，無法進行深度學習。我們的教學應該更關注教學輸出，要從學習結果倒推教學活動，采用逆向設計策略，才能保證學生向著預定的目標行進。

3．創新教學方法，采用項目整合策略

當我們有了明確的學習目標之后，我們就需要思考如何達成這些目標。如我們要培養學生的批判性思維能力、通過試錯學會解決問題的能力、合作能力、溝通能力等元技能，我們或許會把每個技能進行拆解，以非項目的形式逐個教學。這樣的教學僅僅停留在期望層面，通過在教學過程中不斷地提及、陳述、訓練和評價這些技能，導致的結果只能是學生“不識廬山真面目，只緣身在此山中”。而項目式學習會告訴學生，我們不是要學會什么內容，而是要去創造一個新產品，在完成項目的過程中，令人信服地證明其重要性。學生通過頻繁地練習、反復地實踐、嚴謹地評價，在積極地獲得和建構知識的過程中，體驗學習的樂趣，最終達成深度學習。

4．轉變評價方式，豐富考核內容

Python程序設計課程的測試重點在于考查學生運用計算機解決問題的能力。計算思維是一種比較復雜的思維方式，對于這樣一個抽象的概念，已經無法用傳統的紙筆測試進行評價。素養導向的教育變革需要表現性評價。表現性評價的主要特征是評價一系列綜合知識和綜合能力，它要求學生可以是完成一項任務，而不是提交一個正確的答案[3]。它通常以評分規則為評價標準，評分規則描述了學生達成不同學習水平的表現，為學生提供了目標參照，這樣的評價其實就是學習。所以說，表現性評價不僅能檢測學生的計算思維能力，更重要的是學生能通過表現性評價反思自己的學習過程，促進計算思維能力的提升。

結? 語

綜上所述，Python程序設計課程中學生計算思維能力的培養及提升需要經過長時間的積累。想要確保學生計算思維能力得到有效提升，應當重視對于教師教學方法、教學內容、考核方式等的轉變與創新，在提升學生的基礎知識的同時將計算思維能力映射到更多的跨學科課程當中，促進學校教學質量的穩步提升。

參考文獻

肖卓宇，黃俊，徐運標，陳果，郭杰. 新工科視角下以計算思維為導向的高職Python程序設計公共課程教學改革研究[J]. 電腦知識與技術，2020，16（21）： 154-155.

穆俊. 基于計算思維的“python程序設計”課程教學探究[J]. 長江工程職業技術學院學報，2020，37（2）： 48-51.

經濟合作發展組織. 為了更好的學習：教育評價的國際新視野[M]. 上海： 上海教育出版社，2019.