面向計算思維培養的信息科技課程活動設計探究

摘要：本文基于互聯網、物聯網、人工智能等新興技術和跨學科主題，依托相關原理、智能設備及多學科知識，開展創新研究和課程活動探究，探索計算思維培養的方法和路徑，以期為相關研究和一線教師的教學實踐提供參考，并能在一定程度上推動新時代語境下教育模式的轉變和生態重構。

關鍵詞：計算思維；信息科技；課程設計

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）06-0080-03

隨著信息社會的不斷演進，計算思維已成為信息科技教育領域中備受關注的研究焦點，但計算思維教學的研究尚未形成系統。目前，在中小學教學中，為達到計算思維人才培養目標而展開的教學活動普遍存在活動設計較為單一，教學中注重編程教學、忽視計算思維培養等問題，同時，大部分教師并未意識到計算思維對人才培養的重要性，很難真正地將計算思維從計算機教學中剝離出來。因此，如何將計算思維更深入地融入教育教學中，值得教師深思。

計算思維的定義與內涵

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學的周以真教授首次提出并界定了計算思維的概念，將其定義為：運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。[1]《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中描述到：“計算思維是指個體運用計算機科學領域的思維方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動。”[2]由此可見，計算思維在信息技術課堂上的地位與作用越來越重要，計算思維既是信息科技學科核心素養之一，又是信息科技教學的關鍵。計算思維是抽象、模式識別、算法設計、評估和遷移等一系列復雜思維活動的綜合體（如下頁圖1），它與信息科技有著天然聯系，在教學中具有重要作用。

計算思維培養的意義與價值

1.聚焦計算思維，提升適應力

在不同的數字化場景中生活、學習，需要運用計算思維的方式來認知、理解和適應不同的環境。計算思維使學生能夠更加靈活地應對復雜多變的信息時代，使其具備持續學習和適應變化的能力。因此，培養計算思維，就是培養學生面對未來社會的適應能力。

2.注重計算思維，接軌網絡時代

在互聯網、物聯網和人工智能技術日益發達的今天，需要注重計算思維，接軌網絡時代。新課標中提出的跨學科主題學習為計算思維的培養提供了新的路徑。主動探索跨學科學習與計算思維的教學融合，有助于學生更好地接軌網絡時代的發展潮流，為未來的成功奠定堅實基礎。

在信息科技課程中進行活動探究的可行性

1.政策有指導

信息科技課程首次作為獨立科目被納入課程方案，在新課標中，計算思維作為信息科技課程的核心素養之一被明確提及，并賦予了相應的涵義和學段目標。為了有效推進信息科技教育，提高和培養青少年的數字素養和技能，教師應當深入學習新課標，并準確把握相關要求。

2.環境資源有保障

在《教育信息化2.0行動計劃》中，“人人都能獲得優質教育資源”是其重要目標。為了實現數字化校園建設的全面覆蓋，該計劃將信息化教與學應用擴展至所有教師和學生，以滿足各級各類學校的教育需求。

此外，利用教育大資源、優秀課程案例、教育數據等共享信息，可以推進教師自身教育觀念與模式、授課內容與方式的創新。這一系列實施行動為信息科技課程的活動探究提供了環境資源的支持與保障。

3.課程設置有支撐

如今，信息科技課程構建了以核心素養為體系的課程內容結構，通過內容模塊和跨學科主題學習模塊兩部分涵蓋義務教育學段的課程內容，凸顯信息科技與學習、生活的緊密聯系，旨在培育和提升青少年的數字素養與技能。從新課標課程內容模塊中的計算思維核心素養和學段目標可以發現，計算思維體現出抽象、模式識別、算法設計、遷移等思維活動，呈現的教學環境包括互聯網、物聯網、人工智能等新興技術，突出的教學方法是圍繞跨學科主題學習展開。

在課程活動設計中，可將計算思維的培養融入到互聯網、物聯網、人工智能、跨學科主題學習中。課程活動分為以下幾個方面：基于互聯網滲透抽象思維、基于人工智能鍛煉模式識別思維。基于物聯網培養算法設計思維、基于跨學科主題提升遷移思維。課程活動設計探究結構框如圖2所示。

計算思維指向的內容模塊課程活動設計

1.基于互聯網滲透抽象思維

互聯網推動著人類的學習、生活和工作由物理空間向網絡空間和數字空間逐步遷移。基于互聯網的創新創造是推動數字時代社會進步和國家發展的重要力量。[2]

因此，教師可從以下幾點培養學生的抽象思維：第一，立足互聯網環境培養學生思考和解決問題的抽象思維。這種抽象思維是互聯網發展和應用實踐在學生思維中的映射，經過長期的積累和內化，成為學生思考和問題解決的認知方式和思維結構。第二，在面對復雜問題時，教師應引導學生利用互聯網資源，選擇合適的方式來表述問題，或者通過建立合適的模型來處理問題，從而使問題變得容易解決。第三，將互聯網技術作為抽象思維的基石，通過互聯網引導學生抽象思維的發展方向。第四，引導學生思考如何將互聯網作為新型工具服務于他們的創造性勞動，以提高學生通過抽象思維來分析和解決問題的意識和能力，為學生的能力發展創造條件。

2.基于人工智能鍛煉模式識別思維

人工智能是一門新興的技術科學，涉及研究和開發用于模擬、拓展人類智能的理論、方法、技術和應用系統。[2]

教師要從身邊的人工智能應用場景入手，鼓勵學生尋找和發現身邊的人工智能應用。通過對常見人工智能應用的分析，使學生發現其中的實現方式，了解實現方式的計算過程，進而積極研究其他人工智能，如語音識別、智能家居、智能門禁等應用的實現方式。

學生在觀察事物或現象時，通常會比較其與其他事物或現象的差異，并根據特定目的將相似的事物或現象歸類。從模式識別的角度來解釋，觀察到的具體事物可以看作是樣本，而其所屬的事物類別，即代表這些事物的“概念”可以看作是模式，主導這一活動的思維便是模式識別。所以，學生利用人工智能應用深入開展學習研究，思考不同應用之間的模式識別問題，清楚解決問題所采取的處理方法，以此來鍛煉他們的模式識別思維活動，使其頭腦中的知識更加完善、精細，進而提高他們利用模式識別思維來分析與解決問題的意識和能力。

3.基于物聯網培養算法設計思維

物聯網作為新型信息基礎設施，通過將人與物、物與物連接起來，實現萬物互聯。它為大數據和人工智能等信息科技的發展和普及提供了不可或缺的重要支撐，是繼互聯網之后的新一代技術革命。[2]

為深入培養學生的算法設計思維，教師通過實例讓學生感受萬物互聯的場景，清楚物聯網實現萬物互聯的基本原理。在研究物聯網系統中的數據采集、處理、反饋控制等關鍵功能的算法時，著重引導學生設計一種對實際要處理的數據盡可能優化的算法。在算法建設完成后，促使學生進行思維發散，即依照相同的問題解決思路或方案來處理類似問題，使用實驗設備搭建自己設計的物聯網系統，由簡到繁，由易到難，對多樣化的物聯網系統進行遞進式分析。學生在分析中了解萬物互聯的途徑，體會物聯網的獨特魅力，提高利用算法設計來拓展思路、勇于創新的能力。

4.基于跨學科主題提升遷移思維

實現跨學科主題學習的關鍵在于在信息科技課程中嵌入跨學科學習的設計和實施，這樣就可以通過深化和擴展學生對學科知識和學科方法的理解來促進學生計算思維的發展。[3]在設計其他課程教學活動時，教師可根據信息科技課程中計算思維活動發生的順序進行組織，以提高學生跨學科思考的意識和能力，從而促進學生遷移思維水平的提升，這種跨界思考的能力能夠幫助學生發現新的解決方案、創造新的價值，并推動不同領域之間的交流與合作。

結語

教師在設計信息科技課程時，必須從具體的課程出發，深入挖掘各單元中蘊含的計算思維，以適應未來智能時代的培養需求。將計算思維與互聯網、物聯網、人工智能、跨學科主題融合教學相結合，不僅是教學形式的轉變，更應該是一種方法論上的創新。為此，教師需要變革培養方式，更新培養內容，明確在教學過程中如何培養學生的計算思維，從而使學生能夠運用計算思維解決實際問題。

參考文獻：

[1]Wing J M. Computational Thinking[J].Communications of ACM，2006，49（03）：33-35.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[3]萬昆.跨學科學習的內涵特征與設計實施——以信息科技課程為例[J].天津師范大學學報：基礎教育版，2022，23（05）：59-64.