創客教育視域下高中生計算思維培養路徑研究

李海磊

［摘 要］目前絕大多數高中生都無法做到從人、技術、社會等角度全面系統地認識信息技術，缺乏對信息行為的批判性分析能力，因此需要多維度提升學生以計算思維為代表的信息技術學科核心素養。開設創客校本課程是培養學生計算思維的優良路徑。文章從“創設教學環境，構建計算思維知覺場”“主動建構，內化計算思維”“融合項目學習，拓展計算思維”等方面闡述了培養學生計算思維的實踐經驗，以期優化校本課程建設和培養引領時代發展的一流數字人才。

［關鍵詞］計算思維；創客教育；項目學習

［中圖分類號］ ? ?G633.67 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）11-0090-04

現階段以移動通信、云計算、大數據、物聯網、人工智能等為代表的新興信息技術正以前所未有的方式和速度滲透到各個行業、領域中，人類社會越來越數字化、智能化。當代高中生恰好成長于這樣的數字化時代，他們的成長過程就是一個和各種各樣數字化設備、信息化工具打交道的過程。他們使用數字化設備、信息化工具解決問題的意識普遍較強，信息技術基礎較好。但我們也應該清楚地認識到，高速發展的數字技術一方面孕育出了豐富的信息技術生態，是幫助高中生自主學習、開闊視野的“助力器”；另一方面它也在潛移默化地影響著學生的信息技術學習理念、思維方式、行為準則和道德觀念等。目前，絕大多數高中生都無法做到從人、技術、社會等角度全面系統地認識信息技術，缺乏對信息行為的批判性分析能力，他們在使用信息化工具解決問題的過程中容易被信息技術所“控制”。因此，高中階段的信息技術教育亟須從信息技術知識與技能的傳授向注重培養信息技術學科核心素養的方向轉變，深挖信息技術學科的潛在功能和方法特征，幫助學生從深層次上認識信息技術工具，知道它們的內涵本質、工作方法和應用流程，同時強調信息技術學科特有的理念以及運用信息技術知識解決問題的思維和能力，即發展計算思維。計算思維是信息技術學科核心素養的重要組成部分，計算思維的培養是信息技術教育的重中之重。下面筆者結合多年來在創客校本課程開發建設方面的實踐經驗，就如何培養學生的計算思維談談自己的認識。

一、計算思維的含義

計算思維是美國卡內基·梅隆大學的周以真教授于2006年提出的。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。具備良好計算思維的個體，在面對問題時能主動采用計算機科學領域內的思想方法界定問題、抽象與建模、設計問題解決的算法并綜合利用各種資源去解決問題。在這個過程中，個體會進行一系列的思維活動，從而內化思維方式，提升思維品質。

二、計算思維培養的著力點

將計算思維納入信息技術學科核心素養是《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》的重大創新之一，這不僅是國家和社會發展的需要，更是建立、健全學生人格和促進學生終身發展的需要。學校、課程是培養學生計算思維的主陣地。結合多年來在信息技術課程、創客校本課程開發建設的實踐經驗，筆者認為可以從以下幾個方面落實學生計算思維的培養。

（一）創設教學環境，構建計算思維知覺場

現代教學理念認為，無論是物理環境還是心理環境，都是影響學習者認知能力的重要因素。理論的提出者梅洛·龐蒂認為，知識是學習者在已有知識、經驗的基礎上建構而來的，是學習者和認知對象、認知環境在相互作用的過程中完成建構的。因此，創設適宜的教學環境對高中生認知能力的提升具有重要意義。

在多年的創客校本課程開發建設實踐中，筆者發現，大型多媒體互動設備、3D打印、虛擬現實等數字化工具、設備能有效幫助師生構建情境、項目，為學生創設更加立體的感知環境、實現“身”與“心”的多元融合。在教學過程中，教師充分運用這些數字化工具可以幫助學生在知識、技能的學習與訓練中達到事半功倍的效果，幫助學生更快、更準確地認識概念的內涵、事物運動發展的本質，持續激發學生的學習動力，減緩學生的學習疲勞感。基于此，在學校的大力支持下，筆者為創客校本課程創設了基于計算機教室（多媒體機房）的教學環境，其基本架構如圖1所示。通過創設教學環境，可為學生構建思維知覺場。

（二）主動建構，內化計算思維

計算思維是一種思維方式，指導著個體的行為，而個體的行為又反過來強化思維方式和行為習慣，使得思維更深刻。選擇優秀的教育理念對計算思維的培養有重要意義。建構主義認為，知識的獲取不是簡單的“傳遞”而是個人的“建造”，強調“制作中學習”，提倡在設計和制作中獲取知識、技能。因此，好的計算思維培養策略應當是鼓勵個體在探索實踐中實現思維自動提升和內化。

創客教育尤其強調培養學生解決問題的“綜合力”“創造力”“勝任力”，即讓學生通過親自動手實踐把自己的創意、想法以項目作品（包括數字式的項目）、實物等方式呈現出來。學生在借助各種資源進行設計、創造的過程中獲得的知識和體驗是最為深刻的。學生在造“物”的過程中會自動提升自己的各種能力，實現包括計算思維在內的多種思維的內化。筆者曾開展過有關“python編程”的創客教學實踐。在教學實踐中，筆者特別重視學生的學習習慣和思維習慣的養成。以講授“二分查找算法”為例，二分查找算法是一種非常優美、高效的算法，但是它只適用于具有單調性序列的場景。如果按照傳統的思路，一般會結合“猜數字”“猜價格”等情境開展教學，這些案例大部分學生在生活和學習中已經聽過、見過，比較熟悉。雖然引用這些案例能夠降低學生的學習難度，但是難以激發他們的探究欲望和學習興趣，還會使得課堂教學退化到知識機械講授、技能簡單操練的模式上，學生主動思考、主動構建的活動比較少，使得計算思維培養工作不能充分開展。對此，筆者試著從其他角度選擇素材，創設不一樣的情境。筆者注意到，學生在日常學習與生活中經常玩一種“諧音梗”游戲，比如“瀚海闌干百丈冰”“酸脫羥基醇脫氫”等，筆者由此獲得靈感，設計了一個名為“紙條兒的秘密” 的解密游戲，并在其中嵌入了二分查找算法。這個游戲設計的基本思路如下：制作兩本小冊子，在第一本小冊子中的每一頁設有密文字符，且密文字符的ASCII碼值隨著頁碼的增大而增大；在第二本小冊子中的每一頁設有明文字符。確保第一本小冊子中的密文通過頁碼和第二本小冊子中的明文形成一一對應關系。對于要解密的字符，先在第一本小冊子中以“二分法”快速翻到密文所在頁，求得頁碼，然后在第二本小冊子中也以“二分法”快速翻到對應頁碼處，求得明文字符。這個游戲激起了學生濃厚的興趣，學生在探索解密方法的過程中完成了對“二分查找”算法的思想、算法表達、算法實現路徑等方面的探究學習。整個學習過程以學生對游戲產生濃厚興趣、萌發解決問題的強烈欲望為起點，以完成項目表達、評價反饋為終點，學生小組討論、自主學習、主動思考的學習活動多，教師主動講授、學生被動接受的活動少。該過程提高了學生的思辨能力和思維能力。“二分查找算法”的課堂教學的簡要實現路徑如圖2所示。

（三）融合項目學習，拓展計算思維

項目學習是基于真實生活情境發現問題、界定問題、抽象建模、形成問題解決方案并最終解決問題的一系列研究性學習，是培養學生創新能力、提升學生綜合素養的良好途徑。計算思維不僅適用于計算機科學領域，還能提供一種廣泛應用于工作、生活、學習的分析問題的視角。計算思維是項目學習能夠正常推進的重要保證，同時，項目學習也能有效提升學生的計算思維能力。下面以筆者在高二年級開設的《初識人工智能》創客校本課程中的“走進智能圖像識別”為例，闡述在這項課程實踐中開展項目學習、培養學生計算思維的具體做法。

（1）明確項目目標。現階段的高中學生絕大多數都有使用智能設備進行圖片識別的經歷，但對于“圖片識別涉及哪些算法？”“這些算法的原理是怎樣的？”“如何搭建屬于自己的、個性化的智能圖像識別系統？”等問題，大多數學生不能很快地給出清晰、準確的答案。因此，教師需要引導學生經歷一次完整的智能圖像識別系統的設計、建設過程，由此幫助學生對智能圖像識別形成深刻的認識和理解，真正促進學生計算思維、工程思維、創新能力的提升。

（2）選擇開源資源。秉持開放、共享理念的開源資源，這些年來有了長足的發展。在教學中，教師適當借助開源資源，可以使學生把主要精力放在重點關注問題的提出、界定、抽象建模以及解決方案的設計等方面，而不是耗費在繁雜的技術細節上。比如，在建設“智能文字識別”系統的過程中，學生搜索相關資源，翻看社區評論，查閱大量資料，最終確定以開源資源“easyOCR”為基礎完成項目建設。這種第三方開源資源的引入，使學生節省了大量的時間，大幅度降低了系統開發的難度，使得項目學習能落在學生的“最近發展區”內，保證了項目建設的完整性。

（3）項目實施過程。智能圖像識別系統內容繁雜，涉及的算法大都艱深難懂，而高中生又課業壓力大，難以有充裕的時間細致研究這些技術細節。基于此，筆者首先帶領學生研讀人工智能的發展史，厘清智能圖像識別的分類和發展脈絡；然后將整個項目工程拆分為若干個子項目，如“文字識別”“物品識別”“人臉識別”“車牌號碼識別”，分而治之、逐一突破，降低了項目實施的難度，保證了項目的順利實施。

這種把整個大項目分解為幾個子項目的過程本身就是計算思維中迭代、分治等算法思想的實踐應用。該階段的實踐能夠綜合鍛煉和提升學生的整體規劃能力、辯證思維、統籌規劃思維、矛盾主次方面的把握等多方面的能力。

因為文字識別系統相對簡單，所以第一個子項目就確定為實現“光學字符識別OCR”系統的搭建。在經歷了軟件安裝、系統配置、算法設計、編程實現等環節的實踐后，學生打造的文字識別系統能夠成功地識別出中文簡體字符。在這個子項目的建設過程中，學生學會了如何借助、使用第三方資源，并學會了使用Python編程語言修改代碼段，把原始系統構建成符合自我創意的個性化信息系統，最終實現了文字識別系統的個性化表達。該項目的主要實施過程如表1所示。

這個子項目的成功實施給了學生巨大的鼓舞，極大地激發了他們繼續探索的熱情，而且這個項目實踐過程的很多策略、方法、做法都可以遷移到其他子項目中，大大增強了學生挑戰難度更大、復雜程度更高的項目的信心，因此余下的幾個子項目的構建就相對順利得多。

在整個項目實施的過程中，需要學生使用工程思維、計算思維抽象出項目的主次方面，每一次問題的提出、探索與解決都是一個算法的設計、實施、評估、反饋的過程。這樣的過程不是一次性就完結了的，而是常常需要往復很多次。在這樣不斷迭代、優化的過程中，學生的計算思維得到了不斷內化和提升。

三、結語

在這樣一個高度數字化、信息化的環境中，計算思維已經成為和閱讀、寫作、算術等同等重要的元認知能力，是高素質數字化人才必備的核心素養之一，而創客教育是公認的、實現學生高階思維培養的良好途徑。每個信息技術教育工作者都應基于學校現有的信息技術軟硬件課程實施環境，主動構建、自主創新，探索適合自己學校條件的、個性化的創客教育內容與方法，提升學生適應未來社會發展的核心素養，努力培養能夠適應未來社會、引領時代發展的一流數字人才，助力我國在第四次工業革命的征途中率先搶占人工智能高地。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?任友群，黃榮懷.普通高中信息技術課程標準（2017版2020年修訂）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2020：41.

［2］ ?呂琳，余峻展，鐘柏昌.面向計算思維培養的跨學科教育項目設計：以STEAM教育項目“模擬投籃游戲”為例［J］.中小學數字化教學，2022（11）：10-14.

（責任編輯 黃春香）