培養計算思維的高中信息技術校本課程研究*

曹曉明 安 娜

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培養計算思維的高中信息技術校本課程研究*

曹曉明1安 娜2

（1．深圳大學 師范學院，廣東深圳 518061；2．深圳市布吉高級中學，廣東深圳 518123）

計算思維是高中信息技術課程的四大學科核心素養之一。文章首先從分析計算思維的內涵出發，對計算思維進行了維度解析并構建了計算思維邏輯框架；在此基礎上，文章提出了高中階段計算思維的培養路徑——研發培養計算思維的信息技術校本課程。隨后，文章介紹了培養計算思維的高中信息技術校本課程的設計與開發過程。最后，文章闡述了校本課程的教學流程，分析了該流程中計算思維在解決問題環節的應用情況，并展示了相關的實踐成果。文章的研究為計算思維在高中階段的實施提供了一個系統化的完整案例，有助于深化培養學生計算思維的研究，并推動高中信息技術教學改革實踐的深入開展。

計算思維；校本課程；信息技術；人工智能；App Inventor

近年來，信息技術教育的一個重要發展趨勢是從關注信息技術相關操作技能的培養，向關注學生的計算思維轉變。2013年，英國教育部將原有的國家課程“信息通信技術（Information and Communications Technology，ICT）”更名為“計算（Computing）”課程——該課程與傳統信息通信技術課程的最大區別，就是課程目標被確定為讓學生使用計算思維和創造力來理解并改變世界[1]。2016年，美國政府宣布了一項名為“為了全體學生的計算機科學（Computer Science for All）”的新計劃，明確指出從幼兒園到高中的所有美國學生都需要掌握計算思維（Computational Thinking）技能[2]。我國也高度重視計算思維的培養，如《高中信息技術課程標準修訂稿（2016年版）》明確將計算思維界定為高中信息技術學科的核心素養要素[3]，《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》則要求設置數據與數據結構、人工智能初步等同計算思維培養緊密相關的課程模塊，計算思維被賦予了落實“人工智能+教育”目標的使命。如何在顯性的課程教材中植入隱性的計算思維培養目標，將計算思維方法貫穿于教學內容、教學手段、教學設計等各教學環節，使學生認識并理解計算思維的內涵，具備計算思維的意識，掌握計算思維的方法和技能，最終將計算思維應用到未來的創新和創造當中，是當前高中信息技術課程的重點和難點。

一 高中階段計算思維培養的邏輯起點

1 計算思維的內涵

2006年，周以真對計算思維進行了如下定義：“計算思維是指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之廣度的一系列思維活動。”[4]。2011年，美國國際教育技術協會（International Society for Technology in Education，ISTE）和計算機科學教師協會（Computer Science Teachers Association，CSTA）共同提出了計算思維的操作性定義：計算思維是一個問題解決過程，涉及問題的闡述，數據的組織、分析和呈現，解決方案的制訂、識別、分析和實施以及問題解決過程的遷移[5]。計算思維訓練不是簡單的知識學習或技能練習，而重在發展學習者的認知結構[6]。以上定義說明計算思維是一種思維習慣和思維品質，依附于問題解決過程，強調抽象概括能力和邏輯思辨能力。通過對已有文獻綜述和當前課程教學目標的分析，本研究將高中階段計算思維分為九個維度來表述。

表1 計算思維九個維度的表述

2 高中階段培養學生計算思維的生理基礎

高中生的獨立性和抽象概括能力日益增強[7]，并且思維水平已達到一定高度，具有了向高階思維發展的潛力，辯證邏輯思維也日趨發展。因此可以說，高中生已初具計算思維的主要思維品質，這為計算思維的培養奠定了基礎，高中階段也因而成為了培養計算思維的最佳時機。

3 高中階段培養學生計算思維的課程基礎

當前，高中課程教材仍然較多沿用以通用信息技術的普及、通用程序語言的普及為重點的傳統課程體系，而在學生計算思維的培養方面呈現碎片化特征，缺少體系化的支持，迫切需要更新課程，《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》就明確提出要“在中小學階段設置人工智能相關課程”。而如何在信息技術教學中滲透人工智能教育，展示人工智能的應用場景，為學生奠定人工智能的相關基礎，促使學生具備數字化時代的創新素養，成為了當前信息技術課程的重要挑戰。計算思維已成為信息教學法創新的重要切入點[8]，特別是在人工智能教育新時代，計算思維作為人工智能的基礎思維的重要性日益凸顯。

二 高中階段的計算思維邏輯框架與培養路徑

1 計算思維邏輯框架

人類思維的基本形式包括具體形象思維、抽象邏輯思維、聚合思維、發散思維、常規思維、創造思維等。思維是一個動態、迭代的過程，因此計算思維的表征不應是扁平的，需要對計算思維特征要素間的關聯、關系進行動態描述。通過對計算思維進行問題解決的動態分解，并將其融入高中信息技術課程，本研究構建了一個立體的、網狀的計算思維邏輯框架，如圖1所示。

圖1 計算思維邏輯框架

在計算思維邏輯框架中，高中信息技術課程以大概念作為整個框架的最底層，此學科概念層重在讓學生掌握數據、算法、信息系統、信息社會等關鍵學科知識，為高階思維（特別是計算思維）的形成打好基礎。計算思維層按照問題分析、問題解決、問題評估的流程，突出培養計算思維的九個維度（如表1所示），使計算思維的培養更加具象化，讓學生學會運用計算思維識別與分析問題，對問題進行抽象、建模，進而設計系統性的解決方案。創造應用層是計算思維的進一步升華，在具體的問題情境中，引導學生提出創新的觀點與解決方案，可從“老問題+新方法”、“新問題+老方法”、“新問題+新方法”三個角度引導學生運用計算思維創造性地解決問題，將計算思維上升到創新思維。

2 高中階段計算思維的培養路徑

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》明確指出，信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任是信息技術課程的四大核心素養，凸顯了計算思維的重要性。課程是落實計算思維的重要路徑。在新課標中，課程結構含必修、選擇性必修和選修三類課程共10個模塊：①必修課程含數據與計算、信息系統與社會2個模塊，計3學分、54學時；②選擇性必修課程含數據與數據結構、網絡基礎、數據管理與分析、人工智能初步、三維設計與創意、開源硬件項目設計6個模塊，計36個學時；③選修課程包括算法初步和移動應用設計2個模塊[9]。由此可見，高中階段信息技術教學從課程內容的廣度與深度都得到了加強，對應的教學任務和學習任務也都大幅增加，但與之相矛盾的是課時容量有限（必修課總學時僅90學時）。由于高中階段課時量的限制，使得高中階段計算思維的培養難以像大學階段那樣通過體系化、序列化的課程群系統地展開，需要在有限的課程容量與時間周期里落實計算思維培養的目標，因而研發培養計算思維的信息技術校本課程成為了高中階段計算思維培養的重要路徑。

三 培養計算思維的高中信息技術校本課程的設計

考慮到高中階段的信息技術教學特點，本研究認為思維培養類課程應優先于基礎知識與能力課程的開展、綜合類課程應優先于獨立專項課程的開展、貼近實際的創新性問題應優先于傳統算法問題的解決。為此，如何選擇適當的教學載體便成了亟待解決的問題——這種載體要兼顧綜合性、先進性、移動性與智能性，能滿足當前移動應用、智能應用、物聯應用的工業4.0大背景，能支持課程的容量要求；同時，需降低繁冗的語法與復雜的編程限制，以滿足課時量有限的要求。綜合考慮這些因素，本研究將App Inventor作為計算思維培養的載體——它采用Android編程環境，可以在手機、平板等智能移動設備上使用，對移動學習的支持力度大；設計開發出的程序或趣味小游戲貼近現實世界，易外顯和分享，有利于調動學生的學習興趣和創作積極性，使學生獲得學習成就感。在此基礎上，本研究進行了培養計算思維的高中信息技術校本課程的設計，具體如下：

1 課程目標設計

由于培養計算思維的高中信息技術校本課程的實施對象是尚未普遍具備編程基礎的高中學生，故需要通過問題驅動教學、項目式學習、創造性問題解決等教學方式，引導學生主動思考與解決問題，培養計算思維意識、掌握計算思維方法、提升計算思維能力，并依托計算思維發展高階的創新思維。

2 課程內容框架設計

按照一學期36學時的課程容量，培養計算思維的高中信息技術校本課程可分為基礎篇、組件應用篇和游戲開發篇三個核心部分，另外還包含App Inventor入門、App Inventor工具箱等兩個輔助部分，其內容框架設計如圖2所示。按照該課程內容框架設計，每個部分又包含若干項目，而每個項目的內容設計又包括學習目標、任務描述、界面設計、組件清單及屬性設置、素材清單、認識代碼塊、語法要點、自我實踐等八個子模塊。

圖2 校本課程的內容框架設計

3 評價策略的設計

程序設計開發是一個復雜且漫長的項目化過程，評價維度包括創意構想能力、資源搜集能力、程序開發能力、計算思維能力、合作交流能力等。其中，計算思維能力的評價是重點，應圍繞作品的分享，通過班級分享、小組分享、頭腦風暴、項目競賽等具體策略，引導學生解構計算思維的形成過程，促進思維的碰撞，提煉思維中的閃光點，并針對思維的難點答疑解惑。

四 培養計算思維的高中信息技術校本課程的開發

1 紙質教材的編寫

教材是校本課程的核心教學材料，教材的教學單元按項目展開；項目的選擇以生活化實用App和趣味游戲App為主，項目的排列由淺入深、由易到難，且盡量多地涵蓋新課標中各模塊內容的要求；從多個維度綜合培養學生的計算思維，教學內容按螺旋式排列；組件屬性、算法思想和語塊設計可重復出現，讓學生通過反復練習不斷提高。校本課程的教材項目設置及其對應的計算思維維度如表2所示。

表2 校本課程的教材項目設置及其對應的計算思維維度

2 學習環境創設與數字資源開發

項目化的程序設計需要項目化的學習管理平臺，以支持項目的過程化管理與評價，并為學生計算思維的拓展和提升創造條件。為此，培養計算思維的高中信息技術校本課程部署了專門的數字化學習系統，可為學生提供項目資源、微課視頻、項目素材、評價量表、作品分享等支持，擴展學習的時間和空間。此外，每個項目都有配套的微視頻，便于學生進行課前、課后自主學習；項目素材包涵蓋視頻、音頻、音效、圖片等，也存放于項目化學習管理平臺上。

五 培養計算思維的高中信息技術校本課程的實施

1 校本課程的教學流程

基于上述培養計算思維的高中信息技術校本課程的設計與開發，本研究綜合教學的實施過程與計算思維的培養過程，設計了校本課程的教學流程，如圖3所示。其中，計算思維的培養主要集中于解決問題環節，具體表現為：首先，學生運用抽象思維，對問題進行抽象、約簡和分解；然后，學生運用遞歸思維對問題進行推理，再應用工程思維制定可行方案；最后，利用建模、仿真、數據分析等方式對可行方案進行評估，此過程運用了模型思維、仿真思維和數據思維——如有問題，則回到問題推理步驟，直至評估正常。在解決問題的過程中，學生還要綜合考慮各項資源，如網絡資源、圖片、視頻、聲音等，這需要運用組織思維對這些資源進行加工、整合；同時，也要配合使用各種軟、硬件，以進行App的開發，故需運用信息加工思維。

圖3 校本課程的教學流程

2 校本課程的實踐成果

本研究選取廣東省B高中的三個班級進行了信息技術校本課程的教學實踐，其中先鋒班學生有51名，重點班有52名，平行班有50名。該教學實踐共進行了兩輪，取得了一定的實踐成果：①在作品生成方面，學生以小組形式自定主題開發程序，教師對作品進行評價，以此判斷學生計算思維能力的提升情況；教師的評價顯示，學生的作品較好地體現了計算思維的各個維度，并且相較于校本課程學習之前，學生的計算思維能力提升明顯。②在訪談方面，本研究與3名在學習任務完成、自主學習管理和計算思維評分方面均有顯著差異的學生代表進行了訪談，他們紛紛表示參加校本課程學習后對計算思維有了深刻認識，能從計算思維的角度嘗試著去分析、解決生活中的典型問題。③在考核測評方面，本研究設置了兩項前后測試任務，要求學生在規定的時間內完成；統計結果顯示，先鋒班前后測的完成率分別為82%、100%，重點班分別為78.8%、92.3%，而平行班分別為64.8%、83.3%，明顯可以看出后測的完成率要高于前測，這說明參加校本課程學習之后，不同層次班級的學生均在一定程度上提升了計算思維能力。

六 結語

在“人工智能+教育”的大背景下，作為人工智能基礎思維的計算思維的重要性日益凸顯。如何在信息技術教學中滲透人工智能教育，展示人工智能的應用場景，使學生具備數字化時代的創新素養，是當前信息技術課程必須應對的新挑戰。而將計算思維融入高中信息技術教學，引導學生樹立計算思維意識、掌握計算思維方法、提高計算思維能力，從計算思維的角度去分析和解決問題，具有較大的可行性。基于此，本研究介紹了培養計算思維的高中信息技術校本課程的設計與開發過程，闡述了校本課程的教學流程。后續研究將關注建立計算思維和創新思維之間的連接，融入更多適合高中階段的項目（如智能硬件、智能機器人和其它新媒體新技術驅動的創客項目等），并利用基于腦電波傳感器的新媒體和新技術，迭代更新包括“腦控”等在內的新項目，以進一步提升學生的計算思維，推動信息技術與課程教學的深度融合。

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Research on the School-based Curriculum of Information Technology in Senior High School Oriented to Cultivating Computational Thinking

CAO Xiao-ming1AN Na2

Computational thinking is one of the four core subject competences of information technology courses in senior high school. Starting from the analysis of the computational thinking connotation, this paper analyzed the dimensions of the computational thinking and constructed the logical framework of the computational thinking. On this basis, the training path of the computational thinking in senior high school that developing the school-based information technology curriculum oriented to cultivating computational thinking was proposed. Then, the design and development process of the school-based information technology curriculum in senior high school oriented to cultivating computational thinking was introduced. Finally, the teaching process of the school-based curriculum was expounded, the application situation of the computational thinking in the problem-solving link during the process was analyzed, and the relevant practice results were exhibited. The study of this paper provided a systematically complete case for the implementation of the computational thinking in senior high school stage, which helped to deepen the research of students’ computational thinking training and promoted the in-depth implementation of the reform practice of information technology teaching in senior high school.

computational thinking; school-based curriculum; information technology; artificial intelligence; App Inventor

G40-057

A

1009—8097（2018）07—0106—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.07.016

本文為2013年度教育部人文社會科學研究青年基金項目“腦機交互技術支持下的兒童教育游戲及其有效應用研究”（項目編號：13YJC880001）、廣東省教育科學“十三五”規劃課題項目“面向協同建構的情境式德育教育游戲及其應用研究”(項目編號：2017JKDY43)的階段性研究成果

曹曉明，副教授，博士，研究方向為計算機支持的個性化學習與虛擬現實技術，郵箱為tocxm@163.com。

2017年12月18日

編輯：小米