指向創(chuàng)新能力的初中生計(jì)算思維素養(yǎng)的培養(yǎng)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）強(qiáng)調(diào)，學(xué)生應(yīng)創(chuàng)新學(xué)習(xí)方式，積極融入真實(shí)的實(shí)踐活動(dòng)情境，通過(guò)特定的學(xué)習(xí)項(xiàng)自驅(qū)動(dòng)開展科學(xué)創(chuàng)造活動(dòng)，經(jīng)歷計(jì)算思維素養(yǎng)的啟發(fā)、形成和發(fā)展過(guò)程，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)，《義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》強(qiáng)調(diào)，要大力倡導(dǎo)學(xué)生在各類課程學(xué)習(xí)過(guò)程中養(yǎng)成樂(lè)于探索、勤于動(dòng)手實(shí)踐的良好習(xí)慣，形成有效獲取和處理信息資源、解決各種現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的優(yōu)良素質(zhì)。

當(dāng)前，致力培育初中生的計(jì)算思維素養(yǎng)逐步成為新時(shí)代全面素質(zhì)教育的迫切需求；計(jì)算思維作為義務(wù)教育階段信息科技課程的核心素養(yǎng)之一，日益受到廣大教師的關(guān)注。本文聯(lián)系初中信息科技課程教學(xué)實(shí)際，結(jié)合“智能校園垃圾分類與回收”科創(chuàng)項(xiàng)目，通過(guò)探索運(yùn)用豐富多樣的實(shí)踐策略與路徑，提升項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐效果，真正促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維素養(yǎng)的有效培養(yǎng)。

一、計(jì)算思維素養(yǎng)的基本內(nèi)涵與特征

（一）內(nèi)涵

計(jì)算思維是融合運(yùn)用計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)處理、利用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)方法，開展界定問(wèn)題、整合數(shù)據(jù)、抽象特征、創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型，對(duì)各種信息和資源要素做出判斷、分析、綜合，并運(yùn)用科學(xué)算法獲取解決相關(guān)問(wèn)題的有效方案，經(jīng)歷探索、研究過(guò)程，從而達(dá)成信息科技知識(shí)和能力的遷移、解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的一種高階思維能力。計(jì)算思維作為初中信息科技課程的核心素養(yǎng)，不僅在現(xiàn)代信息技術(shù)教育中占據(jù)重要的位置，還是其他相關(guān)課程領(lǐng)域的基礎(chǔ)能力，更是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中必備的基本技能。計(jì)算思維包括工程思維、數(shù)學(xué)思維與科學(xué)思維等方面的綜合性思維，是一種創(chuàng)新運(yùn)用計(jì)算工具和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行探索并解決問(wèn)題的思維方法和能力，對(duì)提升整體思維水平有著重要的作用。

（二）特征

計(jì)算思維的特征主要體現(xiàn)為六個(gè)方面：一是模塊化。將相關(guān)問(wèn)題分解成一個(gè)個(gè)小問(wèn)題。二是抽象化。結(jié)合有關(guān)問(wèn)題，對(duì)事物、時(shí)間、空間等狀態(tài)實(shí)施結(jié)構(gòu)邏輯的分解、重建，做出簡(jiǎn)單陳述，使其語(yǔ)義能夠更好地呈現(xiàn)其外觀。三是系統(tǒng)化。運(yùn)用分析、綜合、算法設(shè)計(jì)、批判性思維等多樣化方法，形成解決問(wèn)題的最佳方案和系統(tǒng)方法。四是概念化。實(shí)施多層次、多維度抽象思維，科學(xué)建立核心概念。五是自動(dòng)化。從計(jì)算機(jī)科學(xué)轉(zhuǎn)化成解決真實(shí)問(wèn)題的思維方式，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)能力進(jìn)行求解。六是最優(yōu)化。綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科概念、工具和方法處理各種信息資源，獲得最佳效果。

二、初中生計(jì)算思維素養(yǎng)培養(yǎng)實(shí)踐中面臨的主要困境

在初中信息科技教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生的計(jì)算思維素養(yǎng)培養(yǎng)面臨著較大的困境，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是部分教師在信息技術(shù)專業(yè)素養(yǎng)和組織課程教學(xué)等方面的能力明顯不足，這是制約學(xué)生計(jì)算思維培育實(shí)效的重要因素之一。二是有些教師不善于設(shè)計(jì)、組織信息科技課程教學(xué)，疏于選擇設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)高效的教學(xué)方法，常常忽視引導(dǎo)學(xué)生開展跨學(xué)科研究性學(xué)習(xí)，在一定程度上抑制了學(xué)生的計(jì)算思維能力和水平的提升。三是部分教師不重視信息科技教學(xué)評(píng)價(jià)方式的選擇，甚至在課堂中常常忽略對(duì)學(xué)生參與科創(chuàng)項(xiàng)目活動(dòng)、小組合作效果、合作學(xué)習(xí)能力、計(jì)算思維水平變化等方面的分析，造成無(wú)法全面、科學(xué)地評(píng)估學(xué)生的計(jì)算思維教育效果。

三、指向創(chuàng)新能力的初中生計(jì)算思維素養(yǎng)培養(yǎng)的實(shí)踐路徑

為進(jìn)一步落實(shí)初中生計(jì)算思維素養(yǎng)的培養(yǎng)，提升學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，教師結(jié)合閩教版初中信息技術(shù)課程教學(xué)，強(qiáng)化案例探索實(shí)踐探討如何運(yùn)用行之有效的實(shí)踐路徑，引領(lǐng)學(xué)生在項(xiàng)自實(shí)踐過(guò)程中更好地實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維素養(yǎng)的培養(yǎng)。

（一）分析教育背景，明確項(xiàng)目實(shí)踐目標(biāo)

當(dāng)前，各級(jí)教育主管部門提倡在中小學(xué)校園中廣泛開展環(huán)保教育實(shí)踐活動(dòng)，普及垃圾科學(xué)分類和回收的知識(shí)，愈發(fā)重視學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感的培養(yǎng)。學(xué)校必須積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，推進(jìn)開展垃圾分類與回收工作及環(huán)保教育項(xiàng)目式科創(chuàng)實(shí)踐活動(dòng)，以更好地培育學(xué)生的計(jì)算思維素養(yǎng)。但在有些中學(xué)校園中，垃圾分類和回收的工作實(shí)效較低，仍存在亂扔垃圾，或不按規(guī)定進(jìn)行分門別類地投放等不良現(xiàn)象；校園中配備的分類投放箱數(shù)量不足，垃圾箱的設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性，垃圾分類的投放準(zhǔn)確率較低，部分學(xué)生缺乏堅(jiān)持參加垃圾分類與回收的積極性。這些問(wèn)題說(shuō)明部分學(xué)校和學(xué)生在應(yīng)有的環(huán)保意識(shí)和實(shí)際行動(dòng)上仍亟待進(jìn)一步提升。

強(qiáng)化中學(xué)生對(duì)垃圾分類和回收的認(rèn)知與理解、增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，為教師提出了推進(jìn)實(shí)施信息科技實(shí)踐課題研究的新方向。本文選擇的初中生科創(chuàng)項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)主要面向七～八年級(jí)的初中生，該學(xué)段的學(xué)生已初步具備了積極關(guān)注國(guó)家可持續(xù)發(fā)展、熱心參與環(huán)保行動(dòng)等優(yōu)秀品質(zhì)，普遍表達(dá)出投入保護(hù)環(huán)境事業(yè)的良好情緒和愿望，但他們對(duì)進(jìn)行垃圾分類與回收的深層意義領(lǐng)悟還不夠透徹，也不熟悉垃圾分類與回收的具體操作流程和注意事項(xiàng)，部分學(xué)生還缺少參加環(huán)保實(shí)踐活動(dòng)的持續(xù)動(dòng)力。在新課改背景下，教師必須明確融合開展科創(chuàng)項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)的目標(biāo)是激勵(lì)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的信息科技知識(shí)，對(duì)垃圾進(jìn)行分類和回收，初步培養(yǎng)其應(yīng)有的計(jì)算思維、信息意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感等素養(yǎng)。

（二）引人活動(dòng)情境，設(shè)定項(xiàng)目實(shí)踐主題

教師開展初中信息科技課程教學(xué)融合科創(chuàng)項(xiàng)目實(shí)踐，必須發(fā)揮現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能化設(shè)備對(duì)學(xué)生具有的強(qiáng)大吸引力，通過(guò)引領(lǐng)學(xué)生實(shí)施項(xiàng)目探索實(shí)踐，充分激發(fā)他們參加創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的熱情和興趣，感悟科技創(chuàng)新在生產(chǎn)生活中的重要價(jià)值，更好地為保護(hù)校園環(huán)境奉獻(xiàn)自己的一份力量。教師結(jié)合校園科技節(jié)，設(shè)計(jì)引入科創(chuàng)項(xiàng)目活動(dòng)情境：“新一年的校園科技節(jié)活動(dòng)即將到來(lái)，你們準(zhǔn)備好了嗎？請(qǐng)發(fā)揮你們的聰明才智，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作研究，共同呈現(xiàn)你們最優(yōu)秀的、最富有創(chuàng)意的作品！”

教師結(jié)合本校情況和學(xué)生學(xué)情，科學(xué)選擇以“智能校園垃圾分類與回收”作為初中生科創(chuàng)項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)的主題，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)主題創(chuàng)新研究活動(dòng)，探究創(chuàng)建“數(shù)學(xué)模型”模擬垃圾分類與回收過(guò)程，進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)用垃圾分類的方法和對(duì)策；通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，不斷增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，促進(jìn)其對(duì)現(xiàn)代人工智能和信息科技倫理的正確認(rèn)識(shí)

（三）指向核心素養(yǎng)，優(yōu)化項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)

“智能校園垃圾分類與回收”是從學(xué)生作品中精選出的優(yōu)秀科創(chuàng)項(xiàng)目，具有鮮明的實(shí)用性和創(chuàng)新性特征，也能充分體現(xiàn)青少年學(xué)生的創(chuàng)新研究素質(zhì)和學(xué)習(xí)能力。培育學(xué)生形成優(yōu)異的科技創(chuàng)新能力，涉及多學(xué)科、跨領(lǐng)域的核心素養(yǎng)，如增強(qiáng)信息意識(shí)和計(jì)算思維等素養(yǎng)（信息科技學(xué)科）、鍛煉組織運(yùn)用語(yǔ)言、人文思維等能力（語(yǔ)文學(xué)科）、培養(yǎng)科學(xué)探究和實(shí)踐能力、培育化學(xué)觀念（化學(xué)學(xué)科）、增強(qiáng)數(shù)學(xué)應(yīng)用意識(shí)、培養(yǎng)數(shù)據(jù)意識(shí)和模型觀念（數(shù)學(xué)學(xué)科）。

因此，為了更有效地指導(dǎo)學(xué)生開展“智能校園垃圾分類與回收”科創(chuàng)項(xiàng)目研究實(shí)踐，教師優(yōu)化設(shè)計(jì)如下學(xué)習(xí)目標(biāo)：一是利用相關(guān)的調(diào)查問(wèn)卷和文獻(xiàn)材料，通過(guò)參與實(shí)地調(diào)研，了解本校的環(huán)境狀況，了解各個(gè)學(xué)段學(xué)生對(duì)開展垃圾分類和回收的觀點(diǎn)；利用已有的研究資料，學(xué)會(huì)開展基于問(wèn)題的調(diào)查研究活動(dòng)，能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的調(diào)研方案的設(shè)計(jì)和制定；加強(qiáng)相互傾聽、溝通交流等交際技能的訓(xùn)練。二是理解、領(lǐng)會(huì)垃圾分類與回收的重要意義；把握各類垃圾科學(xué)分類的基本準(zhǔn)則。三是探索研究如何科學(xué)運(yùn)用傳感器、數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代信息科技，進(jìn)一步提升垃圾分類與回收的效果。四是通過(guò)分析解決垃圾錯(cuò)誤分類、回收率低等問(wèn)題，提升學(xué)生的問(wèn)題解決能力。五是鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題展開探討分析，設(shè)計(jì)出富有創(chuàng)新性的智能化垃圾分類與回收作品和具體解決方案。六是鼓勵(lì)學(xué)生加強(qiáng)討論學(xué)習(xí)，善于利用微視頻、動(dòng)漫畫、統(tǒng)計(jì)圖表、宣傳海報(bào)等媒體工具進(jìn)行互動(dòng)交流、分享成果、表達(dá)觀點(diǎn)，并學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)際需求，靈活調(diào)整、改進(jìn)作品內(nèi)容和形式，不斷增強(qiáng)自身的科技創(chuàng)新素質(zhì)和能力。

（四）利用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，引領(lǐng)項(xiàng)目合作實(shí)踐

心理學(xué)家皮亞杰認(rèn)為，思維的形成并非都要經(jīng)過(guò)直接教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而必須通過(guò)經(jīng)歷生活實(shí)踐、逐漸加以領(lǐng)悟和積累。同樣，學(xué)生計(jì)算思維的培育需要教師在課程教學(xué)中施以正確指導(dǎo)，嚴(yán)格遵循計(jì)算思維的訓(xùn)練流程，提高學(xué)生思考、探究和分析問(wèn)題的能力，促使他們真正形成解決實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)而全面提升學(xué)生的計(jì)算思維。

1.界定與分解問(wèn)題

（1）界定問(wèn)題

為引導(dǎo)學(xué)生有效實(shí)施科創(chuàng)項(xiàng)自實(shí)踐，教師先選定“如何設(shè)計(jì)富有創(chuàng)新性的智能垃圾分類與回收產(chǎn)品以及解決方案？”這一主問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)生圍繞問(wèn)題展開項(xiàng)目探索研究。

（2）分解問(wèn)題

教師圍繞主問(wèn)題再細(xì)化分解成更小、更易于操作的三個(gè)子問(wèn)題，并融合運(yùn)用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)意圖。

子問(wèn)題一：目前校園垃圾分類的主要困境是什么？（此子問(wèn)題是解決問(wèn)題的基礎(chǔ)，通過(guò)將主問(wèn)題分解成小問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研、觀察、訪談等途徑了解開展校園垃圾分類的現(xiàn)狀與困境，探究其成因，促使問(wèn)題變得更加易于解決）

子問(wèn)題二：各類垃圾分類的標(biāo)準(zhǔn)是什么？（重視運(yùn)用信息科技、數(shù)學(xué)、化學(xué)等相關(guān)學(xué)科進(jìn)行探究垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)的知識(shí)，為解決問(wèn)題奠定基礎(chǔ)）

子問(wèn)題三：智能垃圾分類與回收產(chǎn)品的創(chuàng)新性體現(xiàn)在哪些方面？未來(lái)的解決方法和策略有哪些？（基于前兩個(gè)子問(wèn)題探究的基礎(chǔ)，鼓勵(lì)學(xué)生努力嘗試、合作解決主問(wèn)題，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)垃圾分類與回收產(chǎn)品的模型、提出解決建議等形成科創(chuàng)成果，并進(jìn)行產(chǎn)品展示與分享交流）

2.整合數(shù)據(jù)，創(chuàng)建模型

一方面，教師結(jié)合子問(wèn)題一，引導(dǎo)學(xué)生采取調(diào)查問(wèn)卷、訪問(wèn)和面談等方法，收集、整理、統(tǒng)計(jì)師生關(guān)于校園垃圾分類問(wèn)題的感受、觀點(diǎn)和改進(jìn)建議等數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息，以更好地識(shí)別數(shù)據(jù)，把握實(shí)施科創(chuàng)項(xiàng)目的趨勢(shì)和方向，為構(gòu)建項(xiàng)目結(jié)構(gòu)模型做好準(zhǔn)備。與此同時(shí)，教師適時(shí)提供“項(xiàng)目任務(wù)導(dǎo)學(xué)案”和“項(xiàng)目調(diào)查清單”用于學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)的支架，既可以強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)據(jù)運(yùn)用、交際交流等綜合能力，又可以提升他們的探疑解疑能力，為計(jì)算思維的發(fā)展提供積極支持。

另一方面，為進(jìn)一步探索創(chuàng)建校園垃圾分類產(chǎn)品的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)模型，教師有必要結(jié)合子問(wèn)題二，指引學(xué)生通過(guò)參觀垃圾處理廠，參與垃圾分類接力賽及垃圾分類互動(dòng)游戲等活動(dòng)，融合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，深入調(diào)研各種類型垃圾的分類方法、標(biāo)準(zhǔn)和具體處理流程，以及市場(chǎng)上已有垃圾分類產(chǎn)品的特點(diǎn)、性能、優(yōu)點(diǎn)、不足等，系統(tǒng)構(gòu)建起具有連貫性的思維鏈條，層層推進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維，進(jìn)而開展合作創(chuàng)建項(xiàng)目模型。在共創(chuàng)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程中，教師應(yīng)結(jié)合子問(wèn)題三，指引學(xué)生致力“未來(lái)智能垃圾分類與回收產(chǎn)品的模型”設(shè)計(jì)，通過(guò)合作繪制項(xiàng)目流程圖，科學(xué)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，采用科學(xué)算法，建立產(chǎn)品的初步模型，凸顯項(xiàng)目產(chǎn)品模型的創(chuàng)新點(diǎn)和獨(dú)特功能，更好地展現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，培養(yǎng)從事項(xiàng)目管理與工程設(shè)計(jì)的優(yōu)秀技能。

基于上述三個(gè)循序推進(jìn)的子問(wèn)題探究與實(shí)踐過(guò)程，學(xué)生逐漸掌握一系列明確的實(shí)施步驟和指令，開發(fā)出具有可操作性的項(xiàng)目產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序。每一個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)都處于不斷突破單一思維限制、層層進(jìn)階的思維發(fā)展進(jìn)程，極大促進(jìn)了學(xué)生計(jì)算思維素養(yǎng)的養(yǎng)成。

（五）優(yōu)化項(xiàng)目評(píng)價(jià)，鞏固創(chuàng)新學(xué)習(xí)成果

科創(chuàng)項(xiàng)目評(píng)價(jià)是總結(jié)研究實(shí)踐活動(dòng)、鞏固學(xué)生創(chuàng)新學(xué)習(xí)成果不可或缺的重要環(huán)節(jié)。一是經(jīng)過(guò)問(wèn)題探究和合作實(shí)踐之后，教師要積極鼓勵(lì)各個(gè)團(tuán)隊(duì)以拍照、錄制視頻、保存文檔等形式記錄、整理好“智能校園垃圾分類與回收”科創(chuàng)項(xiàng)目過(guò)程性資料，為實(shí)施項(xiàng)目反饋與評(píng)價(jià)做好準(zhǔn)備。二是通過(guò)學(xué)生自評(píng)、團(tuán)隊(duì)互評(píng)、教師綜評(píng)等多樣化的評(píng)價(jià)方式，結(jié)合學(xué)生在項(xiàng)自探索實(shí)踐過(guò)程中的信息科技知識(shí)和語(yǔ)言運(yùn)用技能、成員參與研究的態(tài)度、團(tuán)隊(duì)合作情況、創(chuàng)新素質(zhì)和能力等實(shí)施多元化評(píng)價(jià)，指導(dǎo)學(xué)生做好科創(chuàng)項(xiàng)目的效果評(píng)估，并進(jìn)行總結(jié)、展示、匯報(bào)小組項(xiàng)目研究成果。三是必須注重運(yùn)用過(guò)程性評(píng)價(jià)與結(jié)果性評(píng)價(jià)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)科創(chuàng)項(xiàng)目的定量和定性分析，進(jìn)而全面把握學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)狀況。只有通過(guò)不斷加強(qiáng)實(shí)踐反思，引領(lǐng)學(xué)生總結(jié)研究經(jīng)驗(yàn)，汲取學(xué)習(xí)教訓(xùn)，才能逐步提升學(xué)生參與信息科技創(chuàng)新學(xué)習(xí)實(shí)踐的實(shí)效，促進(jìn)學(xué)生成為全面發(fā)展的技術(shù)型人才。

四、結(jié)語(yǔ)

教師引領(lǐng)學(xué)生開展科創(chuàng)項(xiàng)目研究實(shí)踐，有效提高了學(xué)生探索信息科技的能力，促進(jìn)了創(chuàng)新能力和計(jì)算思維等綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)。教師還應(yīng)結(jié)合初中信息科技日常教學(xué)，激勵(lì)學(xué)生走出課堂、融人社會(huì)，踴躍參與更多的項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)，運(yùn)用所學(xué)的信息科技知識(shí)解決各種現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的運(yùn)用與遷移。

（劉蕓）