指向計算思維培養的高中信息技術PDTM教學模式構建研究

0 引言

黨的二十大報告明確指出，推進教育數字化，建設全民終身學習的學習型社會、學習型大國。深入實施教育數字化戰略成為加快建設教育強國的有力支撐。在數字化時代，計算思維是學生不可或缺的核心素養之一，不僅影響他們的職業發展，更是塑造其終身學習能力的基石。高中階段是學生思維發展的關鍵時期，因此，如何在這一時期有效培養學生的計算思維成為教育工作者面臨的重要課題。

1計算思維的核心概念和面臨的挑戰

1.1計算思維的定義與特點

1.1. 1 定義

計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動。具備計算思維的學生，在信息活動中能夠采用計算機可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據；通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案；總結利用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關的其他問題解決中[1]。計算思維的核心內涵包括抽象、自動化、分解、模式識別和算法思維[2]。

1.1.2 特點

計算思維具有普遍性、創造性、邏輯性、適應性四大特點，它們構成計算思維的基礎，并為基于計算思維的PDTM教學模式提供理論支撐。普遍性指計算思維超越計算機科學領域，能跨學科應用于各類問題解決；創造性指鼓勵學生創新性地結合已知知識與新興技術，開發新方案；邏輯性強調邏輯推理和系統分析，確保解決方案的合理有效；適應性指計算思維要能靈活應對變化，快速解決新問題和挑戰。

1.2計算思維培養面臨的挑戰

計算思維在計算機科學領域的重要性不言而喻，在教育和問題解決方面也展現出獨特價值。然而，我國在計算思維研究方面仍處于起步階段，研究的廣度、深度、創新性和價值都有待提升。盡管國家和地方政府已經出臺政策推動學生計算思維的培養，但目前仍面臨以下挑戰。

1）教師專業培訓不足。許多教師缺乏系統培訓，難以有效地將計算思維融入教學實踐，影響教學質量。

2）教學資源缺乏。高質量、系統化的教學資源匱乏，現有教材內容陳舊，限制教學創新。

3）評價體系缺失。缺乏完善的計算思維評價體系，導致教學效果難以準確衡量，也無法為教師提供有效反饋。

4）課程內容與實際應用脫節。部分課程內容過于理論化，與實際生活和科技發展脫節，難以激發學生的興趣和應用所學知識。

2高中信息技術課程中計算思維的培養

2.1 課程設置與課程目標

2.1.1 課程設置

高中信息技術課程旨在提升學生的信息素養，培養其個性化學習、協作探究、創新精神，并塑造學生正確的價值觀和責任感。課程強調實踐性、綜合化、創造力的培養和科學與人文的融合。

高中信息技術課程由三部分組成：1）必修部分，包括數據與計算、信息系統與社會；2）選擇性必修部分，提供更深入的學習方向，如數據與數據結構、網絡基礎、數據管理與分析、人工智能初步。3）選修部分，讓學生根據興趣選擇，包括算法初步、移動應用設計兩個模塊。課程設計旨在全面提升學生在未來社會中的競爭力。

2.1.2 課程目標

高中信息技術課程的目標包括：掌握信息技術基本概念、精通信息技術工具運用、解決現實問題、高效處理和管理信息、清晰表達個人見解和交流思想、進行協作研究、綜合運用知識解決復雜問題。

高中信息技術課程教學方法強調創設有利于學生主動學習的環境，科學選用教學策略，并以問題解決為中心。《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》特別強調計算思維的培養，并將其評價水平劃分為預備級、水平1、水平2、水平3四個層次[1]。技能性目標涵蓋模仿、獨立操作和熟練操作三個階段，體現了模擬、仿真方法和問題求解能力的重要性。

2.2計算思維在高中信息技術課程中的融入與聯系2.2.1計算思維融入高中信息技術課程

計算思維的重要性不僅體現在計算機科學領域，還廣泛地融入教育、科技、數學等多個學科，成為解決復雜問題、設計系統、理解人類行為的一種基本思維方式。在高中信息技術課程中，計算思維的培養是一個系統工程，貫穿課程的各個層面，涵蓋知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀這三個主要維度。1）在知識與技能維度，信息技術課程涵蓋計算機科學的基本原理，如算法和數據結構等，這些都是計算思維的基礎。2）在過程與方法維度，信息技術課程在教學中鼓勵學生運用計算思維的方法來分析和解決問題。3）在情感態度與價值觀維度，信息技術課程應激發學生對信息技術的興趣，培養他們利用技術進行創新和解決問題的積極態度[3]。

2.2.2計算思維與高中信息技術課程的聯系

計算思維的培養與高中信息技術課程之間存在多維度聯系。1）實踐性。高中信息技術課程以實驗、項目形式讓學生在實踐中學習，計算思維培養同樣依賴編程、算法設計等實踐。2）綜合化。高中信息技術課程與計算思維培養都強調知識整合和跨學科融合。3）創造性。兩者均以鼓勵學生創新思維和創造性實踐為目標，讓學生在解決問題中發揮想象力。

4）科學與人文融合。高中信息技術課程與計算思維培養的新趨勢是科學與人文的融合。

3基于計算思維的PDTM教學模式的實施

3.1計算思維與PDTM教學模式的結合

PDTM是指問題驅動教學法（Problem-DrivenTeachingMethod，PDTM）。計算思維與PDTM的結合產生了一種高效的教學模式，即基于計算思維的PDTM教學模式，其特點如下。

1）問題設計融入計算思維。設計問題時強調抽象性、模型化和算法性，引導學生運用計算思維分析和解決問題。2）教學過程注重思維訓練。引導學生進行邏輯推理、算法設計等思維活動，培養計算思維能力。3）強調自主學習和合作學習。鼓勵學生自主探究和合作學習，通過討論、交流共同解決問題，促進思維碰撞和知識共享。4）注重實踐和創新。通過實踐項目和創新活動，鼓勵學生將計算思維知識和技能應用于實際問題，培養實踐和創新能力。

3.2基于計算思維的PDTM教學模式的實施步驟

計算思維作為一種科學思維方法，涵蓋科學思維的所有特性，包括對客觀世界進行主動認識和建構，建立內容與過程之間的聯系。PDTM教學模式正是圍繞科學思維的內在要求構建的，強調學生在教師引導下，通過主動探究和協作交流，運用科學思維方法解決問題，進而培養計算思維能力[4]。基于計算思維的PDTM教學模式實施的核心環節如下。1）問題情境創設。通過設計真實且具有挑戰性的問題，激發學生的好奇心和探究欲，與先前所學知識和經驗建立聯系。2）問題分析與目標明確。通過引導學生分析問題的各個方面明確學習目標，并根據問題的性質分配小組任務。3）信息搜集與方案形成。在教師的輔助下，學生利用信息技術工具搜集相關信息，并通過小組合作形成解決方案。4）問題解決與成果展示。學生運用計算思維的方法解決問題，并通過展示他們的成果來促進知識的應用和反思。5）評價與反饋。綜合形成性評價和總結性評價，為學生提供及時反饋，幫助他們深入理解和應用計算思維。

3.3實施策略和預期效果

為有效實施PDTM教學模式，必須強化教師培訓、增強資源開發、優化學習環境、創新評價體系。PDTM教學模式的有效實施，能夠讓學生深入理解和應用計算思維的概念和方法，主要表現在增強學生的問題解決能力、促進學生的主動學習和創新等方面。

4基于計算思維的PDTM教學模式具體案例分析

本案例選自高中二年級信息技術教材（教科版）“算法與程序設計”，以遞歸算法與遞歸程序設計為例，采用基于計算思維的PDTM教學模式，引導學生理解遞歸算法的概念，運用遞歸思維分析和解決問題。

4.1遞歸算法與遞歸程序設計的教學目標、方法和重難點

4.1.1 教學目標

遞歸算法與遞歸程序設計包括三個方面的教學目標，即知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀。1）知識與技能方面的目標是讓學生理解遞歸的核心概念及其基本原理，掌握運用遞歸算法解決實際問題的技巧，并能熟練運用遞歸思想進行程序設計。2）過程與方法方面的目標是通過具體案例的分析和實際操作練習，培養學生的邏輯思維和問題解決能力，同時指導學生進行小組合作和討論，增強他們的團隊協作和溝通表達技能。3）情感態度與價值觀方面的目標是激發學生對編程的熱情和興趣，培育他們的創新意識和實踐技能，并讓學生在體驗遞歸算法的過程中感受到編程的樂趣和成就感。

4.1.2教學重難點

遞歸算法與遞歸程序設計的教學重點在于讓學生掌握遞歸的概念、基本原理、算法設計方法和遞歸程序的實現。教學的難點主要集中在如何讓學生理解遞歸的執行流程、如何有效解決遞歸過程中可能出現的棧溢出問題。

4.1.3 教學方法

遞歸算法與遞歸程序設計的教學方法主要包括：1）講授法，即講解遞歸的基本概念、原理和設計方法；2）演示法，通過展示遞歸程序的運行過程，幫助學生深入理解遞歸的執行機制；3）實踐法，鼓勵學生親自編寫遞歸程序，以加深對遞歸算法的理解和掌握；4）討論法，組織學生進行小組討論，分享他們對遞歸算法的理解和體會。

4.2 教學過程

4.2.1 課堂導入環節

通過展示“像中像”現象，教師引入遞歸的概念，引導學生進行觀察和思考。這一過程旨在激發學生的好奇心和探索欲，讓他們從感性層面初步理解遞歸現象，為深入學習遞歸算法奠定基礎。同時，也為遞歸概念的引入提供自然過渡。

4.2.2課堂講授環節

1）設計游戲活動引入遞歸思想。教師組織一次輕松愉快的報數游戲，邀請兩組學生分別采用不同的報數方法。一組的女學生進行常規報數，另一組的男學生按照特定指令進行報數。通過比較遞推與遞歸這兩種不同的報數方式，讓學生更深刻地領會遞歸的獨特性，為學習遞歸算法打下基礎。

2）講授新知識，揭示遞歸的概念。教師引導學生深入分析遞歸的定義，并嘗試理解“遞”和“歸”的具體含義，為學生后續分析和理解遞歸實例奠定基礎。

3）布置探究案例培養學生的高階思維能力。例如，設計探究任務：假設有6個人圍坐一桌，任務是推算出第6個人的年齡。第6個人說他比第5個人大兩歲，第5個人說他比第4個人大兩歲，以此類推，直至第1個人說自己10歲。請學生思考，第6個人的實際年齡是多少？通過這個問題，引導學生深入分析并思考如何利用遞歸方法解決年齡推算問題，進而設計數學模型并建立關系式：第n個人的年齡是第（n-1）個人的年齡加兩歲。根據模型可以引導學生編寫該任務的程序代碼如下。

Function GetAge（byval n as integer） As Integer

If n=1 then（20 s=10 （2號elses=GetAge（n-1）+2end ifReturn sEnd function

通過分析上述程序代碼，教師可以幫助學生理解遞歸函數的工作原理，讓學生直觀把握遞歸思想中的“自我調用”“遞進”“回歸”的過程，為他們進一步理解遞歸算法奠定基礎。

4）設計探究性任務，深入理解遞歸思想的精髓。教師通過歸納法揭示遞歸思想的核心：遞歸的本質在于循環往復。解決遞歸問題的關鍵在于將其分解為若干個規模更小但結構相似的子問題，且這些子問題能夠運用相同的解決策略。同時，特別強調在函數實現時，由于處理大問題與小問題的方法相同，會產生函數調用自身的現象。這種方式不僅促進了學生對遞歸思想的深刻理解，還培養了他們的邏輯思維和抽象思維能力。

5）設計案例活動，引導學生學以致用。教師提出問題：假設小兔子在一個月內成長為大兔子，并且大兔子每個月都會產下一對新的小兔子。如果年初開始飼養一對小兔子，那么年末時，總共會有多少對兔子？根據問題，教師引導學生構建數學模型，并指導他們嘗試編寫遞歸函數如下。

Function RabbitPairs（months As Integer）As Integer

If months lt;=2 Then

Return 1

Else

Return RabbitPairs（months - 1） +

RabbitPairs（months - 2）

End If

End Function

同時，教師還可以提供非遞歸和遞歸程序的示例，讓學生進行對比分析，從而深入理解遞歸算法的特點，特別是其在解決問題時所展現的簡潔性和易于理解的優勢。

6）循循善誘，理解遞歸算法的特點。通過上述案例，引導學生總結出遞歸算法的特點：遞歸算法的核心在于函數或過程對其自身的調用。在采用遞歸策略時，必須明確設定一個終止遞歸的條件，即遞歸出口。通常，遞歸算法在解決問題時顯得簡潔且易于理解，其本質是將問題分解為規模更小的相似問題。

4.2.3課堂總結環節

遞歸法解題的步驟可以概括為：1）確定遞歸的終止條件；2）明確在遞歸終止時應采取的處理措施；3）找出遞推關系式以逐步減小問題的規模。

為了更直觀地展示函數f（大規模）的遞歸編程模型，可以這樣描述：一旦達到終止條件，直接返回結果；否則，利用包含f（小規模）的遞推式，持續減小問題的規模。通過案例分析，教師幫助學生清晰地理解遞歸法解決問題的思路，并構建出遞歸法的編程模型，為學生今后的編程實踐提供指導。此外，布置練習任務可以鞏固學習成果，檢驗學生對遞歸算法掌握和應用的能力，如猴子吃桃問題。猴子每天吃掉一半再多一個桃子，直到第十天僅剩一個桃子。那么，第一天猴子共摘了多少個桃子？請編寫一個遞歸函數解答這個問題。

4.3教學效果

基于計算思維的PDTM教學模式的教學效果主要通過以下三點來評估。

1）實施效果。通過學生的項目作品、編程能力、問題解決策略等方面評估教學效果。

2）學生反饋。收集學生對教學模式的接受度、參與度、興趣點和困惑點等方面的反饋。

3）小組討論記錄。記錄學生在小組討論中的表現，評估他們對遞歸概念的理解和應用。

為全面評估教學效果，筆者采用定量和定性相結合的方法。定量評估涵蓋測試成績和編程任務的完成情況，以此量化學生對遞歸概念的掌握程度和編程能力。定性評估則通過學生訪談和教師觀察收集學生對課程內容、教學方法的反饋和他們在課堂上的互動、參與情況。這些評估結果可以為教師提供深入分析教學效果的依據，使教師不斷調整和優化教學模式，以滿足學生的學習需求和提高教學效果。

5 結束語

本案例將計算思維融入算法與程序設計課程，通過實施基于計算思維的PDTM教學模式，精心設計教學目標，有效培養學生的編程能力、算法設計和系統分析能力。課程深度與廣度的結合，體現在從遞歸算法基礎概念到高級應用的全面覆蓋。通過逐步引導學生解決“年齡問題”“兔子問題”等實際問題，讓他們不僅掌握遞歸基本原理并能夠將理論知識應用于實踐，培養解決復雜問題的能力，既實現了教學目標，又促進了學生綜合素質的提升。

在編寫遞歸函數的過程中，學生不僅鍛煉了編程技能，還通過設計遞歸算法加深了對問題分解、模式識別和邏輯構建的理解。此外，遞歸算法的學習還促進了學生對計算機科學中其他重要概念的認識，如數據結構和算法效率。未來課程設計中，教師還可以探索如何將遞歸思維與其他算法和數據結構相結合，以培養學生的綜合計算能力。

6 參考文獻

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