UbD理論框架指導下的計算思維項目式教學探索

2025-03-20 00:00:00楊小丹毛惠賢汪茂謝昱敏潘敏

考試研究 2025年2期

[摘要] 隨著信息技術飛速發展，信息技術課程教學改革勢在必行。在學生信息技術核心素養中，計算思維作為核心要素備受矚目。通過解讀計算思維培養的定義與內涵，分析計算思維培養的現狀。闡述設計原則，并依據設計程序、UbD理論與項目式教學的聯系，融合計算思維的培養方法，構建基于UbD理論的項目式教學模式。為驗證此教學模式的有效性，選取人教版高中信息技術教材中“數據化分析和可視化”章節及兩個班進行對比實驗。實驗結果顯示：在UbD理論指導下，面向計算思維的項目式教學模式對發展學生的計算思維能力成效顯著。

[關鍵詞] UbD理論；項目式教學；計算思維；高中信息技術

[中圖分類號] G424.74 [文獻標識碼] A

[文章編號] 1673—1654（2025）02—032—012

在當今互聯網時代，信息技術的飛速發展正深刻地影響著各個領域的變革，對個人素質和能力提出了更高的要求。信息技術課程改革強調從操作技能的培養轉向學科核心素養的培養。《普通高中信息技術課程標準（2017版）》明確提出信息技術四大核心素養概念，作為核心素養之一的“計算思維”引發廣泛關注和研究[1]。弄清計算思維的內涵，實例化計算思維，掌握其發展規律顯得尤為重要，有效提高學生的計算思維能力成為信息技術課程教學面臨的挑戰。

一、計算思維

（一）計算思維的定義與內涵

計算思維作為跨學科核心概念，自20世紀80年代起在數學教學和計算機科學領域受到關注。2006年，周以真教授正式提出計算思維定義，即在計算機科學廣度內運用基礎概念進行問題求解、系統設計等思維活動[2]。

隨著研究的深入，計算思維的概念逐漸豐富和多樣化。2010年，九大高校聯合聲明強調將培養學生的計算思維能力作為信息技術基礎教學的核心任務之一，進一步推動了計算思維在教育領域的應用和發展[3]。周以真教授在2011年對計算思維的定義進行了深化解讀，強調計算思維是一個思考和解決問題的過程，通過這個過程，學生不僅可以鍛煉他們的計算思維能力，還能提升問題解決和創新能力[4]。同年，教育技術研究者們提出了一個更具操作性的計算思維定義，包括提出問題、分析問題、表征數據、實施方案、概括過程并遷移應用等要素，這些要素共同構成了一個完整的問題解決過程[5]。不同學者基于各自的研究背景和視角，對計算思維給出了不同的解讀。

綜合學界廣泛認可的觀點，本研究界定計算思維為融合計算機科學基礎與創造性問題解決的綜合能力，涵蓋抽象思維、邏輯推理、算法設計、數據分析及自動化處理，并強調其實踐應用。培養過程中，學生需經歷提出問題、分析、設計、實施與評估的完整流程，以提升計算思維與綜合素養。此外，計算思維還倡導團隊合作、創新思維與跨學科融合，為學生未來職業生涯及社會適應奠定堅實基礎。

（二）計算思維的培養現狀

近年來，計算思維已成為國內外教育和技術領域的研究熱點。通過梳理和分析現有的研究成果，可以更深入地理解計算思維的內涵與本質。

以“計算思維”為關鍵詞檢索知網數據庫，近10年共發文9232篇，得到年度發文量如圖1所示，可以看出對于計算思維的研究從2011年起總體呈上升趨勢。2017年，隨著高中信息技術課程標準的發布，課程教學倡導學科核心素養的培養，屬于信息技術課程四大核心素養的計算思維研究大幅度增加，在2021年達到峰值，此后一直處于動態平衡中。可見，計算思維是近年來的研究熱點，信息技術課程教學改革對于學生計算思維的培養具有研究價值。

如圖2所示，在中國知網中進行檢索，以“計算思維”為關鍵詞得到的結果顯示，相關研究主要集中在中等教育和高等教育階段，分別占比25.06%和21.11%。進一步以“計算思維、中等教育”為關鍵詞進行檢索，發現多數研究聚焦于計算機基礎課程或編程類課程，探討在這些專業背景下如何有效培養計算思維的具體方法和策略。部分學者還研究了在計算思維指導下，如何對計算機基礎課程進行改革，以及如何構建更完善的課程體系。通過對中等教育階段文獻的綜合分析，可以發現計算思維的培養主要依托于信息技術課程或編程類語言課程，研究重點在于通過優化教學設計或教學模式更有效地提升學生的計算思維能力。

二、UbD理論下基于項目式教學法培養學生的計算思維

（一）基于UbD的項目式教學法

UbD理論全稱為“Understanding by Design”，即“基于理解的教學設計”。它作為一種顛覆傳統教學理念的框架，自1998年由威金斯（Grant Wiggins）和麥克泰格（Jay McTighe）在《基于理解的教學設計》（Understanding by Design）一書中提出以來，便引起了國內外學者的廣泛關注和研究。UbD理論強調逆向設計原則，即首先明確學習成果，據此設計評估方式，并規劃教學活動，以確保教學能夠有效促進學生深入理解知識。

高中信息技術課程兼具實用性與實踐性，UbD理論與項目式教學均能有效促進其發展，且二者存在密切聯系。首先，在項目式教學的內容層面，它強調知識的深度應用與實踐，要求學生不僅掌握知識點，更要學會如何運用；這與UbD理論所倡導的深度理解不謀而合，都主張教學應超越表面的“知道”與“明白”，轉而注重知識的深度理解和應用。其次，項目式教學注重教學內容的完整性和系統性，其教學內容可能涵蓋教材的多個章節，各環節和任務相互關聯，形成一個連貫的系統；UbD理論同樣強調學科大概念和核心基本問題，主張將單元教學置于更大、更連貫、更結構化的項目課程中。再者，在項目式教學的形式上，它突出學生的主體性，倡導師生角色互換，教師作為學習支架提供資源和建議，而學生則需主動探索和學習；這與UbD理論強調的學生主體性相契合，都主張課堂教學應圍繞學生進行，注重培養學生的深度思考和深度理解能力。最后，在項目式教學采用多樣化的評價方式，包括過程性評價和終結性評價，以及教師評價和學生互評等；而UbD理論則強調評價前置，在確定預期目標之后即需確定合適的評估證據[6]。

（二）培養學生計算思維的可行分析

構建的教學模式需融入“學生主體、合作性、開放性、創新性”特質，這與項目式教學的核心理念不謀而合。項目式教學不僅促進學科核心素養與關鍵能力，特別是計算思維的發展，且與UbD理論緊密相連。UbD理論將理解視為教學核心，與項目式教學在內容深度、實踐應用及學生主體性上高度一致。兩者均鼓勵學生主動學習，成為知識的探索者和發現者，并采用多樣化的評價方式，兼顧過程與結果，體現了評價前置與評估證據相結合的思路。因此，融合項目式教學、計算思維培養與UbD理論，是提升學生計算思維、推動信息技術學科發展的關鍵。圖3直觀展示了這一聯結，為教學實踐提供了有力指導[7]。

三、教學模式設計

根據UbD理論和項目式教學活動流程，從創造力、算法思維、批判性思維、解決問題、合作性五個維度切入培養學生的計算思維能力，構建面向計算思維的基于UbD理論的項目式教學模式，如圖4所示。具體來說，UbD理論下面向計算思維能力發展的項目式教學模式共分為3階段8環節：

（一）前期準備

1. 確定預期結果，依據WHERETO要素選定項目

選定項目階段是項目式教學的起點，教師需融合計算思維與信息技術特性，設計既具實施性又能夠促進學生全面發展的項目，重點關注創造力、算法思維、批判性思維、解決問題能力和合作性。教師運用UbD理論明確預期結果，通過“明確目標（Where amp; Why）、吸引情境（Hook amp; Hold）、裝備與體驗（Equipment amp; Experience）、反思與修訂（Rethink amp; Reflect amp; Revise）、評估成效（Evaluate）、量身定制（Tailor）、有序組織（Organize）”這7個核心要素來構建項目，確保項目目標清晰明確，通過引人入勝的情境引起學生興趣。

學生則作為主體，積極參與項目選擇，發揮自主性，通過實踐探索提升計算思維，并在團隊協作與問題解決中獲得成長，形成良性循環，為信息技術學科核心素養的深化打下堅實基礎。

2.確定評估證據，依據GRASPS任務表擬定計劃

在選定項目后，制定詳細合理的活動計劃成為項目順利推進的保障，這也是培養計算思維的關鍵。教師作為引導者和支持者，提供輔助材料和策略，學生則通過小組討論明確分工，共同擬定計劃。在此過程中，教師應當特別關注E要素，確保學生具備所需資源。教師需規劃課時，選擇評估證據，并提供GRASPS任務設計提示表，以培養學生的結構化思維和邏輯分析能力。學生則積極參與小組討論，依據提示表完善計劃，鍛煉團隊協作與解決問題能力；同時在實踐中深化計算思維，形成系統性的思考方式。

（二）項目實施

1. 活動探究，激發思考

在項目活動探究階段，學生成為核心，教師作為引導者，共同推進計算思維的培養。學生依據計劃深入實踐，通過主動求助、小組討論與自我反思，不斷尋求最佳解決方案。此過程中，學生計算思維顯著增強，學會問題分解、邏輯分析與迭代優化。同時，問題解決、團隊協作、創新創造及自我管理能力也得到提升。教師則提供全方位支持，解答疑問，引導思維，確保資源充足，監督進程并鼓勵思維發散。學生則作為主體，積極收集資料，運用計算思維分析歸納，小組合作解決問題，促進思維與能力的全面發展。此階段凸顯了反思與修訂的重要性，推動項目不斷完善。

2. 作品制作，促進理解

在作品制作環節，學生將計算思維融入實踐，將前期積累轉化為具有創新性和實用性的項目作品。這一過程深化了計算思維的培養，同時錘煉了創新創造、問題解決及團隊協作能力。作品制作遵循“量體裁衣”原則，展現各小組的獨特風采與計算思維成果。教師作為指導者和監督者，提供資源支持，關注學生心理狀態，確保創作順利進行。學生則通過團隊協作，運用計算思維深度分析資料，共同創作出體現個人與集體智慧的項目作品。

3.成果交流，批判反思

成果展示與深度反思環節是項目式學習的精髓，它促使學生將項目經驗轉化為深刻認知，并強化計算思維能力。學生在此階段展示成果，分享挑戰與收獲，培養批判性反思、問題解決及團隊協作能力。教師作為組織者，搭建互動平臺，引導學生深入交流，確保活動有序進行。學生則通過詳盡闡述項目、分享經驗、回答質疑及自我反思，實現知識與技能的全面升華，為未來發展奠定堅實基礎。

（三）應用與評價

1. 項目作品展示

項目作品展示是整個項目式學習的高潮，為學生搭建了展現創意與努力的舞臺。教師作為組織者，策劃并組織展示活動，設定展示順序和規則，鼓勵學生創新展示形式，擔任評委或觀眾角色，確保學生能積極有序地展示自己的成果。學生們則積極響應，認真準備展示材料，明確團隊分工，多次排練以確保展示的流暢與生動。這一環節旨在增強學生的自信心，同時促進不同小組間的交流與學習。

2.項目評價與反思

項目評價與反思環節是學生對自己及他人項目成果進行全面審視的關鍵步驟。教師精心設計評價量規，為學生提供清晰的評價標準與指標，引導學生從多維度、多層次進行自評與互評。學生積極響應，依據評價量規對自己及小組的項目成果進行客觀評價，同時踴躍參與互評，為其他小組提供寶貴的建設性意見。教師則細心收集并整理學生評價數據，進行深入的綜合分析。隨后，組織學生進行集體反思，共同總結項目經驗，提煉出計算思維的有效應用策略。這一過程不僅加深了學生對項目成果的理解，還促進了個人反思與成長，為學生明確了未來的發展方向。

3.項目遷移

項目遷移環節是計算思維能力培養的深化與拓展階段。教師作為引領者，不僅提供必要的資源與支持，還全程跟蹤指導，確保學生能在遇到難題時獲得及時反饋。學生則積極制定遷移計劃，自主或合作探索，運用計算思維巧妙解決實際問題。這一環節旨在培養學生的遷移能力，使他們在面對未知挑戰時能夠靈活運用所學知識。

四、UbD理論下面向計算思維能力發展的項目教學案例

（一）《數據分析與可視化》項目設計

以“走進數據分析”為教學案例進行了項目式教學設計。本案例將教學項目分為3個子項目，分別用活動1（文本可視化體驗）、活動2（提供文本小說繪制詞云圖）、活動3（改編Python詞云制作程序）表示。3個活動之間相互關聯、層層遞進，具體教學設計如表1所示[8]。

（二）研究過程

1. 研究對象

聚焦H市一所優質高中的高一年級，選取兩個均衡的平行班（各55人）進行基于UbD理論的項目式教學實驗。實驗班實施基于UbD理論的項目式教學，對照班則維持傳統教學（教師講解+學生練習）。兩班學生在文化基礎、計算機技能及計算思維上高度相似。通過深入訪談任課老師，確保了實驗條件的一致性。

2. 研究工具

為精準評估計算思維能力，本研究借鑒了美國國際教育技術協會（ISTE）的計算思維框架，該框架強調創造力、算法思維、批判性思維、問題解決、溝通與合作能力[9]。在此基礎上，結合Korkmaz等學者的研究成果，聚焦于創造力、算法思維、批判性思維、問題解決能力及合作性這五大核心要素[10]，設計了一套采用李克特量表的評價問卷。通過深入訪談信息技術教育前線的教師與高校專家，問卷經歷了細致的調整與優化，最終提煉出五個核心維度，共20項具體測量指標，分別覆蓋創造力（3題）、算法思維（4題）、合作性（4題）、批判性思維（4題）及問題解決（5題）。量表內容詳見附表。

為確保問卷的科學性與有效性，研究團隊在實驗實施前對問卷進行了嚴格的信效度檢驗。利用SPSS軟件對預測試數據進行統計分析，結果顯示問卷總體的Cronbach's α系數為0.940，各維度的α系數也均保持在0.757至0.886之間，這一高水平信度證明了問卷內部一致性的優異。此外，通過KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）檢驗與Bartlett球形檢驗，問卷的效度得到了全面驗證：KMO值為0.905，超標準閾值，彰顯了其結構效度的卓越；而Bartlett檢驗的顯著性水平為0.000，低于0.05的臨界值，進一步確認了該問卷在衡量學生計算思維能力方面的有效性與適用性。

3. 效果分析

（1）教學活動學生計算思維水平調查量表分析

在研究中通過CTS-K12計算思維評價量表對實驗組和對照組的學生進行了評估。根據表2實驗組和對照組的CTS-K12量表及各維度的獨立T檢驗結果，本研究發現實驗班的計算思維平均分為72.0000分，顯著高于對照組的68.5091分。特別在創造性、算法思維和問題解決等關鍵維度上，實驗班學生展現出了明顯的優勢（t值分別為1.632、1.086和1.555，p值均小于0.05），驗證了項目式教學模式在培養計算思維方面的有效性。然而，在合作學習和批判性思維方面，兩組學生之間并未表現出顯著差異（t值分別為1.377和0.802，p值均大于0.05），這提示本研究在未來的教學中需要進一步加強合作交流和思考問題的批判性，以全面提升學生的計算思維能力。

（2）《數據分析與可視化》作品展示

本項目的主要成果聚焦于詞云的生成。為了充分考慮不同學生的基礎與需求，設計了兩種學習路徑。第一種路徑是利用Wordart在線平臺，學生可以通過該平臺直觀地進行在線詞云制作，這種方式注重操作便捷性，使學生能夠快速實現數據可視化的目標。第二種路徑則更為深入，學生需要基于Python的詞云代碼框架，通過填充參數，利用程序來制作詞云。這種方式旨在鍛煉學生的編程能力和問題解決能力，同時加深對計算思維的理解。這兩種方式均能有效達成數據可視化的教學目標，并在不同程度上促進學生的全面發展。圖5和圖6詳細展示了實驗組項目成果及對照組教學任務，為本研究評估學生的學習效果和教學質量提供了有力支持。

研究對比了傳統講練結合的課堂與實驗組的教學模式。傳統課堂對照組主要通過在線詞云制作網站學習，學生關注于Wordart平臺制作詞云的步驟，對詞云生成原理的理解不夠深入。而實驗組則設計了文本可視化項目，通過提供腳手架引導學生深入探索文本數據可視化的原理和技巧。結果顯示，實驗組學生對文本數據可視化處理原理有了深刻理解，能利用Wordart平臺制作詞云，部分編程基礎好的學生還嘗試了Python編程，盡管只有一組成功。項目中學生需應對文檔格式轉換和屏蔽虛詞等挑戰，而Python編程組則面臨第三方庫安裝等更高層次的挑戰，這些挑戰有效鍛煉了學生的計算思維和問題解決能力。

五、總結與展望

隨著現代化技術的快速發展，高中信息技術課堂需通過項目式教學來培養學生的計算思維，以落實課程標準中的四大核心素養要求。本研究結合UbD理論，設計了項目式教學活動，從計算思維的五個維度出發，解決當前教學問題，并檢驗其對多項能力的提升效果。實踐表明，該教學模式顯著提升了學生的計算思維水平，為教學改革提供了新方向。研究結論如下：

（一）基于UbD理論的項目式教學活動設計是促進學生計算思維發展的有效途徑，顯著提升了學生的問題解決能力、團隊協作能力、創新創造能力和自我管理能力。

（二）UbD理論有助于改善項目式教學評價薄弱環節，通過將教學評價作為教學關鍵環節進行強化，增強了學生的評價意識，促進了計算思維的培養與發展。

（三）WHERETO要素對課堂效果提升具有促進作用，通過精心設計教學計劃，確保教學活動的條理性和高效性，學生的計算思維能力得到有效培養。

然而，研究也存在一些不足，如案例設計的合理性、實驗時間的短暫性及樣本量相對較小，需要在未來研究中進一步完善。

參考文獻：

[1] 丁世強，王平升，趙可云，等. 面向計算思維能力發展的項目式教學研究[J].現代教育技術，2020，30（09）：49-55.

[2] Wing，J M. Computational Thinking [J]. Communications of the ACM，2006，（3）：33-35.

[3] 董榮勝.《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》呼喚教育的轉型[J].中國大學教學，2010，（10）：14-15.

[4] Wing，Jeannette M. “Computational Thinking：What and Why？” [EB/OL]. https：//api.semanticscholar.org/CorpusID：63382972，2010.

[5] ISTE and CSTA. Operational Definition of Computational Thinking for K-12 Education [EB/OL]. [2016-11-15]. Computational_Thinking_Operational_Definition_ISTE.pdf.

[6] 熊霈霈.基于UbD理論的項目式教學活動設計與實踐研究[D].哈爾濱師范大學，2023.

[7] 許春瑩.基于計算思維的高中信息技術項目式教學實踐研究[D].西南大學，2022.

[8] 牛雯慧.面向計算思維培養的項目式教學模式研究[D].西北師范大學，2022.

[9] ISTE. CT Leadership Toolkit [DB/OL]. ISTE_CT_Leadership_Toolkit_booklet.pdf..

[10] Korkmaz ?，Cakir Roizen，M Y. A Validity and Reliability Study of the Computational Thinking Scales [J]. Computers in Human Behaviours，2017，（72）：558-569.

Research on Project-Based Teaching for the Development of Computational Thinking Ability under UbD Theory

Yang Xiaodan1nbsp; Mao Huixian2" Wang Mao2" Xie Yumin2" Pan Min2

1.School of Music and Dance， Hubei Normal University， Huangshi， Hubei， 435002

2.School of Computer and Information Engineering，Hubei Normal University，Huangshi，Hubei，435002

Abstract：With the rapid development of information technology，the reform of information technology curriculum teaching is imperative. Among the students' information technology core literacy，computational thinking has attracted much attention as a core element. By interpreting the definition and connotation of computational thinking，analyzing the current situation of computational thinking，proposing the design principles，and based on the design procedure，the connection between UbD theory and project-based teaching，integrating the cultivation method of computational thinking，a project-based teaching mode based on UbD theory is constructed. In order to verify the effectiveness of this teaching model，two classes are selected from the chapter of \"Data Analysis and Visualization\" in the high school information technology textbook of the Humanistic Teaching Edition for comparative experiments. The results show that the project-based teaching model for computational thinking under the guidance of UbD theory is effective in developing students' computational thinking ability.

Key words：UbD Theory，Project-based Teaching，Computational Thinking，High School Information Technology

（責任編輯：陳暢）

附表：

高中計算思維能力水平量表（CTS-K12）

1.您的班級：[單選題]

○對照班 ○實驗班

2.您的性別：[單選題]

○男 ○女

3.我很喜歡那些對自己做出的決定很有信心的人 [單選題]