基于項目式學習培養中學生計算思維的教學實踐研究

摘要：計算思維是中學信息技術學科核心素養的要素之一，也是人工智能的基礎思維。文章首先解讀計算思維的內涵，梳理項目式教學和計算思維要素的契合點，構建了基于項目式教學培養計算思維的教學模型。并以“交通信號燈系統”為例進行教學實踐研究。結果表明，該模型能有效提升學生的計算思維能力，促進其將抽象思維應用于解決實際問題。

關鍵詞：計算思維；項目式學習；教學模型；實踐研究；交通信號燈系統

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）16-0174-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

周以真教授在 2006 年提出“計算思維（Computational Thinking） 是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領域的一系列思維活動”[1]。計算思維不僅僅局限于計算機科學領域，它是使用計算機領域的思維手段，幫助學生發展邏輯思維和分析能力，以解決多學科的問題。中學生正處于形式運算階段，具備了邏輯推論、抽象思考和系統思維能力等[2]，為計算思維的培養奠定了認知基礎。

全球計算機科學家和教育工作者已普遍認同培養中學生的計算思維具有重要意義，并在研究計算思維如何進入中學教育。我國《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》明確指出計算思維是信息技術學科的四個核心素養之一[3]。

但是如何在中學信息技術教育中培養學生的計算思維，仍然面臨很多挑戰。目前中學信息技術課程注重操作技能的培養，忽視計算思維能力的發展。傳統的講授式教學模式[4]，學生“照葫蘆畫瓢”模仿編程，難以有效培養學生的計算思維能力。

1 計算思維的內涵

計算思維的內涵十分豐富，本研究借鑒國內外學者對計算思維的定義和特征分析[5-6]，將其核心要素歸納為：問題分解、模式識別、抽象特征、算法設計與優化以及遷移應用。具體包括以下內容：1） 問題分解：將綜合性大項目解構成小任務，降低問題的處理難度，這種分治的思想有助于并行處理和分工合作。2） 模式識別：在分解的任務中，識別和分析規律或趨勢，抓住關鍵問題，忽略次要問題，從而提高效率。3） 抽象特征：將問題簡化為基本元素的過程，使用計算機工具進行數據設計和過程設計。4） 算法設計與優化：使用計算機程序設計的方法進行表述、編碼，利用計算機自動執行重復性任務，并在執行過程中優化改進。5） 遷移應用：總結從解決問題中學到的知識和技能，并將其應用到新的情境中。

2 運用項目式教學培養學生計算思維的可行性分析

2.1 項目式教學流程

項目式教學（Project Based Learning，簡稱PBL） 以構建主義為理論基礎，強調以學生為中心，通過完成實際項目來構建知識和發展技能[7-8]。調研現有的研究成果[9-13]，梳理PBL教學的一般流程包括：項目確定、項目分析、項目設計、項目實施和項目總結。

2.2 PBL教學流程與計算思維要素的契合點

PBL教學和計算思維雖然都旨在培養學生的解決問題能力，但PBL教學側重構建實踐導向的學習過程，而計算思維的培養則更專注于思維技能的塑造。PBL的問題導向性與計算思維的問題分解能力相契合。在PBL的項目分析階段，學生需要運用模式識別技能來識別系統內部的邏輯或規律；在項目設計階段，學生需使用抽象思維提煉出基本概念和規則；在項目實施階段，學生需具備算法設計和優化能力，用編程手段實現解決方案；在項目總結階段，學生需反思整個過程，總結經驗，并將所學知識遷移應用到其他情境中。

2.3 基于PBL教學培養計算思維的教學模型

PBL教學聚焦于創新教學方法，構建實踐導向的學習過程；計算思維培養深耕教學內容，強化思維技能的塑造。將過程和內容進行深度融合，設計了基于PBL教學培養中學生計算思維能力的教學實踐模型，如圖1所示。

這一模型通過變革傳統的“以教師為中心”的灌輸式教學模式，轉向“以學生為中心，教師為引導”的新型教學模式，具體包括以下內容。

1） 情境體驗，定義問題。教師的主要任務是創設貼近學生生活的問題情境或引入真實生活案例、編程游戲案例等，通過啟發提問激發學生的探究興趣，引導學生分解項目。學生感知真實項目情境，發現并界定問題，將綜合項目分解成一個個子問題，找到關鍵問題。

2） 問題分析，構建模型。教師引導學生深入分析問題，學生在教師的指導下，從問題中提取出核心信息，去除無關或冗余的內容，識別問題中的關鍵特征和規律。教師輔助搭建問題解決的邏輯框架，學生完善框架內容，構建系統的業務模型。

3） 項目設計，抽象特征。教師首先幫助學生梳理問題解決思路，引導學生用自然語言描述解決問題的具體步驟。然后教師講授概念圖、流程圖或其他可視化工具使用方法，指導學生用可視化工具將系統進行形式化、抽象化表示，實現數據抽象、過程抽象等。

4） 編程實踐，構建算法。在編程實踐和算法構建階段，教師可以選擇合適的編程語言，如Python，因其語法簡潔且擁有豐富的庫和框架，非常適合初學者。教師首先搭建程序的基本框架，并詳細講解每個模塊的功能。學生以小組為單位進行合作編碼，實現各個功能模塊。在編碼過程中，學生不斷地進行調試和優化，確保代碼的正確性和效率。教師提供必要的指導和支持，幫助學生解決遇到的問題。最終，學生通過單元測試和集成測試驗證程序的功能，并進行性能優化，確保項目的順利完成。

5） 總結分享，遷移優化。小組進行作品演示、交流分享，教師組織學生開展組內自評、組間互評，并進行教師點評，引導學生從算法的簡潔性、高效性等方面對比不同小組算法設計的差異。學生甄選更優算法，并遷移運用在自己的項目中，在這個過程中不斷提高算法設計與整合的能力。教師引導學生進行反思和拓展討論，學生被激勵去探索其他類似項目。

3" 基于PBL教學培養計算思維能力的教學實踐

3.1 教學實施過程

本研究采用準實驗研究方法，以A市某中學八年級A班（實驗班，40人） 和B班（對照班，43人） 為研究對象，開展為期一個學期的教學實踐。實驗班采用基于PBL的計算思維培養模式，對照班采用常規教學模式。下面以“交通信號燈系統”為例，介紹實踐教學過程。

1） 創設情境，分解項目。給學生布置作業，在上下學的途中觀察信號燈是如何控制交通的。課堂上，教師展示之前錄制的一段交通信號燈的運行視頻，師生共同梳理信號燈系統工作原理：十字路口有四個方向，每個方向都需要有一組信號燈控制該路口車輛的通行。本研究將十字路口信號燈系統分解成四個方向的子任務，每個子任務都是獨立運行的信號燈系統，每組信號燈系統都有紅燈、綠燈、黃燈三種顏色，各個方向信號燈變化規律一致。

2） 模式識別。教師引導學生觀看信號燈的視頻，發現不同時刻信號燈的初始顏色是不確定的，但是紅—綠—黃顏色的轉變是有規律的。師生共同總結信號燈的運行規律：紅燈長亮幾十秒（例如30秒） ，隨后紅燈閃爍幾秒（例如3秒） 以示即將變為綠燈；接著綠燈長亮幾十秒（例如45秒） ，然后綠燈閃爍幾秒鐘（例如5秒） 以示即將變為黃燈；最后黃燈短亮幾秒鐘（例如3秒） ，警告即將變為紅燈。這一過程不斷循環往復，形成一個完整的信號燈變化周期。通過多次觀察和記錄，確認這些規律的一致性和穩定性，為后續的項目設計和算法實現提供可靠的數據支持。

3） 抽象特征。本研究使用計算機程序設計的方法實現數據抽象和過程抽象。教師引導學生思考如何抽象表示信號燈及其狀態變化。有學生提出信號燈可以用圓來表示，不同顏色的信號燈點亮時，將圓涂上相應的顏色（例如紅、綠、黃） ，而信號燈熄滅時則將圓涂成灰色。信號燈的不同狀態（長亮、短亮、閃爍） 可以通過圓的顏色變化及其持續時間來表示。例如，紅燈長亮30秒，紅燈閃爍5秒，綠燈長亮45秒，綠燈閃爍5秒，黃燈短亮3秒。教師介紹工具的使用，使用Python中的turtle庫來繪制圓形，并演示如何通過改變顏色來表示信號燈的不同狀態，講解如何使用time庫中的函數來控制信號燈的狀態持續時間，確保每個狀態的時長準確無誤。為了方便在多處調用信號燈的功能，教師建議將信號燈封裝為一個對象。

信號燈系統顏色有序變化，可以采用流程圖直觀展示順序變化流程。教師講授流程圖繪制的基本元素，包括開始節點、結束節點、處理步驟以及條件判斷等，這些元素代表了流程中的不同功能或狀態轉換點，并通過箭頭連接起來以展示整個過程的流向。信號燈按照紅—綠—黃的順序依次變換顏色，可以通過一系列的順序結構來實現。整個紅—綠—黃的變換過程是一個無限循環，可以使用循環結構（如while True） 來確保這個模式不斷重復。信號燈閃爍需要用到邏輯判斷來檢查當前是否處于閃爍周期內。信號燈系統流程圖如圖3所示。

4） 算法設計與優化。教師引導學生將流程圖轉化為 Python 代碼。由于學生編程技能不足，教師需要先搭建程序框架，介紹turtle庫畫圓的原理；三色信號燈對應三個不同坐標的信號圓對象red、green、yellow；信號燈點亮對應設置信號圓的顏色，信號燈持續時長可以使用time庫實現延時。學生以小組為單位，進行團隊編程，實現程序的自動化運行。

小組1設計的紅燈、綠燈、黃燈三色信號燈點亮函數。

#紅燈點亮函數

def RedLamp（）：

red.color（red，red）

LampDraw（red）

#綠燈點亮函數

def GreenLamp（）：

green.color（green，green）

LampDraw（green）

#黃燈點亮函數

def YellowLamp（）：

yellow.color（yellow，yellow）

LampDraw（yellow）

教師引導學生觀察這三個函數，函數內容基本一致，只是作用的對象、設置的參數不同，教師講授模塊化編程思想，合理劃分功能模塊，通過函數封裝的方式將相同的部分提取出來作為公共函數，不同的部分作為參數傳入，以此增強代碼的結構性與清晰度。師生共同封裝的公共信號燈點亮函數：

def LampColor（lamp，color）：

lamp.color（color，color）

LampDraw（lamp）

有個小組同學展示信號燈閃爍功能函數時，將信號燈點亮、熄滅代碼，重復寫了3次。教師引導學生們觀察函數內部存在重復執行內容，如何優化。其他同學們指出可以使用循環結構減少代碼長度，提升代碼的可讀性。

5） 遷移應用。教師設計一個適應行人通行的智能交通系統，并明確要求，當有行人通過路口時，可以通過按下“通行”按鍵將信號燈變為紅色，確保行人的安全通行。學生以小組為單位，分組討論如何在原系統的基礎上進行遷移應用。同學們討論的結果一致認為，信號燈變化的主流程可以繼續使用，但在檢測到行人通行時，停止當前執行的程序，將信號燈設置為紅色，并設置合理的延時，以確保行人安全通過。當行人通過后，系統狀態重置，繼續按照原有的交通控制模式運行。這個項目不僅能夠應用學生在原有信號燈系統中學到的知識，還能培養他們的創新思維和實際問題解決能力。

3.2 教學效果評測

教學效果評測從兩個方面進行：一個是計算思維量表評測理論層面的思維發展，二是項目考核表考查學生在實際項目中各種思維技能的運用能力。

本研究參考 Selby 等[14]提出的分解、抽象、建模、算法、泛化等5個維度進行了計算思維評測量表的設計。經驗證具有較高的信度（Cronbach’s α=0.817） 。在教學改革實施前、后分別向兩個班發放測評問卷，測評結果如表4所示。盡管對照班后測得分相較于前測有所提高，但實驗班的后測得分提升更為顯著。此外，實驗班的整體得分相對于對照班有更明顯的提高。

參照劉迪提出的項目考核標準[15]，設計了覆蓋計算思維的項目考核標準，如表5所示。以評分指標5“功能實現”為例，部分學生提交的作品僅實現了信號燈單次的狀態變換流程，而未能構建起一個能夠持續循環運作的系統框架，這表明其代碼不夠準確，缺乏對系統連續性需求的考慮。此外，有同學將所有的邏輯處理直接嵌入至主函數內，導致程序結構顯得較為雜亂，代碼的整體可維護性和可讀性較差。

經過一段時間的學習，實驗班學生平均得分高達83.1分，遠超過對照班的65.4分。這一顯著差異不僅證明了PBL教學在提升學生計算思維實踐能力方面的有效性，也反映出學生能夠將抽象概念轉化為實際解決方案的能力。

4 總結與建議

基于 PBL 構建了培養中學生計算思維的教學模型，從“方法”與“內容”兩大維度出發，精心設計了教學過程，確保教學活動不僅關注知識傳授，還注重能力培養，并以“交通信號燈系統”為例進行了實踐研究。結果表明，該模型能夠有效提升學生的計算思維能力。研究的局限性在于樣本量較小，研究周期較短，需要進一步開展更大規模的研究以驗證模型的普適性。

但是同時也注意到，相比于傳統教學，新的教學模式在實踐過程中存在較多挑戰。針對教師的建議：在教學設計中融入計算思維要素，創設問題情境，引導學生進行探究式學習； 提供豐富的學習資源，例如編程工具、案例庫等； 關注學生的個體差異，進行個性化指導。 針對學生的建議：積極參與項目活動，主動思考，與同伴合作； 多練習，多反思，不斷提升自己的計算思維能力。

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【通聯編輯：王 力】