面向計算思維培養的初中Python編程項目式教學探究

王穎 趙健如 侯巖 王玉龍

摘 ?要 計算思維是信息技術學科核心素養之一。近年來，如何落實新版課標理念，培養學生計算機思維，日益成為關注熱點?；陧椖渴綄W習的基本原理，以初中信息技術Python編程課程為依托，以八年級信息技術“程序設計”為例，設計面向計算思維培養的Python課程項目式學習課例，以期為信息技術課程教學實踐提供參考。

關鍵詞 項目式學習;計算思維;信息技術;Python課程;課程設計

中圖分類號：G434 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）20-0074-04

Abstract The 2017 edition of information technology curriculum standard regards computational thinking as one of the core qualities of information technology discipline.In recent years， how to imple-ment the new version of the curriculum standard concept， training students computer thinking has become a focus. Based on the basic principle of project-based learning， this paper takes the Python pro-gramming course of junior high school information technology as the?basis and the eighth grade information technology “program design” as an example to design a Python project-based learning course for?the cultivation of computational thinking， so as to provide a referencefor the teaching practice of information technology courses.

Key words project-based learning; computational thinking; informa-tion technology; Python classes; curriculum design

1 前言

《廣東省義務教育階段信息技術課程綱要（試行）》中強調，要養成用信息技術解決實際問題的能力[1]?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準》（2017年版）中對信息技術學科提出新的建議和要求[2]。計算思維作為信息技術核心素養之一，對基礎教育階段學生發展起到重要作用，在中小學信息技術中培養計算思維和設計教學活動顯得尤為重要。

2 設計背景

計算思維的概念與內涵 ?新標準中指出，計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動[3]。2013年前后，英國的Woollard等幾位博士共同將計算思維劃分成算法、評估、分解、抽象與概括。顧名思義，分解思維在應用時主要表現為，在人們遇到困難和復雜問題時將其分成幾個小問題來解決;抽象思維主要表現為，在處理這些小問題時能夠提取事物的關鍵特征，省略部分不重要的信息;算法思維強調在解決小問題的過程中要制定規則步驟;評估思維側重能夠從簡單的步調中選擇得當方案;概括思維則是對某一事物進行剖析、歸納。

Python已經成為初中開展編程教學的主流語言 ?Python的應用場景廣泛，是中學編程教學的新熱門。隨著人工智能和大數據的迅猛發展，國內越來越多的中學開設編程相關課程。Python語言從本質上來說比C++等其他語言的語法更淺顯易懂，容易被學生接受和理解。依據初中生的原有知識基礎和認知能力，他們對枯燥無味的程序設計難以激起興趣，容易排斥甚至抵觸。Python編程教學的一大特點就是要學生通過計算機等電子工具高效、快速、簡捷地實現數字化學習體驗，在此基礎上還可以利用計算思維解決實際問題，接觸處于科技前沿的新技術，如人工智能、大數據等，為信息技術編程教育注入新的活力。

3項目式學習

項目式學習的基本流程 ?項目式學習最早在1918年由基爾帕特里克提出，項目活動分為四個步驟：目的、計劃、實施、評價。經過國內外學者的不斷鉆研和補充，項目式學習得到改進與優化。國內學者一般認為，項目式學習主要包含三個環節：項目設計、項目實施、項目評價[4]。王巍、張文蘭、劉景福等人作了補充，見表1。

項目式學習對信息技術學科核心素養培養的作用與意義 ?根據2017年信息技術新課標的闡述可以了解到，項目教學法是從問題角度出發，到最后產品的生成，通過教師的引導和說明來使學習者發現問題，并以解決問題為方向，開展具有創新特征的項目學習活動，其目的在于讓學習者經歷“提出問題—設計解決方案—實現解決方案”的過程?？梢姡椖繉W習不是側重課堂知識與技能的獲取，而是對課堂知識、校園情境的拓展，故其核心是促進能力的發展。

通過項目式學習，學生在發現問題的基礎上根據項目提供的信息和任務，自主選擇、制訂計劃、展開探究。在整個項目式學習過程中，既可以提升學生的表達能力和自主合作意識，又可促進學生創造力和動手實踐能力的培養。

4 面向計算思維培養的初中Python編程項目式教學課例設計

本文針對新版課程標準對計算思維的培養要求，以杜威的“做中學”和建構主義為理論依據，借鑒項目式學習的基本操作模式，以Python 3.8和海龜編輯器為主要開發平臺，設計“我的健康我評估”“海龜精靈畫五角星”等多個項目式教學課例，教學內容涉及Python中的基礎語句和一些標準庫、第三方庫等知識內容。本文以“海龜精靈畫五角星”項目進行詳細介紹。

項目設計前期分析 ?項目設計從學習內容、學習者特征、項目目標三方面進行分析。

1）學習內容的分析。廣東科技出版社出版的八年級上《信息技術》第一單元“程序設計”共有12節，本節課教學內容選自第12節“綜合活動”，主要掌握turtle庫中常用的基礎語句、函數等，然后通過繪制圖畫以加深理解。不難發現，以Python中turtle庫繪圖的方式來教學，既給學生帶來學習的樂趣，也體現了信息技術和數學函數完美融合所產生的價值。

2）學習者特征分析

①原有知識基礎。學生之前從未接觸過Python編程語言，但接觸過可視化編程，如Scratch，但僅僅停留在了解的層次上。經過前面幾節課的學習，學生已經會使用Python的一些簡單語句并能運行，已經熟悉海龜編輯器環境。

②認知能力。初中生具有一定的抽象思維，能夠結合先前學習編程的經驗，具備一定的搜集、處理信息的能力和動手實踐的能力，能夠通過自學達到教學目的。

③學習風格及學習動機。學生正處于八年級，此年齡段的學生有較強的好奇心，而項目式教學不僅滿足了學生的好奇心，而且極大增強了學生的交流、思考和動手能力。在項目式教學過程中，教師應該對學生的建議和想法及時給予應有的鼓勵。除此以外還應該清楚的是，此年齡段的學生心智仍不成熟，可塑性較強，而項目式教學可以極大地培養學生的能力和綜合素養。

3）項目目標的制定。根據新課程標準的要求，結合教材的具體內容，確立的基于計算思維培養的項目目標如下。

①知識目標。知道turtle庫的起源，認識turtle庫的畫筆、畫布，掌握turtle畫筆的抬筆、落筆、前進、后退、左轉、右轉、改變方向，曲線、清除等語句書寫規則。

②技能與方法目標。應用Python的turtle標準模塊，會通過代碼模式和積木模式兩種方式輸入turtle語言;能使用變量解決問題，合理使用編程的三種結構，畫出變化多端的圖形;在項目活動中能分解項目任務，分析問題和解決問題。根據項目實施，通過小組合作完成簡單的編程設計，鍛煉操作能力、交流合作能力，提升分解與概括問題的能力。

③態度與思維目標。體驗Python中turtle語句的圖形繪制魅力，激發學生編程的欲望，培養學生的抽象思維;分析文本，獲取關鍵信息，學會運用數字化工具表達思想、建構知識，培養學生的分解思維和概括思維;進一步體會程序設計的基本步驟，編寫程序，繪出圖形，促進學生算法思維發展;在繪制圖形過程中不斷進行反思、自我評價，教師指導，提升學生概括和評估思維。

項目設計 ?項目設計從活動準備、活動設計角度進行分析。

1）活動準備。準備PPT課件、微課視頻、知識清單表、海龜編輯器環境（通過海龜編輯器實現Python中turtle庫的應用）。

2）活動設計?；趯η捌陧椖窟_成目標的分析，結合項目式學習基本步驟與特點，以海龜編輯器為主要開發平臺（具備Python的turtle庫的基本內容，最大優勢是該軟件有積木模式和代碼模式兩大輸入方式，可視化強，比較適合初學者學習使用），對內容進行重新整合。表2所示是項目“海龜精靈畫五角星——Python中的turtle庫繪圖”的任務表單。

活動實施 ?在活動實施過程中，學生要建立相關學習資源文件夾、程序文件夾等，時時搜集和保存相關材料。教師課前選擇相應的學習資源，將基礎作品素材發送到學生端，以便活動更好地開展。

1）劃分小組。教師根據先前學生學習情況以及學生的特長和信息技術掌握情況進行分組，四人一組，并推選出一名組長，讓學生熟悉項目學習的流程和目的，進行分工。

2）合作學習（認識小海龜）。

①教師用例子引出主題：是否可以通過turtle畫個五角星？引出Python中的turtle庫，激發學生對turtle的好奇心。

②學生小組合作，搜集、下載并整理和繪制圖形的程序資源。

③使用turtle模塊的畫筆函數繪制圖形。

【設計意義】項目初始提出問題、布置任務，可激發學生的好奇心。通過一些例子引入，調動學生積極思考，激發聽課欲望，引出turtle庫，由圖片過渡到編程，提升學生的抽象思維。

3）編程資源學習（設計靈敏小海龜）。教師組織學生通過知識清單、微課視頻和書本等方式，集體認識turtle中語句的屬性、運動、控制、顏色等，控制畫筆在坐標系中的移動。畫筆運動命令知識清單如表3所示，畫筆控制命令知識清單如表4所示。

【設計意義】學生通過對知識清單、課本、微課視頻進行自學，對知識進行梳理，有助于培養抽象思維和概括思維。學生能回憶在自學中遇到的問題，留心聽課，大膽提問，鍛煉獨立思考問題的能力，培養算法思維。

4）選定項目。

①組織學生欣賞海龜繪圖圖形，如圖1所示。

②各個小組內部討論，根據知識清單和本組成員搜集的資料確定繪制的圖形的難易程度、實現情況，并設計草圖，選定繪制的圖形。

【設計意義】培養學生概括思維，學生在頭腦中構思圖形繪制所要用到的程序代碼和積木塊，并思考要如何組織與運用turtle的基礎語句。

5）制訂計劃。教師提出驅動性問題，引導成員分配任務及預測學生如何有條理地合作完成作品制作，引導學生制訂計劃等。小組根據開發過程設計算法、編寫程序、調試程序等環節，結合組內異質的特點分工，發揮個人所長。

【設計意義】教師引導學生制訂項目計劃，培養學生的分組協作能力，也有利于提升學生的決策管理能力。教師引導學生將一個復雜問題分解為若干相對簡單的小問題，有助于學生概括思維和分解思維的養成，也利于學生協調組織能力的培養。

6）項目探究（海龜探險記）。小組成員按照項目計劃，在教師指引下進行算法設計、程序調試、修改，合作完成圖形編程的設計。教師引導學生構思圖形如何繪制，并用文字語言和流程圖表達算法思路，進而將算法思路轉換成編碼語言，最后通過import引入海龜庫，運行程序，查看結果。

在此過程中，項目組長需要擔任“管理者”角色，管理項目探究活動有序有效實施。小組成員結合原有的程序，互相討論，對其進行改編，添加必要的循環、順序、選擇語句。通過合作和不斷嘗試，輸入與修改程序語言。教師定期檢查項目作品完成進度，發現問題及時給予各項目小組幫助，引導學生完成作品，用turtle畫出圖形。

【設計意義】項目小組逐層完成項目，項目難度由淺入深，從形象到具體再到抽象，形成抽象思維。教師要引導學生設計相應的步驟或規則來解決每個小問題，通過多次多角度思考，想出符合規定的步驟來進行問題解決，培養學生的算法思維。同時，可以通過互動練習，對知識進行鞏固與強化。注重引導學生在簡單的步驟或指令中選擇出最優方案，對問題解決的多種算法的各個方面綜合進行衡量和判斷，提升評估思維。

7）成果展示。教師引導學生展示作品并點評總結，要多讓學生發言，包括在活動中遇到的困難、自己作品的亮點、小組內部之間怎樣進行協作。

學生互評，教師點評，通過回答來總結這節課學到了什么、自己作品設計過程、創新點在哪里，鍛煉學生演講能力與語言表達能力。讓學生觀看其他小組成果，互相學習。

【設計意義】完成項目作品過程中，小組不斷地測試分析程序，進一步培養評估思維。通過展示分享，培養語言表達能力，提升概括思維。

8）活動評價。通過組內評價+組間評價、形成性評價+

總結性評價、教師評價+學生評價，對學生進行全方位評價。評價學生課堂表現時要多表揚;評價學生成品時注意要認真傾聽學生的發言，理解學生的意思，從創意、美感、難度、小組合作程度等角度著手。小組評價表如表5所示。教師評價時要評選出最佳程序，對圖形具有創新性的，鼓勵學生、樹立典范，共享經驗與技術。

9）項目總結（小海龜總結）。本項目核心是小組以項目式合作完成程序編寫、圖形繪制?？偨Y分兩部分：一是對turtle庫內容的回顧總結，二是對學生表現、創作過程中的總結。在編程過程中遇到問題，學生可以求助組員和教師，一起研究、克服困難，完成項目作品，在班內展示與分享經驗，最終實現教學目標。

【設計意義】學生聽取老師和同學的建議，相互學習、取長補短，通過對知識點和創作過程的總結，培養概括思維和評估思維。

5 結語

本文以初中信息技術程序設計教學為基礎，以培養學生計算思維為目標，根據當前初中Python中的教學需求，對教材中Python中的turtle繪圖庫教學實施進行探討，設計“海龜精靈畫五角星——Python中的turtle庫繪圖”的具體教學實施流程，有利于提升學生運用抽象、分解、算法、概括、評估的計算思維來解決問題的能力，有助于形成自主、合作、探究的學習方式，為學生發展及終身學習打好基礎，為信息技術教學實踐提供參考。

參考文獻

[1]廣東省義務教育階段信息技術課程綱要（試行）[EB/OL].[2014-11-07].https：//wenku.baidu.com/view/9df83d45192e45361166f542.html.

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[4]李志河，張麗梅.近十年我國項目式學習研究綜述[J].中國教育信息化，2017（16）：52-55.