基于計算思維的高中信息技術校本課程設計與開發(fā)

武小龍 賈金元

摘? 要 從研究計算思維的內(nèi)涵出發(fā)，對計算思維在高中階段教育中的培養(yǎng)方式進行探討，介紹培養(yǎng)計算思維的高中校本課程的設計理念與內(nèi)容，闡述校本課程的教學流程，分析計算思維在解決實際問題環(huán)節(jié)的應用情況，并展示相關的實踐成果。

關鍵詞 高中信息技術;計算思維;校本課程;STEAM;人工智能

中圖分類號：G633.67? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）01-0044-03

1 前言

計算思維作為高中信息技術學科的核心素養(yǎng)之一，是基礎教育階段研究的一個熱點。教育部在2018年1月印發(fā)的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中首次提出信息技術課程要樹立“立德樹人”的教育價值觀，在課程的設置上要開設數(shù)據(jù)、算法、人工智能等同計算思維培養(yǎng)緊密相關的模塊。計算思維的培養(yǎng)與人工智能的發(fā)展相輔相成，如何因地制宜地開發(fā)一門符合學校實際教學需求的高中信息技術方面的校本課程，讓學生通過學習可以對實際項目進行建模，設計系統(tǒng)性的解決方案，是擺在高中信息技術和STEAM教師面前的一個新課題。

2 概念介紹

計算思維? 計算思維的概念是卡內(nèi)基·梅隆大學的周以真教授在2006年正式提出的，他認為：“計算思維就是通過約減、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看起來困難的問題重新闡釋成一個我們知道怎樣解決的問題。”[1]2009年，美國國家研究委員會組織了兩場關于計算思維的研討會，重點提及計算思維在教育領域應用的可能性及前景。2011年，美國國際教育技術協(xié)會和計算機科學教師協(xié)會共同提出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(shù)據(jù)的組織、分析和呈現(xiàn)，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[2]。

我國先后出臺的一系列教育政策中，把計算思維的培養(yǎng)列為信息技術創(chuàng)新點的重要目標之一，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，開發(fā)信息技術校本課程也成為STEAM教育樣板課的剛性需要。

基于計算思維開發(fā)的高中信息技術校本課程? 2018年，教育部出臺《普通高中信息技術課程標準（2017版）》。新課標提出“信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任”等學科核心素養(yǎng)，構(gòu)建了包含“數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)、信息社會”的信息技術學科大概念。對比2003年的信息技術課程標準，此次的新課標從廣度、深度上對知識點進行了加強。同時大幅減少對常見軟件的使用，大幅度提升在編程、計算思維、開源硬件、網(wǎng)絡空間等方面的知識要求。數(shù)組、鏈表、二叉樹等常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，排序、查找、迭代、遞歸、搜索、貪心、分治、動態(tài)規(guī)劃、回溯等基本算法，Python也開始進入浙江等地的高考選考科目。高中階段信息技術教學從課程理念上發(fā)生很大變化，對應的教學和學習任務也都大幅增加。

高中生的抽象能力、數(shù)學分析能力都有了一定基礎，并且思維水平已達到一定高度，具有向高階思維發(fā)展的潛力。由于高中階段信息技術課時量的限制，很多師生對信息技術課程不夠重視，教學方式和教學內(nèi)容比較隨意，沒有形成一個體系化的課程教學體系，因而研發(fā)培養(yǎng)計算思維的信息技術校本課程成為高中階段計算思維培養(yǎng)的重要路徑。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(shù)字化時代的創(chuàng)新素養(yǎng)，成為當前信息技術課程的重要挑戰(zhàn)。

3 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(yǎng)類課程應優(yōu)先于基礎知識與能力課程的開展;綜合類課程應優(yōu)先于獨立專項課程的開展;貼近實際的創(chuàng)新性問題應優(yōu)先于傳統(tǒng)算法問題的解決。為此，如何選擇適當?shù)慕虒W載體便成為亟待解決的問題。C++是C語言的繼承，它既可以進行C語言的過程化程序設計，又可以進行以抽象數(shù)據(jù)類型為特點的基于對象的程序設計，還可以進行以繼承和多態(tài)為特點的面向?qū)ο蟮某绦蛟O計。因此，可以將C++語言作為計算思維培養(yǎng)的程序設計語言。

課程目標設計? 校本課程的實施對象是高一數(shù)學基礎較好，但是尚未普遍具備編程基礎的學生，在教學中通過問題驅(qū)動式、項目式學習等教學方式，多角度多方面引導學生主動思考與解決問題，培養(yǎng)計算思維意識，掌握計算思維方法，提升計算思維能力。

課程內(nèi)容框架設計? 按照一學期40節(jié)課時的安排，校本課程內(nèi)容分為程序設計語言和基礎算法兩部分，其內(nèi)容框架設計如圖1所示。

評價策略的設計? 在評價內(nèi)容上，著重培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力，不僅關注學生對知識的深度理解，還要注重學生的編程能力、人文積淀等素養(yǎng)。在評價方式上，要盡可能地采用隨堂測試的真實性評價，鼓勵學生一題多解，以消化知識點為目標，可以向同伴解釋自己的編程思路，鼓勵學生自評與互評。

4 培養(yǎng)計算思維的高中信息技術校本課程的教學與實施

校本課程的教學流程? 基于上述培養(yǎng)計算思維的高中信息技術校本課程的設計與開發(fā)，本研究綜合教學的實施過程與計算思維的培養(yǎng)過程。這里舉一個筆者給中學生設計的具體課程實例：爬樓梯。下面是教學過程。

1）問題導入：小明爬樓梯，他可以每次走1階或者2階，輸入樓梯的級數(shù)，求不同的走法數(shù)。學生看到這個題目，感覺無從下手。先手動進行走法排列：1個臺階的時候有1種走法，2個臺階的時候有2種走法，3個臺階的時候有3種走法，……分別寫出來后發(fā)現(xiàn)：1，1，2，3，5，8，13，

21，34，55，89，144，233，……也就是說，每次的臺階的上一次，要么就是從上一個臺階過來，要么就是從上兩個臺階過來。

仔細觀察，這是數(shù)學中的斐波那契數(shù)列，學生一般很快就找到了規(guī)律，可以很快寫出遞歸式：f（n）=f（n-1）+f（n-2）。然后讓學生尋找隱藏在該數(shù)列背后的數(shù)值：相鄰的兩個數(shù)相除，有什么規(guī)律？學生很快會發(fā)現(xiàn)商趨近于0.618，黃金分割值！

2）觀察討論。很多植物在生長過程中為了能最佳地利用空間（億萬年進化的結(jié)果），每片葉子和前一片葉子之間的角度是222.5°，這個角度被稱為黃金角度，因為它和整個圓周360°之比是黃金分割值0.618。

3）如果一次可以上1階、2階或3階，再到m階，那么算法又該如何寫呢？

4）總結(jié)一般式，推廣，發(fā)現(xiàn)生活中的美。

校本課程實施的教學方式

1）基于問題解決理念的教學策略。教師在教學過程中要積極挖掘計算思維的內(nèi)容，以生活中的實際問題及案例來展現(xiàn)這些內(nèi)容;要勤于探索，以問題解決為教學理念，在講授知識的同時讓學生自己探究學習。

2）虛擬在線平臺與社區(qū)。網(wǎng)絡上有專門以計算思維為目標開設的編程網(wǎng)站，在這個平臺中有具有共同興趣和目標的人群，依托互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境以信息技術為交互媒介進行信息的交流，里面有詳細的測試數(shù)據(jù)。

3）設置多種評價方式，進行有效評價。計算思維的學習評價不僅可以對學生的學習效果進行反饋，也會指導教師改進教學中出現(xiàn)的問題。可以采取多種評價方式，通過項目作品綜合評價、前后測問卷、反饋性訪談以及學生課堂交互觀察進行全程評估，對算法設計正確與否、代碼的合理性及簡潔性、問題解決等方面進行評價。

校本課程的實踐成果? 本研究選取甘肅省重點高中的兩個班級進行“計算思維與算法設計”校本課程的教學實踐，其中實驗班學生有55名，普通班學生有54名。經(jīng)過兩輪課程的教學實施，通過前測和后測，具體表現(xiàn)如下。

1）在作品生成方面，學生以小組形式自定主題開發(fā)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(xiàn)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。同時，學生積極參加全國中小學電腦制作活動。

2）在訪談方面，筆者與三名在學習任務完成、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(guī)定的時間內(nèi)完成。統(tǒng)計結(jié)果顯示，實驗班前后測的完成率分別為82.6%、100%，而普通班的完成率分別為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。

5 結(jié)語

在人工智能時代大背景下，如何在高中信息技術校本課程教學中滲透計算思維，展示計算思維的應用場景，使學生具備基本的信息素養(yǎng)和創(chuàng)新素養(yǎng)，是當前信息技術課程必須應對的新挑戰(zhàn)。而將計算思維融入高中信息技術及校本課程教學中，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，是信息技術教師義不容辭的責任。基于此，本研究介紹了培養(yǎng)計算思維的高中信息技術校本課程的設計與開發(fā)過程，后續(xù)研究將關注建立計算思維和創(chuàng)新思維之間的連接，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。

參考文獻

[1]Wing J M. Computational Thinking[J].Communication of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[2]ISTE. Operational definition of computational thinking for K-12 education[DB/OL].http：//www.iste.

org/Libraries/PDFs/Operational_Definition_of_Compu-tational_Thinking.sflb.ashx.