基于計(jì)算思維的信息科技學(xué)科實(shí)踐 設(shè)計(jì)與實(shí)施

洪優(yōu)萍 浙江省杭州市高新區(qū)（濱江）教育研究院

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“義教新課標(biāo)”）指出，義務(wù)教育信息科技課程具有基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和綜合性[1]，實(shí)踐性作為信息科技課程性質(zhì)之一，凸顯了學(xué)科實(shí)踐在落實(shí)信息科技學(xué)科育人價(jià)值中的重要性。從信息科技的學(xué)科實(shí)踐視角來看，很多真實(shí)問題的解決過程或不同領(lǐng)域使用的軟硬件產(chǎn)品或應(yīng)用系統(tǒng)，都會(huì)融合科學(xué)原理、思維方法與處理過程，從而達(dá)到工程實(shí)現(xiàn)。因此，信息科技學(xué)科實(shí)踐主要指向科學(xué)原理的探究及運(yùn)用過程、運(yùn)用學(xué)科思維解決問題的過程和信息處理與實(shí)現(xiàn)的過程等，驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與、積極實(shí)踐與意義建構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生對信息科技學(xué)科本質(zhì)的理解，從而幫助學(xué)生逐步形成核心素養(yǎng)。

●基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐內(nèi)涵

計(jì)算思維是信息科技學(xué)科特有的學(xué)科思想，即用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法去進(jìn)行問題求解?；谟?jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐，是具有信息科技學(xué)科特質(zhì)的學(xué)科實(shí)踐路徑，其遵循計(jì)算思維特征及其過程要素，將學(xué)科知識(shí)包裹在問題情境中，以問題解決為主線，按照計(jì)算思維的學(xué)科思想，沿著問題界定、問題分析、問題求解、遷移應(yīng)用的學(xué)習(xí)邏輯開展實(shí)踐探究活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

●基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.體現(xiàn)學(xué)科實(shí)踐的目標(biāo)

計(jì)算思維是學(xué)生核心素養(yǎng)中的一個(gè)重要維度，在基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐設(shè)計(jì)中，教師要深入理解計(jì)算思維的特征及過程表現(xiàn)，運(yùn)用計(jì)算思維開展實(shí)踐探究學(xué)習(xí)，在真實(shí)且富有意義的問題探究與解決中深化對學(xué)科知識(shí)的理解、建構(gòu)與遷移運(yùn)用，有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，并與核心素養(yǎng)的其他三個(gè)方面相互支持與滲透，共同促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2.促進(jìn)學(xué)科理解的路徑

基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐，要注重育人目標(biāo)的整體性，明確不同學(xué)段計(jì)算思維的發(fā)展目標(biāo)；要明晰學(xué)習(xí)內(nèi)容的適切性，針對不同學(xué)段的內(nèi)容模塊，選擇適合運(yùn)用計(jì)算思維開展學(xué)科實(shí)踐的學(xué)習(xí)內(nèi)容；要關(guān)注實(shí)踐路徑的多樣性，針對不同學(xué)段素養(yǎng)目標(biāo)與不同學(xué)習(xí)內(nèi)容特征，設(shè)計(jì)相應(yīng)的學(xué)科實(shí)踐路徑。

3.基于計(jì)算思維的線索

運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的過程包含問題界定、抽象建模、算法設(shè)計(jì)、驗(yàn)證優(yōu)化、遷移運(yùn)用等關(guān)鍵要素。學(xué)科實(shí)踐則是引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)學(xué)科思想方法，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、建構(gòu)知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)的過程?；谟?jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐，是以計(jì)算思維為引領(lǐng)，從而建構(gòu)“問題界定—抽象建?！惴ㄔO(shè)計(jì)—驗(yàn)證優(yōu)化—遷移運(yùn)用”的學(xué)科實(shí)踐線索。

●基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐實(shí)施策略

1.厘清計(jì)算思維學(xué)段特征，明確實(shí)踐目標(biāo)

依據(jù)義教新課標(biāo)對計(jì)算思維學(xué)段特征、學(xué)段目標(biāo)的闡述，可以明確計(jì)算思維在不同學(xué)段的具體發(fā)展目標(biāo)，體現(xiàn)了計(jì)算思維的循序漸進(jìn)和螺旋式發(fā)展。第一學(xué)段能用語言描述問題解決的過程；第二學(xué)段要針對實(shí)際問題或?qū)W習(xí)需求，將問題進(jìn)行過程分解，能用圖示或文字等方式描述問題解決的順序；第三學(xué)段通過體驗(yàn)身邊的算法，能對問題展開分析，用自然語言和流程圖等方式描述算法，并驗(yàn)證或編程實(shí)現(xiàn)，然后對其進(jìn)行優(yōu)化；第四學(xué)段要能在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問題，提取問題特征，制訂并執(zhí)行解決方案，反思優(yōu)化并遷移運(yùn)用。

如表1所示，在進(jìn)行計(jì)算思維目標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，要依據(jù)不同學(xué)段特征，明確學(xué)科實(shí)踐的進(jìn)階發(fā)展目標(biāo)。

表1

2.立足計(jì)算思維問題情境，形成實(shí)踐主題

在進(jìn)行基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐過程中，要以學(xué)科知識(shí)為基礎(chǔ)，與現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)問題相關(guān)聯(lián)，依據(jù)計(jì)算思維學(xué)段目標(biāo)，選擇能用計(jì)算思維的實(shí)踐路徑來解決的問題情境，從而形成學(xué)科實(shí)踐的探究主題，增強(qiáng)學(xué)生認(rèn)識(shí)真實(shí)世界、解決真實(shí)問題的能力。

例如，《自動(dòng)控制燈》案例源于信息科技課程第三學(xué)段的“過程與控制”模塊。教師結(jié)合本模塊的內(nèi)容要求及學(xué)業(yè)要求，對本項(xiàng)目中的學(xué)科知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化梳理，本模塊主要包含“系統(tǒng)與模塊”“反饋與優(yōu)化”“邏輯與運(yùn)算”三個(gè)部分，具體如圖1所示。

為了更好地將學(xué)科知識(shí)與核心素養(yǎng)融合，筆者設(shè)計(jì)了本案例的學(xué)習(xí)目標(biāo)（如下頁表2），將其與核心素養(yǎng)相對應(yīng)。

表2

圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)，教師首先嘗試將學(xué)科知識(shí)與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)實(shí)生活、社會(huì)實(shí)踐鏈接，依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)與學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，選擇生活中常見的控制系統(tǒng)，以“自動(dòng)控制燈”為應(yīng)用場景，提出驅(qū)動(dòng)性問題：“生活中的燈有時(shí)無法滿足我們的需求，如何使用控制系統(tǒng)來解決這些問題？”接著，根據(jù)計(jì)算思維的實(shí)踐路徑，將驅(qū)動(dòng)性問題拆解為六個(gè)子問題：“生活中的燈存在哪些問題？”“如何讓燈從手動(dòng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽钥刂苹蜃屪詣?dòng)控制更加精準(zhǔn)？”“該怎樣從控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)入手進(jìn)行設(shè)計(jì)？”“如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)仿真的控制系統(tǒng)？”“小組實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制燈存在哪些值得改進(jìn)的地方？”“控制系統(tǒng)還可以來解決哪些問題？”通過子問題的解決來解決大問題，以此推動(dòng)實(shí)踐線索的設(shè)計(jì)。

3.基于計(jì)算思維過程要素，設(shè)計(jì)實(shí)踐線索

在基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐中，教師可以依據(jù)計(jì)算思維的過程要素，沿著“問題界定—抽象建?！惴ㄔO(shè)計(jì)—驗(yàn)證優(yōu)化—遷移運(yùn)用”的流程設(shè)計(jì)實(shí)踐線索。問題界定是解決問題的第一步，明確當(dāng)前問題可以用計(jì)算思維來解決，運(yùn)用化繁為簡、化大為小的思想，將問題分解為多個(gè)可以解決的小問題或者小模塊。抽象建模是從具象到抽象的過程，抓住問題的核心，提取關(guān)鍵要素，得到問題的形式化表達(dá)，構(gòu)建真實(shí)問題自動(dòng)化求解的模型，為下一步計(jì)算機(jī)自動(dòng)化求解做準(zhǔn)備。算法設(shè)計(jì)是將求解問題進(jìn)行分步驟解決方案的描述，可以運(yùn)用算法的三種基本結(jié)構(gòu)來進(jìn)行表述，并轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠理解的語言。驗(yàn)證優(yōu)化是驗(yàn)證解決問題的過程，以此來反思并優(yōu)化問題解決的方案。遷移運(yùn)用是在解決一個(gè)具體問題后進(jìn)行的總結(jié)歸納，形成解決問題的方法，并將其遷移運(yùn)用到其他問題求解中。

例如，《亞運(yùn)知識(shí)問答器》一課是立足學(xué)校開展的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，教師可以以“如何設(shè)計(jì)一款亞運(yùn)知識(shí)問答器”為問題驅(qū)動(dòng)，以其中一個(gè)子活動(dòng)“如何設(shè)計(jì)具有基本功能的知識(shí)問答器”為例，聚焦核心概念——分支結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生通過經(jīng)歷基于計(jì)算思維的實(shí)踐線索解決問題，具體過程如表3所示。

表3

4.遵循計(jì)算思維發(fā)展規(guī)律，調(diào)整實(shí)踐進(jìn)程

計(jì)算思維在不同學(xué)段有相應(yīng)的特征與目標(biāo)，在開展基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)中，要依據(jù)不同學(xué)段的具體要求，動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)踐進(jìn)程。第一學(xué)段和第二學(xué)段的要求相對較低，能用語言、圖示或文字等方式描述問題解決的過程，則可以將實(shí)踐路徑調(diào)整為：問題界定—抽象建模—算法設(shè)計(jì)。第三學(xué)段能對問題展開分析，用自然語言和流程圖等方式描述算法，并驗(yàn)證或編程實(shí)現(xiàn)，再對其進(jìn)行優(yōu)化，則可以將實(shí)踐路徑調(diào)整為：問題界定—抽象建模—算法設(shè)計(jì)—驗(yàn)證優(yōu)化。第四學(xué)段能提取問題特征，制訂并執(zhí)行解決方案，反思優(yōu)化并遷移運(yùn)用，則實(shí)踐路徑為：問題界定—抽象建?！惴ㄔO(shè)計(jì)—驗(yàn)證優(yōu)化—遷移運(yùn)用。

在學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)中，教師也要關(guān)注學(xué)科實(shí)踐的實(shí)際學(xué)習(xí)進(jìn)程，根據(jù)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展情況，對學(xué)科實(shí)踐路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在解決較為復(fù)雜的情境問題時(shí)，運(yùn)用模塊化思想，將大問題分解成小問題，運(yùn)用計(jì)算思維的實(shí)踐線索逐個(gè)解決小問題，以此實(shí)現(xiàn)問題的整體解決。

●基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐實(shí)施成效

1.立足學(xué)科思維，形成多維實(shí)踐路徑

在設(shè)計(jì)與實(shí)施的過程中，教師可以依據(jù)不同學(xué)段學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律以及課程內(nèi)容模塊的性質(zhì)，動(dòng)態(tài)選擇計(jì)算思維的過程要素，形成多樣化的學(xué)習(xí)線索（如圖2）。

圖2 基于計(jì)算思維的多維實(shí)踐線索

不同的問題情境有不同的復(fù)雜度，針對簡單的問題，教師可以圍繞計(jì)算思維的過程要素進(jìn)行解決。針對較為復(fù)雜的問題情境，就需要通過模塊化思想來設(shè)計(jì)與實(shí)踐。如圖3所示，以問題解決為邏輯線，遵循模塊化思想，將計(jì)算思維線融入其中，通過自頂向下設(shè)計(jì)、自下而上實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐路徑，實(shí)現(xiàn)問題解決。

圖3 基于模塊化思想的實(shí)踐線索

2.基于學(xué)科實(shí)踐，助力學(xué)教方式轉(zhuǎn)變

在實(shí)踐研究中，基于學(xué)科實(shí)踐特征，能夠形成基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐新路徑，助力學(xué)教方式的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)了從知識(shí)為本轉(zhuǎn)向素養(yǎng)為本，真正為學(xué)生的核心素養(yǎng)發(fā)展服務(wù)，同時(shí)促進(jìn)了學(xué)習(xí)內(nèi)容的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)了素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂建構(gòu)。

3.促進(jìn)學(xué)科理解，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)

基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐，是具有學(xué)科特質(zhì)的實(shí)踐路徑，它以問題情境為驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷計(jì)算思維發(fā)展的全過程，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的建構(gòu)與應(yīng)用，提升問題解決能力，促進(jìn)學(xué)科理解，逐步發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

●結(jié)束語

基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐，是具有信息科技學(xué)科特質(zhì)的學(xué)科實(shí)踐路徑。教師在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要理解基于計(jì)算思維的學(xué)科實(shí)踐內(nèi)涵，而且要關(guān)注育人目標(biāo)的進(jìn)階性、學(xué)習(xí)內(nèi)容的適切性和實(shí)踐路徑的多樣性。在實(shí)施過程中，教師應(yīng)遵循計(jì)算思維的過程要素、學(xué)段特征和發(fā)展規(guī)律等來設(shè)計(jì)學(xué)科實(shí)踐路徑，開展學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，助力學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)信息科技課程的獨(dú)特育人價(jià)值。