基于計算思維激發的高中信息技術項目式學習研究

朱鈺錚

摘要：如何將新課標、新教材、新教法的理念應用于程序設計的課堂，將程序設計知識以一種創新的方式教授給學生，在提升學生計算思維能力的同時培養學生運用計算思維的方法發現問題，然后尋找解決問題的途徑，最終解決問題。從學習者視角出發結合高中信息技術項目式學習的特點，縱向剖析信息技術計算思維的養成過程，以“體制數據促健康”項目教學資源，設計了計算思維目標下的項目式學習，去探索高中信息技術項目式學習的教學路徑，為教師提供一條有效的教學思路。

關鍵詞：計算思維；高中信息技術；項目式學習

一、前言

由于大數據及AI（人工智能）等科技發展對人們的生活學習方面產生了較大影響，其涵蓋的計算思維技能與態度值得所有人學習與實踐運用[1]。在《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中，高中信息技術學科的核心內容之一就包含了計算思維的學習，明確了在未來學習和使用信息技術學科的對象[2]。其培養結果的好壞對學科核心素養落實的效果存在著直接影響。

在信息技術高速發展的時代，計算思維的學習是培養國家新型人才的必要學習內容。學生通過學習科技的變化，掌握科技發展更加深層的邏輯性，增強自身的科創能力與進步思想，為創新型人才的培養打下了堅實的基礎。并且這種培養方式也是使學生適應科學技術發展的必要經歷[3]。

二、項目式學習的基本內涵及其內在價值

（一）項目式學習

項目式學習（PBL）是一種動態的學習方式，盧小花（2020）認為學生通過研究挑戰現實世界中遇到的問題即是項目式學習，通過學習使學生的綜合實踐創新能力得到提高是這項學習方式的重點內容。該方式將學科的主旨思想與原理融為一體，學生可以通過自主學習的形式構建屬于自己的知識體系，從而實現系列作品的完成[4]。羅賓（2018）認為項目式學習的重點應當聚焦于核心思想反射出的課程核心內容與現實世界的聯系，提升學生在課程邏輯性、真實性與實用性方面的主動學習能力[5]。

綜上所述，項目式學習以學生為中心、解決問題為目的，在解決問題的過程中提升學生自主學習能力和高階思維能力，具有一定的探究性，是一種創新性的教與學方式。

（二）內在價值

以高校信息技術課程的目標為基礎，將教學內容與現實中的案例相關聯，通過項目式學習，增強學習者的主導意識、解決問題能力、獨立思考能力和合作能力，提高學生的自主參與意識，共同完成項目。基于信息技術的時代特征，學生可以體驗信息技術帶來的便捷生活，直接使用電子設備或者學習方面的應用，讓學生的學習和日常生活能夠緊密相聯。

三、旨在激發計算思維的高中信息技術項目式學習模式構建

建構主義強調學生在學習中不再是被動“接受”，而是主動去“做”。項目式學習與建構主義均強調自主性與探究性，在活動過程中通過解決問題建構自己的知識經驗，達到增長技能的目的。本文從信息技術的四個核心概念數據、算法、信息系統和信息社會出發，結合已有的研究，思考基于項目學習的現狀和問題，構建面向計算思維培養的項目式學習模式[6]。

在這個學習過程中，學生能夠系統地學習了解編程知識，并通過這種方式使編程方面的研究實踐能力得到提高，讓學生在學習過程中養成良好的價值觀、世界觀與情感態度。

（一）項目設計

1.明確項目的目標和任務

項目式學習應該緊密貼合課程目標和學科知識范疇，讓學生在解決具體問題的同時，達到學科目標。項目設計應該明確項目的目標和任務，并通過探究和實踐，讓學生獲得動手、實踐、思辨、合作等方面的經驗。

2.構建適合學生發展的項目

項目設計應該根據學生的興趣愛好、社會背景和生活實際需要等，構建適合學生發展的項目。通過多樣化的項目培養學生的多元智能，提升學生解決問題的能力。在項目設計過程中，通過與學生的交流和深入了解，找到最適合他們發展的項目，激發他們的出色表現。

3.運用多種教學策略

項目式學習需要運用多種教學策略，例如，教師激發學生的興趣，引導學生提出問題，安排項目學習時間表等。此外，還需要學生運用多種信息來源（如圖書館、互聯網）獲得豐富的信息，激發學生的學習熱情和興趣，增強學生的學習體驗。

（二）項目實施

本研究的項目實施階段以美國國際教育技術協會（ISTE）和計算機科學教師協會（CSTA）提出的計算思維操作性定義中的實現問題解決為目標，設計學習流程和師生互動，將學生思維“定向”到用計算思維實現項目問題解決的過程，實現對學生計算思維的培養，構建面向計算思維培養的高中信息技術項目式學習實施流程。

1.組建團隊

項目式學習中，團隊合作非常重要。教師需要根據學生的興趣和專長，合理組建團隊，制定角色和任務分工。同時，教師還應該引導學生自我管理，提高學生的學習積極性，讓他們熱愛學習、相互支持和協作，共同完成整個項目。

2.運用多種學習資源

項目式學習需要運用多種學習資源。通過各種資源獲取知識和技能，在實踐中不斷分析、運用數據。教師應該指導學生如何尋找合適的資源，并且幫助學生掌握和利用這些資源。

3.安排評價與反思環節

項目式學習過程中，評價與反思環節是十分重要的。教師可以設置檢查點，對中間階段的成果作出評價，以便及時進行調整和改進。此外，教師還應該安排時間聽取學生對項目的反思，讓學生自己總結經驗，探究解決問題的過程。這些反思將有助于為學生構建更為深刻的學習框架。

（三）項目評價

1.考查學生的思維能力

評價項目式學習的最終效果，需要考查學生在實踐中培養的豐富能力和知識。除了考核學生的學科成績，延伸到評估學生的思維能力，包括批判性思考、解決問題能力、創新能力、溝通能力等。

2.考查學生的職業素養

項目式學習的另一個目的是通過模擬現實情境，促進學生的職業素養和個人價值的發揮。所以，教師也需要考查學生在項目實踐中培養的職業素養，包括團隊協作、溝通技能、領導能力等。

3.考查學生的自主學習能力

項目式學習是一種學生中心的學習方式，學生負責整個項目的實施，發揮了自主學習和探究的能力。因此，評價項目式學習的一個重要標準就是評估學生的自主學習能力。應該考查學生是否自主深入研究、學習質量是否達到要求，是否有自主探究的精神等。

四、基于項目式學習的教學設計策略

（一）項目流程

1.軟件準備

Mind+是一款擁有自主知識產權的國產青少年編程軟件，既可以拖動圖形化積木編程，也可以使用Python/C/C++等高級編程語言。用戶只需要拖動圖形化程序塊即可完成編程，還可以自動轉換Python/C/C++等高級編程語言，適用于校內的大班教學、項目創作、創客比賽等場景，同時能滿足學生校外進行創意編程與項目創造的需求。

2.硬件準備

掌控板：由創客教育專家委員會推出，是國內第一款專為編程教育而設計的開源硬件。它集成了ESP-32高性能雙核芯片，支持Wi-Fi和藍牙雙模通信。

加速度傳感器：是一種能夠測量加速力，將加速度轉換為電信號的電子設備。加速力就是在物體加速過程中作用在物體上的力，就好比物體下墜時，受到重力作用。掌控板自帶一個三軸加速度傳感器，能夠測量由于重力引起的加速度。

3.教師準備

對班級學生進行奇數分組。高分生、中等生、低分生均衡分配，做到組內異質。教師將學生們分為多個學習小組，每小組由3至5人組成，明確各人分工與學習目標。

（二）項目分析

1.學習目標

（1）能夠正確地理解體質數據所反映出來的信息，領會數據、信息以及知識三者之間的關系；掌握計步器的工作機制和原理，嘗試用Mind+軟件實現編程。

（2）能根據實際問題的需要，理解數字化的作用和掌握獲取數據的方法；利用Mind+軟件和硬件設備，設計出能夠檢測步數的程序。

（3）能夠通過對計步器的測量和真實感知，強化運動意識，增強體質鍛煉；學生能夠更快感知數據與信息，從而提升信息素養。

2.教學重難點

教學重點：能借助數字化工具協同學習，解決實際問題；通過對計步器項目編碼的理解與運用，體驗運動對健康的重要性。

教學難點：理解體質數據反映的信息，領會數據、信息與知識三者的關系。

（三）項目實施

1.情境導入

本環節是項目式教學的初始階段，教師會設定一個真實場景并拋出問題，引導學生進入狀態，激發學生通過信息科技等知識對問題進行分析，并對問題抽象分解，將難度較大的問題一步步簡單化、模塊化，使學生對問題的分析、簡化等計算思維得到增強。通過播放《中國青少年體質問題分析》視頻，引導學生對健康問題的思考。

本階段，教師將會利用微視頻載體為學生創造一個真實情境，并通過微教學視頻幫助學生解決遇到的困難，培養學生處在不同水平時的自主探究問題能力。

2.活動探究一

本階段是項目式教學的準備環節，準備工作包括學生分組合作研究項目需求，共同設計恰當的問題解決方法。這個過程是項目式教學的重點內容，是對學生在學習中計算思維能力、程序性思維進行培養的關鍵環節。另外，教師也會通過系統論的觀念、方法和學生進行積極討論，以找到合適的解決方案。

學生進行小組討論得出提高身體素質最有效的方式，并且通過討論得出跑步是最快捷、方便的運動方式。同時，讓學生討論怎樣通過跑步來提升身體素質，以及用什么來監測實際跑步情況以達到鍛煉身體的效果。

3.活動探究二

本階段是程序設計的檢查和測試。學生通過程序運行和實踐，分析過程，反思算法和實驗方案，驗證作品的有效性。并且通過不斷調節和修改程序過程，檢查執行方案所遇到的各類問題，對問題進行有目的性的優化，增強學生計算思維的能力。

分析可穿戴計步器的原理：怎樣獲取步數數據，小組合作完成該主題項目。通過學習做出作品、展示匯報，并進行小組互評。教師組織學生按小組進行作品展示，并在結束后進行評價。

4.作品制作

這一階段為設計方案的實施階段，是項目教學最重要的環節之一。教師講解加速度的原理，讓學生認識加速度、理解步數的數據通過讀取加速度的值來獲取。教師展示程序編寫過程，告知學生注意事項，巡視指導，及時發現問題并調整上課節奏。

考慮到學生所學知識體系結構不完善，制作作品時可以選擇多人組成小組的模式合作。對于有較大難度的項目，教師應當為學生提供程序框架、半成品或初始版程序代碼等預處理，平衡學生的作品制作難度，最終得到如圖1所示的作品。

5.小組展示

這一階段是學生學習成果的匯報與展示。每個學習小組的代表將現場解說作品，其余小組進行打分評價，打分依據如表1所示。匯報和評價可以是多種多樣的，重點是培養學生的高階思維能力和綜合實踐能力。在展示作品的過程中，教師還需要引導學生進行作品功能的延展，彌補作品的不足，最后總結和升華該作品，增強學生的綜合能力以及培養知識遷移能力。

（四）項目評價

通過開展基于項目式的Mind+編程與探究活動，培養學生發展綜合運用知識的能力，養成良好的探究品格。通過課堂實施軟件編程與外接硬件設備相結合的主題學習項目，增強了學生解決真實問題的實踐能力。學生圍繞問題開展任務探究活動學習，借助軟硬件、數字化學習資源與工具設計解決問題的方案。在整個主題學習項目中，培養了學生的合作學習、探究學習、計算思維、動手實踐、問題解決等方面的知識與技能。

五、結語

在高中教學中開展項目式學習可以培養學生的思維、創新能力，發展學生的信息技術核心素養，更多挖掘素材和題材，進一步拓展課程。本研究融合了新課改標準理念，設計了以“體質數據促健康”為主題的項目式學習內容，為新課程改革標準的貫徹實施提供有據可查的參考案例。項目將借助數字化學習工具認識數據、理解數據、感知數據，以“體質數據促健康”為主題，通過Mind+軟件、掌控板、加速度傳感器的運用，引導學生運用計步器進行計步測量，加強學生對體質健康的重視程度，進而提高身體健康的意識，增強身體素質。

綜上所述，本研究建立的項目式學習模式是一種培養計算思維的學習方式，該模式的實施流程不斷增強學生計算思維的培養，使學生對發現的問題進行自主思考，學會總結和反思。這種基于項目的學習全新的教育模式對教學過程提出了其他需求，要求教師盡量掌握學生對所學知識的實際認知情況，并引導出合理且具有一定難度的問題供學生解決，讓學生在學習中不斷進步。

參考文獻

[1]張宸.知識建構理論下的高中信息技術項目式學習教學探究[J].漢字文化，2022（18）：144-146.

[2]陳慧蓉，萬佳琦，陽建中.基于核心素養的地理項目式學習路徑探索—以“探尋坭興陶的前世今生”為例[J].吉林省教育學院學報，2022，38（11）：122-126.

[3]宿慶，張文蘭，王海，等.面向高中生計算思維培養的信息技術課程項目式學習研究[J].電化教育研究，2022，43（08）：109-115+122.

[4]盧小花.項目式學習的特征與實施路徑[J].教育理論與實踐，2020，40（08）：59-61.

[5]梁偉虹，熊應龍.以項目式學習促學生高階思維發展——“寶貝市集”探究項目的設計與實施[J].基礎教育課程，2019（06）：20-23.

[6]楊明全.核心素養時代的項目式學習：內涵重塑與價值重建[J].課程.教材.教法，2021，41（02）：57-63.

責任編輯：張津平、尚丹