高中計算機課程中培養學生 “計算思維”的方法研究

一、引言

我國《普通高中信息技術課程標準（2020年版）》將計算思維明確列為學科核心素養之一，但在實際教學實施過程中仍面臨諸多挑戰，如普遍存在重技能輕思維、重結果輕過程的現象。計算思維是計算機科學教育的基石。培養學生的計算思維已成為基礎教育階段的重要目標，而高中階段正是學生認知能力發展、思維方式形成的關鍵期，在該階段系統性地融入計算思維，旨在促進計算思維教育從倡導理念向課堂實踐轉化。本研究將探索適應我國高中教育特點的計算思維培養方法體系，構建科學有效的教學實施路徑，提升基礎教育階段學生的計算思維能力。

二、計算機思維的結構和特征

計算思維作為一種新興思維方式，許多教師對其的認識和應用還不充分，認為計算思維就是編程思維，而編程抽象難懂且在應試中涉及較少。計算機思維是通過計算機科學的視角解決問題的一種思維方式，其首要特征是分解問題，將復雜問題拆解為多個簡單、可管理的小問題[2。在高中計算機課程中，通過教師講解如何將實際問題轉化為可分解的子問題，可以培養學生的系統化思維。計算機思維要求學生能夠從復雜的數據或問題中提取共性或規律，并據此簡化問題。通過培養學生的模式識別能力，促使其能夠將問題歸類為已知問題類型，進而應用已有的解決方法。抽象化也是計算機思維中的核心特征之一，是指從具體事物中抽取本質信息，忽略不必要的細節，如在編寫程序時，抽象化的思維能夠幫助學生將現實世界的問題映射為計算機可以處理的模型，從而設計出簡潔而高效的解決方案。算法設計是計算機思維中最具技術性的部分，是指通過制定步驟明確、可執行的方案來解決特定問題。在高中計算機課程教學中，教師通過讓學生學習不同類型的算法，培養其解決問題的系統性思維。計算機思維中的自動化特點是指學生將人為的操作轉化為計算機程序的自動執行過程，以此提升任務的執行速度[3]。計算機思維中的每一個要素都對學生的邏輯思維和技術操作技能起著至關重要的作用，通過高中計算機課程讓學生在掌握計算機相關知識的同時，培養其嚴謹的計算思維。

三、計算機課程中培養學生計算思維的方法構建

（一）糾正計算思維錯誤認知，模塊劃分計算思維要素

在高中計算機課程中培養學生的“計算思維”，教師糾正學生對計算思維的錯誤認知是實現有效教學的前提。許多學生將計算思維簡單地等同于編程技能或算法設計，忽視其背后抽象、建模、問題分解與自動化等核心能力。為此，教師應首先通過案例分析和課堂討論，幫助學生厘清概念，在計算機課堂教學中引入生活中的實際問題，向學生詳細展示計算思維的應用場景，使學生認識到計算思維不僅是“寫代碼”，更是解決問題的一種思維方式。

教師需在教學過程中有針對性地識別學生的常見誤區，如認為“只有計算機專業的學生才需要計算思維”“編程出錯就是自己不具備計算思維”等，并通過引導式提問和反思活動糾正學生的片面認知。例如，在學生調試程序失敗時，教師可引導其回顧問題拆解是否合理、邏輯是否清晰，而非僅僅關注語法錯誤，從而幫助學生有順序、有結構地捋清思考路徑，增強學生面對復雜問題

的信心。

在此基礎上，教師還需將計算思維的核心要素進行模塊化劃分，以結構化方式呈現給學生，使其理解并掌握這一思維體系的組成部分及其相互關系。具體劃分結構如圖1所示。

圖1計算思維要素劃分結構圖

如圖1所示，教師需要將計算思維劃分為“問題抽象”“邏輯建模”“算法設計”“系統調試”和“結果優化”五大模塊。每個模塊對應不同的思維能力目標。其中，“問題抽象”要求學生能從復雜現象中提煉關鍵信息，明確問題核心；“邏輯建模”旨在讓學生依據抽象后的問題構建合理的邏輯框架；“算法設計”則讓學生依據模型設計解決問題的具體步驟；“系統調試”著重培養學生發現并修正錯誤的能力，且其存在反饋機制，能反向影響問題抽象等環節；“結果優化”促使學生對解決方案進行改進提升。在實際教學中，教師可圍繞這些模塊設計教學活動。例如，在為學生講解算法設計時，教師可結合問題抽象模塊，引導學生先準確提煉問題，再開展算法構思。在系統調試環節，教師可鼓勵學生依據反饋信息，重新審視問題抽象是否準確、邏輯建模是否合理等，以強化各模塊間的聯系。

通過模塊化教學，促使學生清晰把握計算思維各要素，理解其內在邏輯，助力學生逐步構建完整的計算思維體系，并最終將計算思維能力細化為可操作、可評估的若干模塊，有效提升高中生在計算機課程中發展計算思維的質量與深度。

（二）以程序編碼為切入點，穩固計算思維基礎知識

高中計算機課程中的編程模塊是計算思維最直接、最核心的應用。編程過程需要學生不斷地分解問題（把復雜問題拆解成小步驟）、識別模式（發現數據或問題的規律），以及設計算法（規劃解決問題的具體步驟）。編程實踐能讓學生真切地體驗和內化這些思維方法。教師在教學中以程序編碼為切人點，通過設計問題情境，安排結構化任務，使學生在實踐操作中不斷深化對算法、邏輯、抽象與系統建模等計算思維基礎知識的理解與掌握，從而有效實現對學生計算思維能力的培養目標。

在具體實施過程中，教師應先從學生熟悉的現實問題出發，引導其通過設計程序的方式進行建模與求解，從而初步認識算法邏輯和問題分解原理及做法。例如，教師在為學生講解循環結構時，可以引入“統計班級成績平均值\"的實際案例，讓學生動手編寫代碼、處理數據，從中體會抽象化、模式識別等計算思維要素。在此基礎上，教師可進一步引導學生分析不同實現方式的優劣，比較For循環與While循環的適用場景，強化其邏輯推理與優化意識。

為幫助學生鞏固計算思維的基礎知識，教師還需設計層次化的編程任務，確保學生能夠在由淺入深的練習中逐步構建系統化的認知結構。例如，在學習數組或列表時，教師可以引導學生從簡單的數據存儲操作入手，逐步過渡到排序、查找等典型算法。通過具體的編程活動，讓學生在掌握基本語法的同時，形成將復雜問題拆解為若干子問題并逐個擊破的思維方式。這種結構化解決問題的過程，正是計算思維的核心體現。

此外，教師還應注重在程序調試環節中培養學生的系統性思維和反思能力。當學生編寫的程序出現錯誤時，教師不應直接指出問題所在，而是引導其通過日志輸出、斷點調試等方式自主排查。這一過程能夠促使學生深入理解程序運行機制，增強其對問題因果關系的判斷力，進而加深學生對算法結構與邏輯關系的理解。與此同時，教師可通過組織開展小組協作編程活動，鼓勵學生在交流中不斷優化代碼結構，提升其協同解決問題的能力，進一步鞏固計算思維的基本素養。

（三）設計跨學科學習項目，應用計算機思維解決問題

在高中計算機課程中，培養學生的“計算思維”是提高其綜合能力的關鍵，而設計跨學科學習項目能夠將計算機科學與其他學科結合，讓學生在解決實際問題時，充分利用計算機思維進行思考和分析，從而提升其計算思維。教師在設計跨學科學習項目時，需要先確保項目本身具有學科的廣泛性和實踐性。例如，教師可以設計一個融合數學、物理和計算機課程的項目，帶領學生探討如何通過編程模擬物理現象的變化，并選取一個經典的物理問題，如模擬自由落體運動或電路中的電流變化，讓學生先分析物理現象，將連續的物理過程離散化，用時間步長更新物體的位置和速度，并建立數學模型。接著，引導學生討論如何用編程邏輯實現這個模型。教師可為學生選擇合適的編程語言，讓學生動手編寫代碼。

教師需要在設計項目時注重實踐性和合作性。例如，在計算機與生物學相結合的項目中，教師可以讓學生組成小組，每個小組成員負責不同的任務，如收集生物學實驗數據、設計算法模型、編寫程序，以及分析數據等。在這個過程中，需要學生將計算機思維應用于解決具體問題。計算機科學中的數據結構、算法分析等知識都能夠成為學生解決問題的工具。

在跨學科項目中，教師還應注重對學生的思維訓練，尤其是引導學生通過計算機思維進行問題的分解、抽象和模塊化。計算機思維的核心之一是“算法思維”，即用邏輯和步驟化的方式處理問題。在跨學科項目中，教師可以引導學生先從描述問題入手，再進行問題建模，以分析問題中的核心元素。例如，在計算機與地理學結合的項目中，教師可以設計任務，讓學生通過編程實現地理信息系統（GIS）的部分功能。在此項目中，學生需要根據不同的地理數據類型設計合適的數據結構，并運用算法處理、分析地理數據。在此過程中，學生不僅能學習到算法和數據結構，還能把計算機思維應用到更加復雜的現實問題中，培養其在復雜情境下的思考能力和解決問題的能力。

在項目結束后，教師可以組織學生進行項目總結，讓學生分析在項目中應用計算機思維的具體過程，討論在解決問題時遇到的困難和挑戰，以及如何通過計算機思維克服這些困難。教師還可以引導學生討論在跨學科合作中，計算機思維是如何與其他學科的知識相結合，通過反思提升學生將計算機思維應用到其他領域的能力。在設計并實施跨學科學習項目的過程中，教師的角色是引導學生在實踐中發現問題、應用方法，并不斷反思和總結，從而培養學生的計算思維。

（四）設置計算思維評估標準，動態檢視課程教學效果

在培養學生“計算思維”的過程中，設置科學合理的計算思維評估標準，并通過其動態檢視課程教學效果，是推動教學改進、實現目標導向的重要環節。教師在設置評估標準時，應先依據計算思維的核心要素問題抽象、建模能力、算法設計、邏輯推理與調試優化，構建一個可操作、可量化的評價體系。并結合《普通高中信息技術課程標準》中的相關要求，圍繞學生在項目實踐、課堂任務、編程練習和問題解決過程中的表現，制定出分層次、多維度的評估指標。同時，教師還需將這些核心能力細化為具體的可觀測行為或成果指標。例如，在具體的編程任務中，教師可以從輸入輸出處理、變量命名規范性、控制結構使用合理性、代碼優化程度，以及程序運行結果的正確性等多個方面設立評分項，每一項賦予相應權重，并劃分不同等級的表現描述，讓評估不僅有據可依，也便于學生理解自身所處的發展階段。

在此基礎上，教師需將這些評估標準嵌人日常教學活動，通過形成性評價的方式持續收集學生的學習數據：包括但不限于課堂觀察記錄、階段性小測驗、小組項目匯報、學習日志撰寫等多元方式。教師可以借助數字化平臺（學習管理系統）自動采集學生在完成任務過程中的行為軌跡，如調試次數、修改頻率、協作互動情況等，作為評估其計算思維發展水平的重要參考。

最終，通過定期匯總分析學生的學習數據，教師能夠動態掌握整個班級及個體學生的計算思維發展狀況，識別教學中的薄弱環節和學生的共性問題。如果多數學生在某次任務中表現出建模能力不足的情況，則說明該模塊的教學設計可能存在不足，須及時調整教學策略。同時，教師還可根據學生的進步趨勢，反思課程內容安排、教學方法的有效性，并據此優化后續教學方案，從而實現“以評促教、以評促學”的良性循環。這種基于評估標準的動態檢視機制，不僅能夠提升計算機教學的針對性和實效性，也能夠為高中計算機課程中系統化培養學生的計算思維提供堅實的保障。

四、結束語

本文主要研究了高中計算機教育中培養學生計算思維的有效途徑，強調并利用計算思維的關鍵特征，構建了一套教學實踐體系，逐步內化計算思維的培養過程同時，計算思維作為面向未來的核心素養，其培養路徑遠不止于計算機課堂。展望未來，研究人員可繼續探索如何利用人工智能技術，開發能夠智能診斷學生思維障礙、提供個性化學習路徑的輔助教學系統，推動高中計算機課程教學向智能化方向變革。

作者單位：唐玉琴甘肅省文縣第一中學

參考文獻

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[3]岳佳欣，李輝.計算機應用技術專業專本銜接人才培養方案的設計與實踐[J].現代職業教育，2024，（1）：58-61.