面向計算思維素養的編程計算項目式教學探索與實踐

呂綺霞

（廣州市白云藝術中學 廣東·廣州 510440）

1 計算思維和項目式教學模式

1.1 計算思維的概念

“計算思維”，由美國卡內基梅隆大學周以真教授于2006年提出的，是指利用計算機科學的基本概念，進行一系列如問題解決、系統設計、人類行為理解等涵括計算機科學廣度的思維活動。具有計算思維能力的學生能運用計算機可以處理的方式來判斷在信息活動中遇到的問題性質、抽象特征，通過分析、判斷和整合各類信息資源；采取合適的算法來構建解決問題的方案和結構模型；歸納總結得出計算機解決問題的過程與方法，加深對重要觀點的理解，并能將所學知識遷移到與之相關的其他問題解決中。

1.2 項目式教學模式（PBL）

PBL教學是學生在教師的指導下，通過探究、交流、創新和合作完成一個項目的全過程。在這個過程中，學生學習和掌握教學計劃內的內容。在項目教學中教師引導學生圍繞問題思考、探究、發現新知識，進而加強對學生自學能力、探究能力、創新能力的鍛煉和培養。因此，在項目式學習模式中會采用小組合作的方式，共同制定計劃，共同或分工完成整個項目。

1.3 基于項目的學習的特點

基于項目的學習是一種強調主動探究和創新實踐的教學模式，有如下特色：

（1）針對具體的項目主題，學生將圍繞項目主題進行實踐探究，在活動中形成新的知識體系，學會一定的技能。（2）該項目的主題來自現實生活，體現了多學科知識的多樣性。在活動過程中，學生需要將多學科的知識和技能結合起來，以跨學科的方式學習和運用知識，不能單純依靠一門學科的知識來完成活動任務。（3）強調活動的實踐性。項目教學與傳統教學區別在于：它是讓學生主動地學習和實踐，在實踐中體驗和學習，進而提高獲取、處理信息的能力，而不是向學生傳授單一的、純學術性的書本知識。（4）活動過程中注重協同合作，相關師生和相關部門組成學習共同體，成員之間密切配合，共同完成任務。（5）在項目活動過程中，學生利用網絡化、數字化等方法和信息資源來論述他們的觀點，支撐他們的學習。（6）活動總結與評價。要求學生在活動期間或活動結束后創作一系列作品，就作品的創作進行討論和交流，得出結論，及從中發現一些新問題。

1.4 基于項目式教學的過程設計

1.4.1 確定項目主題

根據學生的實踐情況或教學任務要求，從教材中選擇合適的項目，也可以根據生活實際對已有的項目進行組合或修改。

1.4.2 組織與分工

基于項目的學習以分組方式來進行教學活動。在項目啟動前，教師根據任務難度確定小組人數和規模，并選定一名小組長。通過交流溝通、建立評價激勵機制、使用合作評價量表等方式，幫助學生學會專心投入、認真傾聽、勇于擔當、尊重差異等，培養學生良好的人格和團隊意識，為合作學習奠定基礎。

1.4.3 制定具體的項目任務

制定項目任務的基本流程：小組討論分工、確定行動規劃和最終作品形式、分工收集所需資料、資源共享、技術合作、通過小組協作完成最終作品。

1.4.4 評價與作品展示

在項目實施前，應制定作品評價規則和計劃，特別是最終作品的評價標準和評價量規。教師組織學生進行學生成果的展示活動，分享學生們的研究成果，依據評價量規并指導學生進行自評和互評，對他們在項目上的表現和成果價值進行評價，結合教師評價給出合理的評價結果。

2 基于項目的信息技術課堂教學和學習模型

2.1 編程計算課堂教學的目標

從生活實例出發，通過概述算法的概念和特點，用適當的描述方法和控制結構來表達簡單的算法，使學生掌握編程語言的基本知識，如解題的過程和方法，根據解決問題的需要，有意識地、積極地尋求適當的信息獲取和處理方式。使用程序設計語言來實現簡單算法，如：依據實際問題的需求設計算法，運用流程圖的方式描述算法。能采用計算機科學領域和思維方式界定問題、抽象問題特征、建立結構模型、合理組織數據，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案。

2.2 基于項目式教學的編程計算學習模型

2.2.1 教學思維導圖

培養學生計算思維的目的是希望他們在思考問題時能運用信息技術來解決問題的能力。計算思維的培養可分為識別問題與需求、研究問題與需求、開發可能的解決方案、選擇最可能的解決方案、構建原型、測試和評估解決方案、溝通解決方案、重新設計等八個環節。因此，計算思維下的項目設計培養不能局限于程序設計本身，更應體現在各種內容的學習中，引導學生理解與掌握利用信息技術解決問題的學科方法，從而提高解決問題的能力，發展學科核心素養。思維導圖是表達發散性思維的有效的思維工具，是一種簡單卻極為有效的、革命性的思維工具，非常有利于訓練學生的計算思維。筆者借助思維導圖對“編程計算”這一章節的知識進行了梳理，效果見圖1。經過運用思維導圖的梳理，本章的知識一目了然，這對學生建構知識很有幫助。

圖1：編程計算單元教學思維導圖

2.2.2 學習模型（見圖2）

圖2：編程計算學習模型

2.3 基于項目式教學的計算思維能力培養案例

2.3.1 體驗分支結構的項目案例

通過對學情分析、教學內容分析、學習目標分析，進行了具有問題情境的項目設計。

項目主題：利用分支語句實現分性別計算最適宜運動心率。

項目目標分析：本節圍繞“最適宜運動心率計算”項目展開學習，本項目主要包括“利用賦值語句實現計算”和“利用分支語句實現分性別計算”兩個任務，項目目標：（1）通過計算最適宜運動心率，了解順序結構語句，掌握順序結構語句的一般格式和使用方法；（2）通過分性別計算最適宜運動心率，了解分支語句，掌握分支語句的一般格式和使用方法；（3）通過問題求解，掌握用順序結構和分支結構解決實際問題，感受計算機程序在提高問題解決效率中的作用。

項目內容分析：緊密聯系計算最適宜運動心率的例子，介紹Python中的常量、變量、數據類型、運算符與表達式、常用的順序結構和分支結構語句；提供參考算法的需要補充完善的流程圖，讓學生進一步體驗編程計算的完整過程，即分析問題、設計算法、編寫程序、調試運行程序、保存程序文件。本節重點和難點是理解并掌握順序結構和分支結構語句的格式與功能。

項目學習流程：任務1：分兩個活動開展學習，活動1首先利用python編程軟件理解掌握常量、變量的定義、運算符與表達式。理解順序結構是程序自上而下一行行執行的特性，運行過程中沒分支，也沒有重復，是一種最簡單的程序結構；然后活動2在活動1的基礎上加入輸入的年齡與安靜心率，使用者不同，年齡與安靜發生率也不同，每次修改程序代碼讓編寫者很不方便，因此需要輸入語句。在本活動中，關鍵是教師要引導學生理解輸入語句和輸出語句的作用；任務2：只有一個活動“利用分支語句實現分性別計算”。教師通過適當的指導，讓學生自主探究或交流合作中使用IF語句實現“分支結構”，掌握浮點數float()、整數int()、字符串str()的定義的功能。理解掌握IF語句的語法格式和功能。參考程序：

圖3：流程圖

2.3.2 以“色彩變換萬花筒”項目體驗周而復始的循環

項目主題：利用循環語句繪制色彩變換萬花筒。

項目目標分析：本節通過利用循環語句，在窗體中繪制彩色同心圓，模擬出色萬花筒效果。讓學生進一步體驗編程計算的完整過程，即分析問題、設計算法、編寫程序、調試運行程序、保存程序文件。本節重點和難點是理解并掌握循環結構語句的格式與功能。

項目內容分析：我們將計算機程序中某些代碼反復執行稱為循環，Python中既有重復一定次數的計數循環，也有重復到某種情況結束的條件循環。圍線“色彩變換萬花筒”項目展開學習，通過該項目活動，了解循環的作用，為學習如何根據問題的需要選擇恰當的循環類型，如何準確設置循環條件和編寫循環語句塊。

項目學習流程：利用循環語句，在窗體中繪制彩色同心圓，模擬出萬花筒效果。教師給出程序實例，對學生適當的指導和引導，通過體驗調動Python簡單的繪圖模塊turtle庫，讓學生自主探究或交流合作中使用for語句實現“循環結構”，理解掌握for語句的語法格式和功能，并嘗試修改教師給出的程序實例或編寫簡單的隨機、循環算法。

圖4：程序運行效果

2.4 對教學效果的影響

本研究立足項目教學的方式，以翻轉課堂、卓越課堂、微課等為支撐，讓學生在信息意識、計算思維方面得到充分的學習和提高，為面向學科核心素養的高中信息技術課程實施提供借鑒，并基于實證研究的基礎上，探索項目式學習和翻轉課堂的教學，在本學科其他學校的教學中有一定的推廣價值。經研究和實踐發現，面向計算思維素養的編程計算項目式教學實施的研究，對不同階段的學習進行教學內容和模式的構建；通過項目式學習的探索，將知識建構、技能培養和思維發展融入其中，有利于培養和提高學生信息技術核心素養；實踐結果對教學具有較強的指導意義。

3 分析與評價

前面論述的實例證明了計算思維素養下的項目式教學目標的實現是切實可行的而且教學效果是顯著的。在編程計算的教學中，項目式教學可以幫助學生運用Python的綜合練習，培養提升自己的計算思維素養。

4 結論與展望

項目式教學以其獨特的優勢，根據教學內容，合理設計圍繞生活實際問題并根據學生自身問題的教學活動，根據學情和問題分析設計解答，使教學更有效地激發與培養學生計算思維能力。當然，單一運用項目式教學引領的方式去解決問題，設計的程序方案并不能全面完整，因此，教學中還需探索更多新型的教學模式，以翻轉課堂、卓越課堂、微課等為支撐，在原有基礎上補充，不斷創新項目設計方案，提高編程計算的教學效果。我們的學生是未來社會的建設者，他們的技能不是一蹴而就的，需要我們教師的持續引導他們關心社會、思考社會問題的解決方法，這樣在未來他們才能理論聯系實際“學以致用”成為合格的建設者。