面向計算思維培養的DoPBL教學模式研究

摘要：計算思維作為一種核心思維方式，日益受到教育界的關注，而DoPBL（面向設計的產生式學習） 模式為計算思維的培養提供了新的思路。該研究構建了面向計算思維培養的DoPBL教學模式，并以“探究人臉識別的秘密”為教學案例，進行具體的教學設計與實施。研究采取單組前后測實驗，對74名學生進行了為期一個月的跟蹤，以探究DoPBL教學模式對學生計算思維的影響。研究結果表明，采用DoPBL教學模式后，學生的計算思維水平顯著提升，相較于前測，后測結果顯示提升幅度達11.08%。除此之外，女生整體的計算思維提升幅度大于男生。

關鍵詞：計算思維；DoPBL；教學模式

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）16-0170-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

在數字化時代背景下，計算思維作為一種核心思維方式受到教育界的諸多關注。計算思維是一種問題解決的思維方式，強調邏輯推理和數學計算，是現代社會公民應當具備的基本素養之一。2022年教育部印發的《義務教育信息科技課程標準（2022年版） 》將“計算思維”列為核心素養和課程目標之一，要求學生具備初步解決問題的能力[1]。而如何將計算思維的培養有機融入信息技術課程中，仍是我國教育領域需要持續探索的重要課題。DoPBL（Design-oriented Production-based Learning） 模式?是一種新型的教學模式，它綜合了問題式PBL（Problem-Based Learning） 和項目式PBL（Project-Based Learning） 的優點，旨在培養學生的核心素養、批判性思維、創造性思維和跨學科能力，促進提高復雜問題解決的能力[2]，這與計算思維的核心概念有著契合之處。因此，本研究借鑒已有DoPBL模型，將計算思維融入其中，構建了面向計算思維培養的DoPBL教學模式，旨在為培養計算思維探索出全新的思路和路徑。

1 計算思維培養與DoPBL教學模式

計算思維起源于計算機科學，與數學思維、工程思維也有著非常緊密的關系。周以真教授于2006年首次提出該概念，并將其定義為運用計算機科學的基本原理和理念，進行問題求解，系統設計以及解析人類行為的邏輯思維。計算思維是概念化的抽象思維，是數字化世界中每個人都必須掌握的思維模式和根本技能[3]，具體包括5個維度：算法思維、創造力、批判性思維、問題解決能力以及合作能力[4]。現有關于計算思維的研究大致可分為兩個部分：計算思維的測量與評價和計算思維的培養。關于計算思維的測量與評價，Korkmaz等人通過對計算思維的框架進行分析，基于以上5個維度，構建了關于計算思維的感知-態度量表[5]。白雪梅和顧小清在Korkmaz等人編制的量表的基礎上，采用回譯翻譯法并以高中生為樣本數據編制了K12階段中學生計算思維的評價量表[6]。張屹等人以中小學生為樣本收集數據進行了計算思維水平量表的構建，為新課改下中小學生的計算思維水平提供了有效的工具[7]。關于計算思維的培養，王靖等人通過設計可視化編程教學活動來培養小學生的計算思維[8]。Choi等人關注與小學生日常緊密相連的環境與生活問題，以設計學習模式為基石，開發了一系列培養小學生計算思維的課程[9]。嚴大虎等人以問題解決過程中產生的學習行為數據為依據，構建了促進計算思維發展的問題解決模型[10]。總體上來看，計算思維的培養研究大多借助不同的編程工具，通過多種教學模式或方法（如游戲化教學方法、項目式教學模式、stem/steam教學） 在信息技術課堂上實踐應用，更加重視關于計算思維培養的教學活動設計、課程改革以及教學模式的構建與應用等。

DoPBL是由北京師范大學董艷教授提出的一種將設計思維融入的新型教學模式，以促進學生跨學科合作和復雜問題的解決。DoPBL模式結合了基于問題式PBL和項目式PBL的優勢，強調外顯的作品產出和內隱的思維發展，它是由內環和外環構成的兩個并行的實施路徑，其中外環包括了6個迭代循環的步驟：選定問題或項目、制定方案或計劃、設計活動探究、生成方案或作品、進行成果交流、開展活動評價。內環保留了應用最多的設計思維模型中的3個遞進的設計思維思想，包括共情、定義和構想。內環的引入是為了幫助學生從更加靈活和創新的視角去面對新的問題或項目，以此來促進外環活動。目前，將該模式運用到教學實踐中的研究較少，有研究者將其與數學和物理學科結合，研究結果表明DoPBL教學模式能有效培養數學素養和跨學科解決問題的能力[11]，能夠充分完善學生的知識架構，提升高階思維與創新思維，發展核心素養[12-13]。關于DoPBL模式與信息技術學科結合的研究也只停留在課程的設計，未真正落實在課堂教學中。因此，本研究試圖構建面向計算思維培養的DoPBL教學模式，并開展深入的應用實踐，拓展DoPBL模式在學科中的教學應用，為學生提供更加豐富和有效的學習體驗，進一步促進教學的發展和改革。

2 面向計算思維培養的DoPBL教學模式構建

董艷教授提出的DoPBL教學模式在促進學生的跨學科交流、團隊合作能力、創造性思維和能力等方面有著獨到的優勢，而這與計算思維的培養相契合。本研究綜合Korkmaz等編制的適合測量K12階段學生的計算思維能力水平的量表，將算法思維、批判性思維、創造性思維、合作能力以及問題解決能力等5個維度融入原有的DoPBL教學模式中，提出了面向計算思維培養的DoPBL教學模式，如圖1所示。該模式分為三層，由外而內的第一層是DoPBL模式的教學環節，第二層是DoPBL模式下的設計思維，第三層是核心培養目標層即計算思維目標，最終以達到培養初中生計算思維的目標。

2.1 教學環節層

教學流程層是實現DoPBL的重要基礎，以選定問題或項目為起點，以開展活動評價為終點，一共6個教學環節。在選定問題或項目階段，教師要為學生創設一個特定的情境并引導學生通過深入理解和共情。在制定方案或計劃階段，教師要引導學生對所選問題進行深入分析，定義問題的范圍和界限。在接下來的設定活動探究和生成方案作品教學環節當中，教師更多的是充當一個答疑者的角色，對學生在制作過程出現的問題給予及時且有針對性的指導。在進行成果交流階段，教師需要引導學生進行交流展示，積極表達自己的情感。最后的開展活動評價階段，教師需要采取多元化的評價方式對學生作品進行評價。

2.2 設計思維層

設計思維層是開展DoPBL教學的核心要素，共情、定義和構想3個元素始終貫穿到整個教學模式當中，在不同的教學流程中可能會運用到不同的設計思維。共情即以人為本，對即將研究的事物感同身受后通過細致觀察，了解需求，為后續的行動奠定基礎。定義是在共情的基礎上，明確問題，分析并提煉出關鍵問題以作為后續的行動指南。構想表示在共情和定義的基礎上，通過小組討論與交流，探討解決方案，形成更加完善、切實可行的方案。

2.3 培養目標層

培養目標層是教學的最終指向，旨在通過構建DoPBL教學模式培養學生的計算思維。本研究根據Korkmaz等人編制的量表，將計算思維分為5個維度。算法思維是指學生能夠理解和設計清晰、有序的步驟或規則，以解決特定問題。這包括對算法的理解、分析和實現能力。批判性思維即學生能夠客觀地分析和評價信息，強調在接受他人觀點時保持獨立思考，質疑并篩選后做出決定，形成合理的判斷和決策。創造性思維強調學生能夠打破傳統思維定式，提出新穎的、獨特的解決方案和想法。合作能力包括團隊合作、角色分工、協調溝通等能力，需要學生在團隊中相互支持、共同完成任務。問題解決能力意指面對復雜問題時，能夠運用所學知識、技能和策略，找到有效解決方案的能力。

3 以“探究人臉識別的秘密”為例的課程設計與實施

3.1 教學內容分析

本節課的主題為“探究人臉識別的秘密”，通過構思智能門禁系統的外觀，簡單繪制智能門禁系統的方案圖，測試與實現智能門禁系統的功能，運用編程軟件確保智能門禁系統的正常運行。該課程從理論知識學習到實踐運用，共進行4課時的學習，每周1課時，持續4周。課程還涉及掌控板、HUSKYLENS、蜂鳴器、RGB燈、舵機等搭建硬件，學生需要對這些硬件的工作原理以及功能進行學習，再結合Mind+軟件編寫程序、調試程序、上傳與固件測試等編程應用，最終實現識別人臉開門的功能。

3.2 學習者特征分析

“探究人臉識別的秘密”是一次基于設計的、注重綜合性和實踐性的人工智能課程。本課程在初一下學期開展，在上學期開設的人工智能課程當中，具備了人工智能的相關知識以及基本的編程能力，同時具有較強的學習能力和好奇心，積累了一定的生活經驗和小組合作學習的經驗，能夠相互幫助，進行思想碰撞。

3.3 教學環境分析

該校為中小學人工智能教育基地，配備有人工智能實驗室，實驗室中安排了平板電腦、編程積木以及各類編程機器人等，座位的排列均以小組為單位，便于學生之間的交流討論與協作。學生在人工智能實驗室自主學習“人臉識別”的基本理論知識，體驗“人臉識別”的基本原理，并基于Mind+編程軟件進行相應的程序編寫、設備調試以及迭代完善方案設計等。

3.4 教學目標分析

通過本節課的學習，學生能夠認識到信息（如人臉數據） 的重要性，并理解其在實際應用中的價值，意識到個人隱私和數據安全的問題。在自主探索進行設計、搭建、調試、迭代修改和運用門禁系統的過程中，能夠運用不同的數字化工具和技術，結合實際需求，將人臉識別的復雜過程簡化為圖形化編程中能夠實現的算法和步驟，不斷地與小組成員進行交流，解決制作過程中存在的問題，嘗試和創新方案，進行模塊的分解與組合，培養學生創新思維、批判性思維和團結協作的能力。

3.5 教學實施

1） 選定問題/項目。教師播放關于人臉識別在日常生活中的應用視頻，引出本節課的主題——人臉識別，隨后創設兩個情境任務：“假如你是新建小區的管理者，你將如何設計一個安保系統來保衛小區居民的安全呢？”和“假如你是校園的建設者，你將如何設計一個校園門禁系統來保衛校園的安全呢？”兩個主題都源于日常生活中的具體場景，能讓學生結合生活經歷思考，選定其中一個項目進行后續的探索。

2） 制定方案/計劃。教師提前在學習平臺上發布人臉識別學習資源，并按“組內異質，組外同質”原則將學生分組。分組完畢后，教師向學生發放學習任務單，學生根據學習任務單上的順序進行理論知識的學習，包括對HUSKYLENS工作原理及對應編程模塊的學習，并完成學習平臺上的理論測驗。教師不斷進行巡視，根據學生學習中遇到的問題及測驗結果，選擇進行集中講解或一對一講解。測驗完畢后，引導學生進行頭腦風暴，構思智能門禁系統預設的功能、設計流程圖以及外觀搭建，共同制定項目方案，并將其繪制在學習任務單中的“智能門禁構思圖”一欄中，標注好對應的功能實現。

3） 設定活動探究。學生根據教師提供的積木套盒材料以及上一階段的設計圖，在學習平臺上收集各類相關資料，設計并搭建智能門禁系統。若在搭建過程中遇到問題，可及時修改，并將修改后的搭建圖用紅色顏色的筆在原構思圖上進行標記說明。在運用Mind+軟件編寫程序時，是學生遇到問題最多的階段，如HUSKYLENS無法讀取數據、已錄入的人臉還是無法識別等。教師在學生探究中期提供基礎功能的編程模塊文檔，幫助學生完成基礎的識別功能，同時也要給予學生一定的空間進行鳴笛和亮燈的創新。迭代的修改是整個活動探究過程中最為核心和關鍵的步驟，通過實踐—發現問題—解決問題—實踐這個循環步驟，逐步完善方案。為了能夠最精準地實現功能，很多平時處于團隊“邊緣”的同學都加入了小組激烈的討論中，不斷地嘗試編程模塊當中的數值和邏輯塊。

4） 生成方案/作品。各組在探究的過程中，不斷地在原始設計方案上進行創新，最終形成作品的最佳方案。當全體學生都完成了智能門禁系統作品后，教師組織學生進行作品調試并將完整的作品上傳到學習平臺供后續的交流討論，上傳時需要附以作品的說明文檔。

5） 進行成果交流。教師要鼓勵學生以小組為單位展示設計思路、核心代碼以及最終作品的呈現，批判性地看待各個小組的設計作品，盡可能及時給予各組正向反饋。

6） 開展活動評價。在開展活動評價階段，學生通過學習平臺發布的評價量規對各組作品進行評價，選出最具有創新性和完整性的作品，在這個過程中，還要結合教師評價和小組自評等多種評價方式，幫助學生能夠更加客觀地看待自己和他人作品。同時還要以個人為單位填寫整個學習實踐過程中的學習收獲，幫助教師調整和優化后續的教學。

4 教學效果測評與分析

4.1 研究對象

本研究選擇貴陽市某所教學水平偏上的中學，在初一年級選擇了成績相當的兩個班級學生作為研究對象。一共80名學生，其中男生48名，女生32名。在應用該模式教學前對這80名學生進行前測檢驗，4周課時完成后再次對這80名學生進行后測檢驗。

4.2 研究工具

研究基于Korkmaz等人的計算思維量表以及白雪梅等人翻譯的中文版計算思維量表，一共分為5個維度。其中創造力包括8個題項，算法思維和問題解決能力包含6個題項，批判性思維包括5個維度，合作技能包括4個題項，一共29個題項。每個題項均采用李克特五點（從非常不同意到非常同意） 進行計分。 一共發放問卷80份，共得到有效問卷74份，所得到問卷總體維度的Cronbach 系數為0.926，算法思維的維度的Cronbach 系數為0.890，創造性思維維度的Cronbach 系數為0.843，批判思維維度的Cronbach 系數為0.806，問題解決能力維度的Cronbach 系數為0.829，合作能力維度的Cronbach 系數為0.904，問卷具有良好的信度。

4.3 數據分析

1） 學生整體的計算思維。如表1所示，經過面向計算思維培養的DoPBL教學模式開展教學后，學生整體的計算思維有一定的提升（M前測＝3.88，M后測＝4.31，t＝-9.48，P＝0.000＜0.001） ，提升幅度達11.08%。同時，如表2所示，學生在創造力（P=0.000＜0.01） 、算法思維（P=0.000＜0.01） 、協作能力（P=0.000＜0.01） 、批判性思維（P=0.000＜0.01） 以及問題解決能力（P=0.000＜0.01） 5個維度的提升效果也非常顯著。由此可見，DoPBL教學模式能夠幫助學生投身于計算思維的實踐之中，更在實踐過程中顯著增強了他們的合作探究能力，學會了敏銳地發現問題、勇于提出問題并有效解決問題。這一模式還促使學生以多維度、批判性的視角審視問題，拓寬了他們的思維廣度與深度。

2） 計算思維在學生性別上的差異。為了深入探究DoPBL教學模式對學生計算思維的影響，本研究還對學生性別的計算思維前測和后測數據進行了獨立樣本t檢驗，如表3所示，顯示了男、女生在計算思維上的差異，性別對計算思維的前后測成績有顯著影響（P=0.048lt;0.05，P=0.046lt;0.05） 。從表中可以看出，男生計算思維在前測和后測上的平均得分均顯著高于女生，其原因可能在于男生的邏輯思維比女生強一些。有研究發現女性在獲得計算思維方面是比較有天賦的[14]，本研究中女生總體的計算思維平均得分雖然略低于男生，但是整體的計算思維平均得分的提升幅度大于男生（0.53gt;0.38） 。

3） 討論。結果表明，DoPBL教學模式對計算思維的培養具有促進作用。在計算思維的5個維度中，提升幅度最大的是問題解決能力。面向計算思維培養的DoPBL教學模式讓學生從發現問題——解決問題這個循環的過程中，獨立探索、解決，最后形成完整的作品。DoPBL強調設計思維的核心地位，鼓勵學生從實際需求出發，通過設計思維的方法論來識別問題、定義挑戰，并創造性地提出解決方案，這在一定程度上鍛煉了他們解決問題的能力。長時間的合作探究學習讓每個學生都積極地參與其中。應用該模式所花費的教學時間較長，要將教學順利地進行，需要教師在前期準備中做足功課。

5 結論

DoPBL教學模式中的設計思維為學生提供了一個從抽象到具體、從概念到實現的橋梁。在DoPBL教學模式下，學生不再是被動地接受知識，而是主動地參與問題的發現、定義和解決過程中，將問題分解為可管理的子問題，并通過迭代設計來不斷優化解決方案。這種在做中學、在學中做的學習方式，為學生提供了豐富的實踐機會和廣闊的發展空間，使他們能夠在實踐中不斷成長和進步。目前將DoPBL教學模式應用到課堂實踐中或學科中的案例較少，該模式在不同學科領域內的應用潛力還有待進一步探討。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022 年版） [S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 董艷，孫巍.促進跨學科學習的產生式學習（DoPBL）模式研究：基于問題式PBL和項目式PBL的整合視角[J].遠程教育雜志，2019，37（2）：81-89.

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

[4] ISTE.CT leadership toolkit[DB/OL].[2023-10-20].http：//www.iste.org/docs/ctdocuments/ct-leadershipt-toolkit.pdf？sfvrsn=4.

[5] KORKMAZ ?，?AKIR R，?ZDEN M Y.A validity and reliability study of the computational thinking scales （CTS）[J].Computers in Human Behavior，2017，72：558-569.

[6] 白雪梅，顧小清.K12階段學生計算思維評價工具構建與應用[J].中國電化教育，2019（10）：83-90.

[7] 張屹，陳鄧康，付衛東，等.基于新課標的中小學生計算思維量表構建研究[J].電化教育研究，2024，45（3）：90-98.

[8] 王靖，馬志強，劉亞琴，等.面向計算思維的可視化編程活動設計與應用[J].現代教育技術，2022，32（9）：55-63.

[9] CHOI I， KOPCHA T，MATIVO J，et al.Learning Computer Programming in Context： Developing STEM-Integrated Robotics Lesson Module for 5th Grade[C]// Society for Information Technology amp; Teacher Education International Conference. Waynesville： Allyn amp; Bacon，2016：68-74.

[10] 嚴大虎，蘇秀玲，李雨婷.基于問題解決模型的學習者計算思維培養：以編程類課程“數據庫技術及應用” 的教學為例[J].現代教育技術，2021，31（2）：109-117.

[11] 吳莖潔，吳子昊，徐斌艷.高中數學跨學科DoPBL課程設計與實施：以“放飛正多面體熱氣球” 為例[J].數學通報，2022，61（7）：12-16.

[12] 張瑾，范黛青.基于DOPBL模式的數學跨學科學習活動設計研究[J].基礎教育課程，2024（2）：70-76.

[13] 秦芳依.DOPBL教學模式在初中物理課程實施研究[D].上海：華東師范大學，2022.

[14] PROTTSMAN C L L.Computational thinking and women in computer science [D].Eugene：University of Oregon，2011.

【通聯編輯：王 力】