基于計算思維能力培養(yǎng)的單元教學設計

張翠紅

摘要：計算思維已成為21世紀人才必備的心智素養(yǎng)，是職業(yè)學校信息技術課程學科核心素養(yǎng)之一。如何在信息技術課程中培養(yǎng)學生的計算思維，這要求教師進行課程單元教學設計，實現(xiàn)教學設計與核心素養(yǎng)目標的有效對接。本文以職業(yè)學?！靶畔⒓夹g”課程程序設計模塊為例，探討基于計算思維能力培養(yǎng)的課程單元教學設計原則和方法，旨在促進職業(yè)學校學生計算思維能力的發(fā)展。

關鍵詞：計算思維;信息技術課程;教學設計

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9094-（2019）11C-0066-06

《中等職業(yè)學校信息技術課程標準》提出，中職信息技術課程學科核心素養(yǎng)主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任四個方面。其中發(fā)展計算思維是關鍵，為了做好學科育人，通過信息技術課程培養(yǎng)學生的計算思維，本文圍繞計算思維的培養(yǎng)，從教學單元目標確定、教學單元內(nèi)容組織、學習過程設計、評價反思等維度進行課程大單元教學設計，旨在為同行提供借鑒。

一、計算思維的定義和核心要素

計算思維實質(zhì)上是問題解決過程，國際教育技術協(xié)會和計算機科學教師協(xié)會給出了一個操作性定義[1]，包括以下六步驟：制定問題、邏輯化組織和分析數(shù)據(jù)、抽象、支持自動化解決方案、實施可能的方案、推廣和遷移。計算思維的核心技能包括抽象與概括、問題分解、算法思維、分析建模、系統(tǒng)化（自動化）、數(shù)據(jù)實踐、評估與改進。

《中職信息技術課程標準（征求意見稿）》中“計算思維”這一學科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，是指個體綜合運用信息技術，分析處理信息，找尋蘊含規(guī)律并解決具體問題的思維活動。[2]包括以下三個方面：學生能夠運用所學知識和技能，采用信息技術可以處理的方式界定職業(yè)崗位和日常生活中遇到的問題，抽象問題特征，以可視化等方式組織呈現(xiàn)信息;熟練使用信息技術工具，結合所學專業(yè)，分析和處理信息，形成生產(chǎn)、生活情境中的融合應用解決方案;總結信息技術應用的方法與技巧，遷移到不同類型問題的解決過程中。

二、單元化整體設計：計算思維培養(yǎng)的必然要求

（一）課程有效承載核心素養(yǎng)的要求

如何將學生發(fā)展核心素養(yǎng)真正落實到學科教學中，從知識點的學習轉變?yōu)楹诵乃仞B(yǎng)的關鍵能力、必備品格與價值觀念的培育，這對教師的教學提出了更高的要求。計算思維是信息技術學科新一輪課程改革的主線，是學科素養(yǎng)的核心，計算思維能力的培養(yǎng)是信息技術課程承載的重要使命。為了確保課程能有效承載培養(yǎng)計算思維能力的要求，教師有必要對教學資源進行二次開發(fā)。

（二）計算思維發(fā)展對課程設計的要求

中職的信息技術課程包括基礎模塊和拓展模塊，基礎模塊是各專業(yè)學生必修的基礎性內(nèi)容;拓展模塊為學生專業(yè)學習和職業(yè)發(fā)展服務?！靶畔⒓夹g”課程要和不同專業(yè)結合起來，要把和職場結合的問題、項目納入教學。

根據(jù)課程標準確定的8個基礎模塊，對應進行8個單元的教學設計，這里每個單元是指向核心素養(yǎng)的結構化的整體，倡導大項目設計，讓教師理解學科育人的本質(zhì)，確立以“學習者為中心”的觀念，出發(fā)點不僅僅是知識點和技能點。單元大項目由若干學習項目組成，學習項目由學習目標、情境、任務、知識點等構成。

根據(jù)課標的內(nèi)容標準及核心素養(yǎng)要求，將相關的知識或內(nèi)容結構化，進行整體化的單元教學設計，選擇適當?shù)膯栴}、情境、活動，從簡單到復雜，從單一到綜合，從封閉問題到開放問題，在系統(tǒng)的學習過程中實現(xiàn)對學生從基礎知識的掌握到抽象概括、系統(tǒng)化解決問題等維度的計算思維能力培養(yǎng)。如“數(shù)據(jù)處理”單元模塊，設計了4個學習項目：管理我的零用錢、員工工資數(shù)據(jù)統(tǒng)計表、分析班級學期成績、生活中的大數(shù)據(jù)。在此單元整體設計中，從單一、封閉的問題，如項目1中計算零用錢支出值，創(chuàng)建零用錢支出情況圖表，到綜合、半開放問題，如項目3中根據(jù)業(yè)務需要能應用合適的函數(shù)及簡單程序進行較復雜的運算，并對數(shù)據(jù)進行可視化呈現(xiàn)，到復雜、開放性的問題，如項目4要求能根據(jù)自身專業(yè)的職業(yè)崗位需求，設計簡單的數(shù)據(jù)分析方案，診斷實際工作中的問題，能根據(jù)分析結果完成簡單預測。單元化整體設計使學生系統(tǒng)化解決問題能力得到提升，使計算思維的培養(yǎng)真正落實到課程。

三、基于計算思維能力培養(yǎng)的教學單元設計

基于計算思維的教學設計，需要按單元設計專業(yè)的學習方案。在傳統(tǒng)的教學過程設計中，教師大都強調(diào)自己要做什么，而不是學生在做什么，很少基于學生的立場。以下從研制單元與項目的學習目標、選擇與組織教學單元的學習內(nèi)容、設計學習過程、設計評價任務和課后反思等幾個方面探討如何設計新的學習方案。

（一）研制單元及項目的學習目標

設計單元教學的學習方案首先要研制單元及項目的學習目標。要把單元目標說清楚，即此單元要解決什么問題，學生能學會什么，得到哪些能力的提升。確立“以學習者為中心”的觀念，目標主體必須指向?qū)W生，根據(jù)學科核心素養(yǎng)、課程目標及學業(yè)水平要求，研制單元學習目標;每個單元，由若干個學習項目構成，如何在單元目標的基礎上，設計每個學習項目的學習目標？每個項目的目標體系須盡可能抵達學科核心素養(yǎng)點，用“能在什么條件下，做什么事，達到什么程度”的表現(xiàn)性陳述方式。

案例：研制“程序設計”模塊單元及項目的學習目標?！俺绦蛟O計”模塊大單元，基礎模塊部分由繪制圖形圖表、編寫益智游戲、面向?qū)ο蟪绦蜷_發(fā)三個學習項目構成，拓展模塊學習項目是設計一個業(yè)務系統(tǒng)。

1.研制單元學習目標。根據(jù)《中等職業(yè)學校信息技術課程標準》中學科核心素養(yǎng)、課程目標及學業(yè)水平要求，將程序設計模塊單元學習目標確定為：通過學習，引導學生了解程序設計的基礎知識和一般流程，初步掌握程序設計工具和程序設計語言的應用方法，培養(yǎng)學生基于程序設計理念的思維習慣;培養(yǎng)學生基于程序設計理念思考解決問題的能力，并遷移到網(wǎng)絡管理、數(shù)據(jù)處理、圖文編輯、人工智能等應用情境中;根據(jù)業(yè)務需求使用可視化工具設計應用程序界面;進行程序功能設計;測試和發(fā)布應用程序。

2.研制項目學習目標。每個項目的目標體系須盡可能抵達學科核心素養(yǎng)點，用“能在什么條件下，做什么事，達到什么程度”的表現(xiàn)性陳述方式。以“編程開發(fā)益智游戲”項目為例，該學習項目目標確定為：通過分析開發(fā)益智游戲的需求，自主歸納要解決的問題，了解程序設計的過程控制這一基本理念和方法;通過流程控制語句解決多重條件控制這一問題;通過編寫益智游戲培養(yǎng)學生基于程序設計理念思考解決問題的能力;通過探討密碼安全強度等問題的解決方案，培養(yǎng)基于程序設計理念思考解決問題的能力，并遷移到網(wǎng)絡管理、信息安全和人工智能等應用情境中。

（二）選擇與組織教學單元的學習內(nèi)容

教學內(nèi)容的組織要基于學習者的認知基礎，符合計算思維發(fā)展規(guī)律。如“信息技術”課程程序設計模塊單元，包括基礎模塊“程序設計入門”及拓展模塊“設計應用程序”。從抽象問題—解決問題—發(fā)展遷移能力的邏輯組織教學內(nèi)容。

案例：程序設計模塊單元教學內(nèi)容組織。如圖1基于計算思維培養(yǎng)的單元化教學設計案例，項目、任務、活動及問題基于計算思維的發(fā)展、問題解決能力的提升及知識建構進行整體化設計。

1.項目設計。程序設計模塊大單元，以培養(yǎng)學生計算思維能力為出發(fā)點，圍繞計算思維這一核心素養(yǎng)選擇教學內(nèi)容，設計學習項目，在梳理內(nèi)容的基礎上，基礎模塊“程序設計入門”，教學大單元設計了三個學習項目將課程內(nèi)容要點全覆蓋，并采取層級化設計，三個學習項目繪制圖形圖表、編寫益智游戲、面向?qū)ο蟪绦蜷_發(fā)努力做到內(nèi)容要點由易到難梯度進行。

每個項目關照到計算思維的抽象問題、解決問題、遷移能力三步過程，從教師引導到學生自主學習，逐步增加難度。①抽象問題。第一個項目可以由教師引導學生抽象歸納問題，最后一個項目提供具體情境，讓學生自主歸納要解決的問題。②解決問題。解決問題階段，因為涉及很多編程技術知識，以教師主導下的學生探究模式展開。③遷移能力。以問題討論的方式引導學生學會思考，提出解決問題的方案。

2.任務設計。每個項目的任務（問題、活動）設計由簡單到復雜，從單一到綜合，問題從封閉到開放，根據(jù)學生學習的認知規(guī)律來設計，讓學生在真實的情境中完成具體任務。

如“編寫益智游戲”項目設計以計算思維為統(tǒng)領，由易到難設計三個層次分明的任務，任務一是“編制簡單數(shù)字游戲”，任務二是“開發(fā)數(shù)學測試游戲”，這兩個任務，從分支結構到多分支選擇結構，從易到難的設計，遵循學生學習規(guī)律。任務三是“探尋問題解決方案”，包括檢查并判斷密碼字符串的安全強度等問題，問題的設計從封閉性到開放性過渡，培養(yǎng)學生基于程序設計理念分析問題、解決問題的能力，在前兩個任務學習的基礎上，通過任務三將該類問題的解決過程推廣和遷移到更廣泛的應用情境中。在拓展模塊“設計應用程序”，設計一個業(yè)務系統(tǒng)——選課系統(tǒng)，通過組建工作團隊，協(xié)作完成簡易選課系統(tǒng)的業(yè)務需求、模塊規(guī)劃、功能設計、應用測試、文檔編寫、程序發(fā)布等任務，體驗軟件設計的完整流程。

通過選擇逐層遞進的任務，組織循序漸進的學習項目，達成單元教學目標的要求。

（三）設計教學單元的學習過程

在單元目標確定之后，學生有沒有學會，通過怎樣學習才能學會？如何知道已經(jīng)學會了？學習過程實質(zhì)是設計學生的學習經(jīng)驗，根據(jù)學生現(xiàn)有學習水平使之達到教學目標的過程。設計教學單元的學習過程指向?qū)W科核心素養(yǎng)，以項目學習目標達成為邏輯，是進行項目的學習過程的設計。

1.計算思維教學的組織形式、教學模式。計算思維教育不同于傳統(tǒng)教學，需要更具體的教學設計策略，國內(nèi)學者牟琴等提出計算思維的任務驅(qū)動式教學模式、探究教學模式等，鮑宇等提出“階梯式”引導的計算思維自主養(yǎng)成模式。計算思維的學習是一種從基本的計算思維模式入手的螺旋式漸進的過程，要注意計算思維培養(yǎng)的層次性和漸進性。

教學中，通過項目載體、任務載體、問題載體等方式展開學習活動，使學生在問題、任務的驅(qū)動下開展探究學習，進而發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，自主建構知識體系。教師應開展創(chuàng)造性學習活動，加強師生互動，引導學生發(fā)展思維。通過完成學習任務，培養(yǎng)學生思考問題、解決問題的能力。圖2是基于計算思維培養(yǎng)的教學組織流程圖。以任務驅(qū)動，教師引導學生小組合作探究，分析問題、解決問題，完成層次遞進的系列任務，并進一步探討與生產(chǎn)生活相關的問題解決方案，使能力遷移。

2.基于計算思維培養(yǎng)的教學組織流程。（1）學習項目組織流程。教師的“教”和學生的“學”以及他們的互動關系，共同組成教學過程的流程（圖2）。學生課前預習為完成項目打好基礎，在任務發(fā)布后，學生進行合作與探究，討論解決問題的思路;在教師的精講與引導下，完成一系列層層遞進的任務，并進行評價反思，使分析問題、解決問題及遷移能力得到發(fā)展。

案例：學習項目“編寫益智游戲”的教學組織流程?！熬帉懸嬷怯螒颉表椖咳蝿盏膶嵤ㄈ鐖D2），以教師引導、學生自主探究模式展開。

任務一是教師引導下的學生探究模仿。“編寫簡單數(shù)學游戲”任務，以教師引導、演示較多，學生在教師的引導下探究、模仿完成任務，學習知識技能，培養(yǎng)計算思維能力。任務二以學生自主探究為主解決問題?！熬幹茢?shù)學計算游戲”以小組討論、自主探究為主，通過討論探究，學生自主歸納要解決的問題，討論解決實際問題的思路，編寫程序代碼，并調(diào)試運行。任務三解決實際問題，培養(yǎng)遷移能力?！俺绦蛟O計”模塊，只有18課時，通過幾個有限的任務，對學生計算思維能力的培養(yǎng)和提高不能起到很好的作用。計算思維能力培養(yǎng)的實質(zhì)是問題解決能力，如何能在實際工作生活情境中找到問題解決的方案是關鍵，因此，在任務一和任務二的基礎上，第三個任務設計為“探尋解決問題的方案”。

如，探尋“檢查并判斷密碼字符串的安全強度”這一現(xiàn)實生活中常見的問題，學生在教師引導下分析判斷字符串作為密碼時安全強度的依據(jù)，明確密碼強度等級的分級方法，遍歷并統(tǒng)計字符串中的每類字符，根據(jù)判斷及實際對應關系解決問題。這個問題的解決，因課時的關系，不一定要通過編寫代碼實現(xiàn)，但是通過分析問題解決方案，培養(yǎng)了學生的遷移和推廣能力。這是計算思維能力的重要表現(xiàn)。又如列舉用流程控制解決的問題，流程控制是程序設計中重要的編程理念，在學習項目完成后，引導學生思考用所學知識解決現(xiàn)實中的相關問題，通過算法思想來支持自動化解決方案，讓學生的計算思維能力又上了一個層次。

3.任務學習組織流程。在一個學習項目中，每個任務展開實施的過程中，以學生計算思維能力培養(yǎng)為主線，設計一系列教學環(huán)節(jié)進行教學組織：分析設計算法——編制各模塊程序——編制完成該任務。在每個環(huán)節(jié)中，以分析問題、解決問題、設計算法、畫流程圖、編寫代碼、調(diào)試運行等活動訓練學生的計算思維能力。如表1。

案例：“編制數(shù)學計算游戲”任務學習過程設計。教師通過組織小組討論，引導學生自主探究問題，在分析問題、尋找解決方案（設計算法、畫流程圖）、解決問題的過程中引導學生思維的發(fā)展和提升。

（四）設計評價任務和課后反思

從“在何種情境下能運用什么知識完成什么任務”評價計算思維的達成程度。評價任務和學后反思是教學過程的關鍵環(huán)節(jié)，從具體的知識與技能到核心素養(yǎng)的升華是需要學生來悟的，計算思維是解決具體問題的思維活動，教師要設計提供反思的情境，提升學生的計算思維能力和解決問題的能力。如“程序設計”教學單元，設計了經(jīng)典的猜詞游戲開發(fā)這一問題情境，設計支架引導學生找到解決問題的方案和算法，讓學生通過所學知識技能編程解決問題。

四、結語

指向?qū)W科核心素養(yǎng)的教學大單元設計是新課程改革的要求，“信息技術”課程是培養(yǎng)學生計算思維的主要載體，除程序設計模塊（學習領域）之外，如數(shù)據(jù)處理、信息安全、人工智能初步等學習領域，都蘊含著計算思維能力。解決問題能力的培養(yǎng)需要“以學習者為中心”設計新的學習方案，讓計算思維能力的培養(yǎng)落地可行，教學單元設計要綜合相關元素考慮，設計出相對完整的設計方案，包括項目名稱、教學目標、情境任務、評價任務、課后反思等。

除中職信息技術課程外，計算思維能力可以在計算機專業(yè)課，數(shù)學、工程等相關課程統(tǒng)籌培養(yǎng)，同時，相應的學生活動也是計算思維能力培養(yǎng)的有益補充。以培養(yǎng)學生解決問題能力為原則，開發(fā)課程項目，將會使學生積極參與討論與探究，實現(xiàn)深度學習，使計算思維能力得到提高。

參考文獻：

[1]陳國良，董榮勝.計算思維的表述體系[J].中國大學教學，2013（12）.

[2]張學軍，郭夢婷，李華.高中信息技術課程蘊含的計算思維分析[J]. 電化教育研究， 2015（8）.

責任編輯：陳向陽

Unit Teaching Design Based on the Cultivation of Computational Thinking Ability

ZHANG Cuihong

（Nanjing Vocational College of Finance and Economics， Nanjing 210001， Jiangsu Province）

Abstract： Computational thinking has become a necessary mental quality in the 21st century. It is one of the core disciplines in the information technology curriculum of vocational schools. How to cultivate the students' computational thinking in the information technology curriculum requires the teachers to carry out curriculum unit teaching design， and realize the effective coherence between the teaching design and the core literacy objectives. This paper discusses the principles and methods of curriculum unit teaching design based on the training of computational thinking ability by taking the program design module of information technology as an example， aiming to promote vocational school students' development of computational thinking ability.

Key words： computational thinking; information technology curriculum; teaching design