計算思維培養視角下項目式學習實證研究

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 論文編號：1674—2117（2025）20-0098-05

計算思維是一種可以靈活運用計算工具和方法求解問題的思想方法或思維活動，它的價值不僅體現在能有效地克服知識鴻溝、搭建跨學科的對話橋梁上，更為重要的是它對促進人的整體發展和終身發展，具有不可替代的重要作用。]

由于信息技術學科長期的“工具屬性”定位，其對學生未來發展的奠基作用始終面臨質疑。計算思維概念的興起使該學科得以擺脫“工具”標簽，明確自身在促進學生終身成長及推動社會發展方面的獨特價值。然而，在當前的信息技術教學中，計算思維培養仍存在很多問題。項目式學習因其問題解決、情境創設等的思想與核心素養的發展需求相契合而成為核心素養得以在學科教材設計中有效落實的重要載體和發展路徑。因此，本研究旨在通過將量化分析與質性觀察相結合，驗證項目式學習對高中生計算思維培養的有效性，進而促進信息技術課程從知識傳授向核心素養培育的教學范式轉型。

研究背景

1.計算思維培養

世界各國政府及教育部門都非常重視對中小學階段學生計算思維能力的培養。美國自2016年起將編程納入K-12課程體系，推行“全民計算機科學”計劃，并將計算思維深度融入STEM教育。自2014年起，英國將編程設為5～16歲學生的必修課，以動畫設計等實踐項目取代傳統ICT課程，同步強化數學基礎，并計劃將數學教育延至18歲，構建計算思維培養體系。我國于2017年將計算思維納入《普通高中信息技術課程標準（2017年版》的核心素養，而《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的全面實施，促使了全學段貫通式計算思維培養模式的形成。

2.基于項目式學習的計算思維培養

項目式學習（PBL）基于建構主義認知框架，驅動學生在具身化的任務情境中主動建構知識體系，從而提升學生的多元能力。3項目式學習是培養學生計算思維的重要途徑4，但當前研究大多針對某一課程內容的單課時或少數課時開展“淺嘗輒止”的探索，針對高中信息技術課程特定模塊，從項目式學習模式、實施策略層面進行系統研究的成果較少，對學生計算思維情感態度維度的培養更是很少關注。

計算思維培養視角下項目式學習模式的構建

本研究采納CSTA和ISTE的部分觀點，將計算思維分為計算思維技能和計算思維態度兩個維度。[s]在制訂計算思維技能評估標準時，參照《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）確立的五大核心要素，即分解、抽象、算法、評估與概括。在確定計算思維態度指標時則采納了陳興冶提出的兩個二級指標，即情感態度和合作學習。

探究項目式學習（PBL）提升計算思維的實踐路徑，需兼顧計算思維技能和計算思維態度雙重維度來設計教學框架。本研究以計算思維培養為切入點，重新考慮項自式學習的實施步驟，在建構主義學習理論與多元認知理論的指導下，選擇“數據與計算”作為具體內容模塊，構建面向計算思維培養的高中信息技術課程項目式學習模式（CTPBL），具體結構如右圖所示。

1.項目啟動

項目啟動是項目式學習實施的基礎與保障，具體包括創設項目情境、確定項目問題、分析項目問題三個部分。

創設項目情境：聚焦學生興趣切入點，選取前沿科技熱點或校園生活實際需求，創設具備探究吸引力的問題情境。

確定項目問題：從具體情境中提煉兼具學科培養目標與探究價值的核心議題，將學生興趣轉化為明確的研究方向。

分析項目問題：梳理學科知識體系中與問題相關的概念原理及邏輯關聯，在此基礎上逐步引導學生明晰問題內涵、識別難點瓶頸、探索解決路徑。同時，需評估項目實施的現實條件，包括技術路線的可行性論證與資源配置的合理性分析。通過系統性分析過程，促使學生將零散認知整合成結構化解決方案，實現從經驗性思考向科學性思維的轉變，為項目落地實施提供方法論支撐。

2.項目實施

項目實施作為項目式學習的核心環節，涵蓋構建數學模型、算法設計與算法實現三個關鍵步驟。在網絡環境支撐下，師生依托網絡學習平臺，整合協作交流工具、多元學習資源及認知工具等信息化學習載體，開展項目式學習的具體探究實踐。

構建數學模型：學生運用數學方法剖析實際問題的數據關聯，通過公式推導、圖表繪制等方式，將復雜問題抽象為數學表達式。

算法設計：學生基于數學模型規劃清晰的解題流程，明確數據輸入、處理及輸出的全流程邏輯，并選用適宜的數據處理方法。在算法制訂的過程中，學生既要遵循邏輯規則，又需考量算法的適用性與執行效率，通過持續優化方案提升邏輯推理與創新思維能力。

算法實現：將設計完成的算法轉化為計算機可執行的代碼。學生在完成程序編寫后，需通過反復測試調試，檢驗程序運行的準確性，排查并修正代碼錯誤。

3.項目總結

項目總結階段主要包含交流評價與算法遷移應用兩大核心內容。

交流評價：在項目式學習模式下，評價體系的構建需秉持多元主體協同參與、評價內容全面綜合、標準設定科學合理、方法手段豐富多樣的準則，依托師生互評與生生互評機制推進實施。在項目展示階段，學生需系統闡釋項目設計思路、算法構建邏輯及問題解決路徑，而在互評環節中，學生可以從算法執行效率、代碼規范性等專業維度提出改進建議。

算法遷移：要求學生探究項目算法在跨場景問題解決中的適用性，如將特定數據處理算法遷移至不同應用場景。通過對比分析問題的共性特征與個性差異，提煉算法的通用邏輯框架，突破思維定式束縛，實現計算思維從單一項目場景向多元應用場景的遷移拓展，切實提升解決復雜實際問題的能力素養。

研究設計

1.研究問題及對象

筆者選取所在學校高一年級兩個平行班級作為研究對象。實驗前測數據表明，兩組學生在計算思維初始水平上未呈現顯著差異（Sig=0.817gt;0.05） 。

2.教學內容

將“數據與計算”模塊中的8個項目主題作為本研究的載體，課程內容分為概念學習、項目創作以及綜合運用三種類型，學習進度遵循課程內容由易及難的原則加以安排。

3.評價工具

本研究采用陳興冶團隊構建的本土化計算思維評估框架。該框架包含態度與技能兩大核心維度：態度維度下分解為情感態度、合作學習兩個二級指標，并包含更為具體的8個關鍵指標；技能體系包含五類核心子維度，共映射至15項關鍵能力要素。量表總計36題，采用Likert五級計分法。被試者依據與題項陳述的契合程度，在“非常符合\"（5分）至\"非常不符\"（1分）間選擇評分，其中反向表述題目實行分值倒置。

為檢驗量表在高中生群體中的測量效能，本研究系統評估其信度與效度指標。量表通過在線平臺發放，由教師統一組織學生現場填寫，最終回收有效問卷366份（剔除無效數據后有效率 98.4% 。采用IBMSPSSStatistics26.0對量表數據進行統計處理。

（1）量表信度分析

針對量表23項核心指標進行內部一致性檢驗，獲得Cronbach'sa 系數0.873，該數值超越0.8基準值，表明整體測量工具具備優良信度水平。分層檢驗顯示：計算思維態度維度（涵蓋7指標） a 系數為0.791，雖未達0.8標準但仍高于0.7臨界值；技能維度（含16指標）α 值達0.892，符合優良信度要求。深入分析計算思維體系的7個二級指標，情感態度 （α=0.76） 與評估L α_?α_?α_?α_?α_? 信度略低于基準，其余5個二級指標 a 值均高于0.81。數據表明，全部因子內部一致性處于可靠區間，證實本研究數據信度質量符合學術規范。

（2）量表效度分析

針對計算思維量表的效度檢驗，分析顯示其KMO統計量達到0.918，Bartlett球形檢驗的顯著性水平為0.000。學術研究中普遍接受的標準是KMO值若超過0.7，則證實因子分析具備適用性且結論可靠。上述結果清晰地反映了該量表優良的結構效度。

4.實驗流程

實驗流程主要分為計算思維前測、教學實踐、計算思維后測三個階段。

計算思維前測：在正式課程開始前，對高一樣本學生的計算思維水平進行測試（計算思維試卷A卷），采用數據統計方法對問卷調查結果進行分析，發現當前信息技術教學存在的問題、現階段學生計算思維的水平，并選擇初始水平相當的兩組學生進行后續的教學實踐。

教學實踐：實驗組和對照組的學生分別參與16課時，實驗組采用CTPBL教學模式進行教學，對照組采用傳統的教學模式進行教學。實驗組和對照組均由同一名教師授課，且講授內容相同，以算法的三種基本結構為主。

計算思維后測：實驗組和對照組的學生作答計算思維試卷B卷。

研究結果

1.實驗組和對照組計算思維前測結果比較

對實驗組和對照組學生的計算思維前測成績進行獨立樣本t檢驗。統計數據顯示，實驗組與對照組在計算思維整體能力、技能掌握度、態度傾向及各子維度上均未呈現顯著區別 （pgt;0.05 。該結果證實在教學干預實施前，兩班學生計算思維能力基本上處于同一水平，為后續實驗控制提供有效保障。

2.實驗組和對照組計算思維后測結果比較

使用量表測量工具分別對實驗組和對照組實施后測評估，同步獲取雙組受試者的計算思維能力標準化數據。通過配比分析前測與后測數據，生成計算思維及各級指標能力發展增量指標（如右表）。可以看出實驗組在計算思維相關的7個二級指標、總分方面的增幅明顯高于對照組。

為了進一步檢驗實驗的效果，利用SPSS對實驗后測結果進行獨立樣本t檢驗。結果顯示，計算思維技能水平 Sig=0.032lt;0.05 計算思維態度水平Si g=0.017lt;0.05 計算思維總體水平Si g=0.025lt;0.05 表明實驗組與對照組后測結果呈現統計顯著區別。該證據證實，CTPBL教學模式顯著促進了學生計算思維能力的有效發展。

研究結論與建議

1.研究結論

本研究以實證方法驗證了CTPBL教學模式能夠顯著提升學生概括、分解、算法設計等核心計算思維能力。這種通過創設真實問題情境，引導學生以“問題解決者”“方案設計者”的角色深度參與學習過程的教學模式，高度契合了新課標中關于核心素養培育的要求，打破了傳統教學中知識碎片化、學習被動化的局限，是推動信息技術課程從“知識本位”向“素養導向”轉型的有效路徑。

2.建議

① 以學生興趣為出發點設計項目。教師應通過問卷、課堂交流等方式了解學生興趣，并將其融入項目主題與目標設定中，以增強學生參與的積極性，讓學生在感興趣的情境中主動運用計算思維解決問題。

② 精準調控項目任務難度。依據學生知識基礎與能力差異，設計分層任務，為基礎薄弱學生提供更多引導與支持，為學有余力學生設置拓展挑戰，確保各層次學生都能在“最近發展區”內獲得提升。

③ 構建完善的教學評價體系。突破單一結果評價，強化過程性評價，關注學生在項目規劃、協作、問題解決中的思維表現；采用多元化評價主體，結合學生自評、互評與教師評價，全面反饋學習情況；細化計算思維各維度評價指標，使評價更具客觀性與指導性，真正實現以評促學、以評促教。

④ 深化項目式學習實踐，將項目式學習作為信息技術課程改革的核心策略，摒棄“點綴式”“表演式”的應用方式，使其成為課堂常態。在教學內容設計上，積極探索跨學科融合路徑。

參考文獻：

[1范文翔，張一春，李藝.國內外計算思維研究與發展綜述[J.遠程教育雜志，2018，36（02）.3-17.

[2]曲茜茜，解月光，王海.高中信息技術學科教材“三重結構”及課堂實施建議[J].課程·教材·教法，2018，38（12）111-116.

[3]張文蘭，張思琦，林君芬，等.網絡環境下基于課程重構理念的項目式學習設計與實踐研究[J].電化教育研究，2016（02）：38-45.

[4]余燕芳，李藝.基于計算思維的項目式學習課程構建與應用研究——以高中信息技術課程《人工智能初步》為例[J.遠程教育雜志，2020，38（01）.95-103.

[5]陳興冶，馬穎瑩.本土化計算思維評價指標體系的構建與探索——基于1410名高中生的樣本分析與驗證[J.遠程教育雜志，2020，38（05）：70—80.

[中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂S].北京：人民教育出版社，2020.

[7]陳興冶.基于認知發展的高中計算思維教學M.上海：上海教育出版社，2021.e