基于Excel 模塊的初中生計算思維能力培養策略研究

摘要：計算思維作為一種核心思維能力，不僅有助于學生更高效地處理復雜問題，提升其信息素養，更能幫助他們更好地適應未來社會的發展與挑戰。文章綜合運用文獻分析、案例分析等多種研究方法，深入闡述計算思維的內涵，分析Excel模塊教學與計算思維能力培養之間的關聯性，提出了面向初中學生計算思維能力培養的策略，并以Excel模塊教學為載體，設置具體的策略實施流程。旨在為有效提高初中生計算思維能力提供相應的參考思路，同時引發更多教育工作者對初中學生計算思維能力培養的關注與思考。

關鍵詞：計算思維培養策略；計算思維能力；Excel模塊；計算思維五要素

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）02-0144-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

初中作為計算思維能力培養的關鍵期，正面臨教學方法單一、學生基礎差異大、理論與實踐脫節等挑戰，且國內外對計算思維的定義尚未達成普遍共識。本研究圍繞John Woollard和Cynthia Selby兩位博士提出的面向問題解決過程中的計算思維要素結構進行策略研究，即培養學生掌握并熟練運用分解、抽象、算法、評估和概括這五種思維，以此提升學生的計算思維能力。

鑒于此，本研究深入探討初中學生計算思維能力培養策略，構建以Excel模塊為例的具體實踐流程，以期豐富和完善計算思維教育的理論體系，為解決當前計算思維教育中的瓶頸問題提供新思路、新視角，促進學生計算思維能力的全面發展。

1 計算思維內涵

2006年，周以真教授在ACM雜志中首次對“計算思維”這一概念展開闡述，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]。這一劃時代概念的提出，在國內外計算機教育領域內掀起了一場關于計算思維的研究熱潮。

基于國內外權威專家學者關于計算思維的定義，計算思維可以理解為利用計算機科學的原理和工具進行復雜問題求解的一系列思維活動，且問題分析過程“涉及抽象、分解、建模、算法設計等思維活動”[2]，強調“利用算法思維來制定步驟與資源的最優組合的自動化解決方案，并可將問題的解決過程推廣到其他領域”[3]。

計算思維超越了單純關注計算機操作的層面，而是一種更廣泛的思維方式。在使用這種思維方式解決問題的過程中，人腦無須像計算機那樣高速運作，而是通過計算思維指導計算機完成一些耗時耗力的工作，從而實現質量和效率的提升。

顯然，這種思維并非學者、科學家等高智商人群特有的思維，也不僅局限于計算機領域。它廣泛滲透于每個人的學習和生活中。例如，面對重要且不便于隨身攜帶的課堂筆記和資料時，計算思維可以幫助學生將其數字化，并利用簡單的電腦軟件（如Word、Ex?cel等） 進行整理分類，以便更高效地查閱和管理。

2 Excel模塊與計算思維能力培養的關聯性分析

在我國初中信息技術教材中，以Excel為載體的“數據分析”幾乎是目前所有初中信息技術教材的必選內容，且具有最高的一致性[4]。Excel模塊與計算思維能力培養之間存在緊密的關聯性，這種關聯體現在以下幾個層面：

第一，Excel提供的排序、篩選、計算等基礎功能，可以將復雜問題分解成一系列簡單的小問題。例如，在處理圖書借閱表的數據時，可以先將圖書進行分類，再分別計算哪類圖書最受歡迎。這正是計算思維中分解能力的體現。

第二，Excel中的數據輸入與整理功能要求學生能夠準確識別哪些數據是有效的，并將相關數據抽象成Excel表格中的行和列。這一過程充分鍛煉了學生的抽象思維。

第三，Excel中公式的使用需要學生正確設計公式的使用范圍和條件，部分任務甚至需要使用多種函數。這要求學生能夠準確安排不同函數的使用順序。在設計公式和函數的過程中，可以有效提升學生的算法思維。

第四，Excel的高級功能，如數據透視表和圖表制作等，可以對數據進行可視化分析。例如，柱狀圖可以用來比較不同產品的銷售額，折線圖可以反映某產品的銷售趨勢。學生通過評估輸出的結果是否滿足需求，再決定是否需要調整模型并進行優化，這一過程充分培養了學生的評估思維。

第五，在使用電子表格進行數據研究的背景下，學生的計算視角得以拓寬。他們能夠理解研究主題與相關數據集之間的關聯性，同時面對如何使用計算工具在日常或未來生活中操作和利用數據的挑戰。學生還將體驗到該工具的可能性與局限性，并學會如何克服解決問題的困難以及在其他情境下靈活使用該工具[5]。這些挑戰對應著學生概括思維的培養。

3 計算思維能力培養的策略

筆者以Excel模塊教學為例，參照義務教育階段信息技術課程標準，制定了以下計算思維能力培養策略：

1） 問題分解策略——對應分解思維的培養。

問題分解策略的核心在于將復雜問題分解成多個可解決的簡單子任務，引導學生逐個解決，再整合到一起，有效解決問題。在Excel教學中，教師應選擇貼近實際的復雜問題或任務，如設計早餐營養表、優化圖書管理表、分析班級成績表等，引導學生深入分析問題的整體結構和關鍵部分，并將復雜的Excel問題分解成數據整理、公式應用、圖表制作等具體任務。學生分步解決后，整合成一個全面且有效的Excel工作表。

以數據的收集與錄入教學為例，教師以“使用Ex?cel軟件設計小組的早餐營養表”為任務導向，激發學生思考此表格需要哪些數據信息，包括但不限于食物種類、熱量、蛋白質、脂肪等關鍵信息，以及思考通過什么途徑可以獲取信息。在獲取數據之后，教師強調使用Excel工具，并講解其頁面組成；最后，教師可以演示利用Excel進行數據錄入的過程，再讓學生以信息技術小組為單位進行實踐操作。在此教學過程中，復雜問題被分解成一系列可解決的小問題，有效培養了學生的分解思維和動手能力。

2） 抽象思維訓練策略——對應抽象思維的培養。

抽象思維訓練策略鼓勵學生從具體任務的表面現象出發，摒棄無關因素，逐步挖掘其內在本質和根源。在Excel模塊教學中，教師應將抽象思維訓練策略融入該模塊的所有教學設計中，每一個知識點都可以成為培養學生抽象思維的契機。從基礎的數據排序與篩選，到函數和公式應用，再到數據可視化與圖表制作，教師可以由淺入深地設計一系列任務，逐步提升學生的抽象思維。

以SUM函數為例，教師不僅要教授SUM函數的使用方法，還要引導學生思考該函數是如何遍歷指定的單元格范圍并求和、如何結合特殊公式進行合并單元格求和，以及在出現報錯（如#DIV/0！） 時是如何運行的。在整個過程中，教師應及時給予反饋和指導，幫助學生理解Excel功能背后的原理和邏輯，從而有效培養學生的抽象思維。

3） 算法設計策略——對應算法思維的培養。

算法設計策略主張在面臨問題時，教師引導學生不要第一時間嘗試解決問題，而是要先進行周密的計劃和布局，思考每一種可能性和限制條件，從而設計出精煉且有效的算法。在Excel的問題情境中，教師應鼓勵學生先分析問題需求，選擇合適的Excel功能并考慮其限制條件。隨后，指導學生規劃功能的使用順序，設計并實施算法，并讓學生觀察算法實施效果，在不斷的實踐和反饋中優化算法，從而有效培養學生的算法思維。

以Excel的公式與函數教學為例，教師布置“運用Excel工具計算每位學生的平均成績，并進行等級評定”的任務。在任務實施過程中，教師引導學生思考：該任務需要使用哪些函數？函數的使用有沒有前后順序？怎樣設計其使用條件和范圍？規范的操作流程是怎樣的？讓學生在操作之前先初步設計出算法。隨后，教師指導學生進行實踐：先選擇 AVERAGE函數，精準計算出每個學生的平均成績；再合理使用 IF 函數進行等級評定。此過程不僅能加深學生對函數選擇和操作順序重要性的認識，更能充分鍛煉學生的算法思維。

4） 評估優化策略——對應評估思維的培養。

評估優化策略強調在算法設計和實施的過程中，學生要充分考慮各方面因素，權衡各種可能性的利弊，生成最佳解決方案。在Excel教學中，教師可以通過實際任務引導學生進行評估和優化，以培養評估思維。

以數據篩選和排序一課為例，教師布置一項“旅游酒店選擇”的評估任務，讓學生從酒店地址、價格、裝修環境等各方面因素進行篩選和排序。在確定好酒店之后，教師搭建一個展示與交流的平臺，讓學生以信息技術小組為單位分享他們小組選擇的酒店，并闡述選取它的原因。展示結束后，教師組織對學生作品的評價，評價方式可以包括教師評價、學生互評和學生自評等多種形式。通過多元化的評價方式，學生能夠在交流評估中汲取靈感，從而更全面地優化自己的方案，有效培養評估思維，并提升其對問題解決方案的改進能力。

5） 知識聯結策略——對應概括思維的培養。

知識聯結策略強調在問題解決過程中，學生既要回顧已有的知識與經驗，也要預測解決問題可能出現的問題，找到新舊知識點之間的內在聯系，從而形成最佳解決方案。在Excel教學中，教師可以通過任務設計，引導學生在解決問題時聯結多方面的知識點，培養其概括思維。

4 具體實施流程

本研究提出的五個策略聚焦于問題求解過程，旨在引導學生從實際問題出發，運用計算思維進行分解、抽象并解決問題。為此，本文設計了具體的實施流程，將策略充分融入實際教學中。

1） 前期準備。 教師制定切實合理的教學目標，設計以教學為主導、學生為主體的教學方案，準備好教學資源等；學生預習新知，復習舊知，培養知識遷移能力。

2） 創設情境，提出問題。 在課堂開始時，為了激發學生的學習興趣并自然過渡到本節課的知識點，教師可以構建一個貼近初中生生活的情境。例如，在數據的收集與錄入教學中，教師可以描繪“圖書館新購入的書籍還未登記，讀者無法快速找到所需書籍”的場景，引導學生思考需要錄入書籍的哪些信息，如作者、類別、出版社等。而在公式計算與函數計算教學中，教師可以讓學生扮演校園商店店長的角色，通過計算銷售額、利潤等數據，制定下次的進貨名單。在設定的情境中，鼓勵學生主動發現問題，并將具體的事物或問題進行概括、簡化。同時，使用抽象思維訓練策略，持續追問學生可以從哪些角度對發現的問題進行深入分析，并進一步探討為什么選擇這個角度進行分析，從而引導學生忽略與問題無關的細節，只關注問題本質。

3） 新知講授，分析問題。 教師講授Excel知識點，引導學生關注問題本質，將問題描述符號化，從而實現對問題的抽象，培養抽象思維；進一步引導學生對提出的復雜且難以處理的問題進行分解，培養分解思維。例如，在數據的收集與錄入中，教師引導學生思考從哪里收集數據，再到用什么軟件收錄數據，最后到怎樣利用Excel進行數據錄入，指導學生將任務抽絲剝繭，將一般性的問題求解方案轉化為使用計算機中的Excel求解方案，從而起到培養學生抽象思維和分解思維的作用。

4） 任務驅動，解決問題。 教師布置任務，學生運用Excel功能解決問題。面對相似的新問題時，教師要引導學生運用已有問題的解決方案解決新問題，實現知識點的遷移和效率的提升，培養算法和概括思維。以數據的排序與篩選為例，筆者使用算法設計和知識聯結策略，引導學生形成圖2的算法設計。

5） 展示交流，優化方案。 教師組織學生將作品進行展示交流，分享自己設計的操作步驟。遇到優秀的操作方案時，學生可以相互交流、借鑒，并修改不足之處，從而培養評估思維。例如，在數據圖表分析與可視化一課中，每個學生在此環節都可以分享自己的作品，對比不同方案下數據可視化的效果與差異。這不僅有助于學生拓展思維，不斷優化自己的解決方案，還能讓他們更深入地掌握數據可視化的原理和技能，以便在未來的學習和生活中靈活運用已有方案解決新問題。

5 結束語

綜上所述，計算思維的培養是國內外教育領域共同關注的重點。本文參考權威的計算思維定義，深入闡述了計算思維的內涵，并對照面向問題解決過程中的計算思維要素結構，分析了Excel中的公式、函數、圖表等功能與計算思維五個要素之間的對應關系。在此基礎上，提出了相對應的策略和具體實施流程，并以Excel整個模塊為例進行分析，具有一定的創新性。希望本文論述的策略能為計算思維能力培養工作注入新的靈感。

本研究構建的計算思維能力培養策略主要針對初中學生，且實施流程依托信息技術課程為載體。在今后的研究中，筆者將繼續完善適用于其他學段的計算思維能力培養策略，并積極探索如何將計算思維融入其他學科的教學中。

參考文獻：

[1] WING J M.Computational thinking[J].Communications of theACM，2006，49（3）：33-35.

[2] 顧小清， 姜冰倩. 以跨學科學習促進信息科技課程核心素養落地[J]. 現代遠程教育研究， 2020， 35（6）： 3-10，29.

[3] 范文翔，張一春，李藝.國內外計算思維研究與發展綜述[J]. 遠程教育雜志，2018，36（2）：3-17.

[4] 范誼.華南地區初中信息教材形式特點的比較研究：以Ex?ceL模塊為例[J].教學與管理，2015（3）：101-103.

[5] VAN BORKULO S P，CHYTAS C，DRIJVERS P，et al.Spread?sheets in secondary school statistics education：using authenticdata for computational thinking[J].Digital Experiences in Math?ematics Education，2023，9（3）：420-443.

【通聯編輯：唐一東】

基金項目： 2023年衡陽師范學院教學改革研究項目：“互聯網+”背景下師范生信息技術應用能力的培養研究（項目編號：JYKT202316） ；2022年衡陽師范學院卓越教師培養計劃項目：“互聯網+”背景下新一代信息技術教師培養模式的創新與實踐