“闖關(guān)式”教學(xué)法指導(dǎo)下的高中算法應(yīng)用模塊課程設(shè)計(jì)

楊溢博，吳虬，劉濤，許靖宇

（天津師范大學(xué)教育學(xué)部，天津 300000）

1 研究背景

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017 年版2020修訂版）（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）指出：普通高中信息技術(shù)課程是一門(mén)旨在全面提升學(xué)生信息素養(yǎng)，幫助學(xué)生掌握信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)與技能、增強(qiáng)信息意識(shí)、發(fā)展計(jì)算思維、提高數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力、樹(shù)立正確的信息社會(huì)價(jià)值觀和責(zé)任感的基礎(chǔ)課程。

計(jì)算思維作為信息技術(shù)課程新標(biāo)準(zhǔn)中重要的核心素養(yǎng)，是21世紀(jì)公民的必備能力之一。高中生作為新一代的“數(shù)字土著”，利用信息技術(shù)進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，鍛煉提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力十分重要[1]。而隨著新課標(biāo)的全面推進(jìn)，多數(shù)教材已不適應(yīng)新課標(biāo)中的理念，主要原因有二：一是大多數(shù)教材基于工具或經(jīng)驗(yàn)，對(duì)學(xué)科思維理解不明確。二是對(duì)單一指向的核心素養(yǎng)培養(yǎng)的缺失，而并非課程教材的項(xiàng)目推進(jìn)教學(xué)。特別是針對(duì)算法應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)，大部分教材只是單純進(jìn)行知識(shí)的講解，忽略了應(yīng)用這一重要模塊[2]。

算法的設(shè)計(jì)與分析是計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心問(wèn)題之一。通過(guò)學(xué)習(xí),學(xué)生可以掌握算法設(shè)計(jì)的常用方法，以便利用這些方法去獨(dú)立設(shè)計(jì)解決各類實(shí)際問(wèn)題。由于算法抽象性高、邏輯性極強(qiáng)，因此要求學(xué)生具有較高的抽象思維能力,導(dǎo)致學(xué)生在算法學(xué)習(xí)中往往存在很大的難度，也給教學(xué)提出了較高要求。

探究式教學(xué)是學(xué)生通過(guò)教師指導(dǎo)而進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)的方法，讓學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí)，經(jīng)歷科學(xué)探究、自主學(xué)習(xí)的過(guò)程。探究式教學(xué)通過(guò)加大邏輯思維探究而提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。這種教學(xué)模式非常適用于算法教學(xué)，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容,通過(guò)設(shè)置問(wèn)題情境,引導(dǎo)、輔助學(xué)生去自主探究算法的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)直至優(yōu)化。

“闖關(guān)式”教學(xué)法中，教師需要將一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目分解形成關(guān)卡，并為每個(gè)關(guān)卡配上相應(yīng)的闖關(guān)提示。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下根據(jù)闖關(guān)提示進(jìn)行闖關(guān)。隨著一個(gè)個(gè)關(guān)卡的完成，學(xué)生的成就感也會(huì)增強(qiáng)。而且先前關(guān)卡的完成情況還會(huì)影響后續(xù)關(guān)卡的進(jìn)行，迫使學(xué)生主動(dòng)探索知識(shí)。“闖關(guān)式”教學(xué)法下的算法應(yīng)用模塊課程，能讓學(xué)生充分融入課堂，有效改善課堂沉悶的狀況[3]。

對(duì)分課堂教學(xué)模式是由復(fù)旦大學(xué)心理系教授張學(xué)新提出的教學(xué)模式，以課上先由教師講授，課下學(xué)生自主內(nèi)化，再隔堂討論為主要特征，學(xué)生由教師引導(dǎo)進(jìn)行有方向、有目的地自主學(xué)習(xí)[4]。對(duì)分課堂教學(xué)模式下的算法應(yīng)用模塊課程中，教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者與推進(jìn)者，能很好地把控教學(xué)進(jìn)度與教學(xué)方向；學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，在小組合作與討論中充分發(fā)揮自身特長(zhǎng)，在討論中主動(dòng)進(jìn)行對(duì)知識(shí)的建構(gòu)，全面把握算法知識(shí)。

2 計(jì)算思維技能培養(yǎng)課程開(kāi)展現(xiàn)狀

高中信息技術(shù)課程包含理論基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐操作學(xué)習(xí)兩個(gè)方面。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下的信息技術(shù)課堂注重教師課上講授，重理論而輕實(shí)踐，難以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，不能培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)以及創(chuàng)新能力[4]。

同時(shí)，信息技術(shù)課程中算法應(yīng)用模塊缺少系統(tǒng)性的單元課程設(shè)計(jì)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)無(wú)法體會(huì)算法的綜合運(yùn)用，也無(wú)法將所學(xué)的知識(shí)形成緊密的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。

孫增國(guó)、文珊珊[4]提出對(duì)分課堂教學(xué)模式，將傳統(tǒng)講授法和討論法有機(jī)結(jié)合，并融入自主內(nèi)化吸收，強(qiáng)調(diào)過(guò)程性評(píng)價(jià)，有效改善了信息技術(shù)課程中實(shí)踐操作的教學(xué)效果和課堂現(xiàn)狀。

劉艷松等學(xué)者指出，理論與實(shí)踐分開(kāi)授課，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)融合，教學(xué)形式呆板，不便于學(xué)生對(duì)知識(shí)技能的掌握。

基于此，上述學(xué)者提出了課程教學(xué)內(nèi)容改革和線上、線下混合式教學(xué)實(shí)踐，創(chuàng)新了以學(xué)生為中心，以案例為載體，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為主線，融理論、實(shí)踐、專業(yè)化、創(chuàng)新、德育為一體的混合式教學(xué)模式[5]。

知名學(xué)者Tak Yeon Lee等研究者依照兒童的技能與興趣開(kāi)發(fā)了一個(gè)游戲系統(tǒng)，以特別的方法來(lái)助力他們更加準(zhǔn)確地表達(dá)算法思維。美國(guó)學(xué)者Cagin Kazimoglu等人[6]闡釋了一種新型游戲模式，即通過(guò)數(shù)字游戲來(lái)培養(yǎng)計(jì)算思維。該團(tuán)隊(duì)以設(shè)計(jì)游戲框架、分析游戲如何支持不同的計(jì)算思維概念以及這些概念是如何被設(shè)計(jì)成建構(gòu)程序來(lái)鼓勵(lì)基于學(xué)習(xí)的引導(dǎo)式計(jì)算思維。

毛如進(jìn)[7]認(rèn)為教師的指導(dǎo)引領(lǐng)是學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)探索的必備前提，學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中利用的教學(xué)媒體正是有效實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的輔助工具，而進(jìn)行游戲化教學(xué)可以發(fā)揮闖關(guān)游戲、教師的主導(dǎo)作用和學(xué)習(xí)者的主體作用。高嬌[8]也同樣主張將游戲與教學(xué)相結(jié)合，用創(chuàng)新性的教學(xué)方法來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

然而，多數(shù)游戲化教學(xué)的開(kāi)展只針對(duì)解決單一問(wèn)題，對(duì)于系統(tǒng)性的計(jì)算思維培養(yǎng)比較缺失。計(jì)算思維培養(yǎng)也存在著一些效果并不明顯、學(xué)習(xí)者通過(guò)學(xué)習(xí)帶來(lái)的效益不顯著問(wèn)題。

3 高中生計(jì)算思維技能培養(yǎng)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 課程內(nèi)容概述

本課程在新課標(biāo)的指導(dǎo)下，以CTACK（計(jì)算思維-活動(dòng)-學(xué)科知識(shí)）框架為基礎(chǔ)，明晰信息技術(shù)課程計(jì)算思維結(jié)構(gòu)，從抽象、程序化、分解、評(píng)估、概括五個(gè)方面解構(gòu)計(jì)算思維技能這一信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)[9]，并基于此對(duì)課程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文以項(xiàng)目組所開(kāi)發(fā)課程的算法應(yīng)用模塊為例進(jìn)行章節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)。本章節(jié)從排列組合、概率、余數(shù)的運(yùn)用以及遞歸的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，通過(guò)回顧先前所學(xué)的算法知識(shí)，而后解決實(shí)際問(wèn)題，夯實(shí)計(jì)算思維技能在設(shè)計(jì)課程時(shí)，本團(tuán)隊(duì)將章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行整合，學(xué)生需要通過(guò)綜合使用先前所學(xué)知識(shí)進(jìn)而解決問(wèn)題，有助于將先前所學(xué)習(xí)的零散的知識(shí)形成整體性、系統(tǒng)性的知識(shí)體系，幫助學(xué)生對(duì)課程整體內(nèi)容進(jìn)行把握。

3.2 課程內(nèi)容改革

在算法應(yīng)用這一模塊的課程實(shí)施中，本項(xiàng)目組從學(xué)科思維的視角搭建學(xué)科核心素養(yǎng)架構(gòu)，將計(jì)算思維作為其主要導(dǎo)向標(biāo)。并且從教材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面出發(fā)，為使其更具指向性與可操作性，能夠在教學(xué)實(shí)踐中充分體現(xiàn)出計(jì)算思維、活動(dòng)與學(xué)科知識(shí)三者之間相輔相成、互為依托的培育意識(shí)，能夠在教學(xué)應(yīng)用中致力于證明課程與教學(xué)論觀點(diǎn)的自洽邏輯，本團(tuán)隊(duì)基于核心素養(yǎng)“三層結(jié)構(gòu)”，圍繞CTACK關(guān)系框架，完成課程內(nèi)容的設(shè)置。

在本章節(jié)的課程內(nèi)容設(shè)置中，教材從具體的學(xué)科知識(shí)出發(fā)，結(jié)合不同的具體教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行內(nèi)容整合與改革。比如第三節(jié)：網(wǎng)絡(luò)傳輸奇偶校驗(yàn)——余數(shù)的應(yīng)用中，就聯(lián)系教材第二章第三節(jié)：有效分組的余數(shù)等基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)纳顟?yīng)用情境，幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的總結(jié)和遷移復(fù)習(xí)。

在本章節(jié)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，本項(xiàng)目組基于完整性原則與分層接受原則，設(shè)計(jì)豐富多彩、趣味性強(qiáng)、學(xué)生能接受的難關(guān)，并通過(guò)合理安排分組（高低搭配、組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)），在高度興奮中積極主動(dòng)地完成教學(xué)項(xiàng)目、真正學(xué)到知識(shí)，從而夯實(shí)算法知識(shí)[7]。

在本章節(jié)的課程準(zhǔn)備中，對(duì)分課堂教學(xué)模式與基于闖關(guān)游戲的游戲化教學(xué)課堂對(duì)教師有更加嚴(yán)格和細(xì)致的要求，但教師只需將教學(xué)重點(diǎn)聚焦于解決教材相關(guān)內(nèi)容、完成既定的教學(xué)目標(biāo)即可。教師可采取課下與學(xué)生交流探討的方式解決更多的問(wèn)題[4]。

在本章節(jié)的課程實(shí)施中，本項(xiàng)目組以行動(dòng)導(dǎo)向?yàn)橹笇?dǎo)、以游戲闖關(guān)為指引、以學(xué)生為中心推進(jìn)教學(xué)。教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，教學(xué)重點(diǎn)在傳授學(xué)習(xí)方法，并給予學(xué)生幫助與鼓勵(lì)[7]。

在本章節(jié)的課程評(píng)價(jià)中，教師與學(xué)生處于平等地位，兩者均為評(píng)價(jià)主體，本項(xiàng)目組關(guān)注于個(gè)體差異，并將評(píng)價(jià)過(guò)程、終結(jié)性評(píng)價(jià)與發(fā)展性評(píng)價(jià)相結(jié)合，力圖將評(píng)價(jià)內(nèi)容綜合化、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)層次化。

3.3 章節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

1）學(xué)情分析

本章課程面對(duì)的對(duì)象為高一年級(jí)的學(xué)生，以下對(duì)學(xué)生的基本學(xué)情展開(kāi)分析。

信息技術(shù)學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備：學(xué)生通過(guò)對(duì)算法知識(shí)的學(xué)習(xí)，提高了分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，能根據(jù)不同的問(wèn)題情境選擇合適算法以解決問(wèn)題。但是在先前學(xué)習(xí)中，只是對(duì)算法知識(shí)以及計(jì)算思維技能進(jìn)行簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)應(yīng)用，先前學(xué)習(xí)的零散知識(shí)點(diǎn)未在學(xué)生腦中形成有條理的知識(shí)體系。

其他學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備：學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)科中已經(jīng)形成了穩(wěn)固的計(jì)算概念，為學(xué)生在算法的應(yīng)用與實(shí)踐中奠定基礎(chǔ)。但是學(xué)生可能會(huì)將數(shù)學(xué)學(xué)科中的計(jì)算方法與信息技術(shù)學(xué)科中的算法概念相混淆，會(huì)對(duì)學(xué)生利用算法解決問(wèn)題造成影響。

生活知識(shí)儲(chǔ)備：學(xué)生在生活中有豐富的有關(guān)排序、遞歸等算法的感性經(jīng)驗(yàn)，并能從貼近生活的問(wèn)題情境中抽象出題目模型，進(jìn)而利用適合于問(wèn)題情境的算法解決問(wèn)題。

學(xué)生一般風(fēng)格、能力：高一年級(jí)學(xué)生具備辯證思維與抽象思維，但以上思維尚未成熟。同時(shí)高一年級(jí)學(xué)生在信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)上不僅依據(jù)個(gè)人偏好，還具有一定目的。

2）章節(jié)教學(xué)目標(biāo)

第一，學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)闖關(guān)游戲的游戲化教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)先前知識(shí)的綜合性運(yùn)用，進(jìn)一步夯實(shí)先前所學(xué)習(xí)的算法的相關(guān)知識(shí)，提升計(jì)算思維技能。

第二，學(xué)生通過(guò)解決闖關(guān)游戲中的問(wèn)題，感悟算法思想與計(jì)算思維，體會(huì)算法的多樣性及其在解決問(wèn)題中的應(yīng)用。

第三，通過(guò)學(xué)習(xí)本章知識(shí)，能主動(dòng)利用算法知識(shí)與計(jì)算思維技能解決生活中的問(wèn)題，提升分析與解決問(wèn)題的能力。

最后，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)本章知識(shí)，提升信息素養(yǎng)，拓寬眼界。

3）教學(xué)策略、教學(xué)環(huán)境與教學(xué)資源

教學(xué)策略：為實(shí)現(xiàn)本章教學(xué)目標(biāo)，有效突破教學(xué)重難點(diǎn)，本章教學(xué)將“闖關(guān)式”教學(xué)法與對(duì)分課堂教學(xué)模式結(jié)合。課前，學(xué)生自行回顧所學(xué)算法知識(shí)，并完成測(cè)評(píng)題目，教師根據(jù)測(cè)評(píng)結(jié)果進(jìn)行課程的分層分組；課中，利用采用層層遞進(jìn)的闖關(guān)任務(wù)設(shè)計(jì)與學(xué)生自主學(xué)習(xí)的方式，并通過(guò)教師引導(dǎo)以及階段性的總結(jié)與歸納作為問(wèn)題解決的支架，助力學(xué)生將所學(xué)的算法知識(shí)與技能進(jìn)行系統(tǒng)性地運(yùn)用。在闖關(guān)過(guò)程中，教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組合作與討論，以提升學(xué)生的抽象辯證思維，促進(jìn)學(xué)生將計(jì)算思維技能與算法知識(shí)內(nèi)化；課后，教師布置分層闖關(guān)題目，方便學(xué)生在課后拓展提高[3]。

教學(xué)環(huán)境：信息技術(shù)課程側(cè)重于動(dòng)手實(shí)踐與操作，因此設(shè)備的支持尤為重要。學(xué)生在信息技術(shù)課堂上可以使用機(jī)房電腦進(jìn)行學(xué)習(xí)。此外，學(xué)生也可以在手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行靈活性更高的移動(dòng)學(xué)習(xí)[4]。

教學(xué)資源：教師利用多種信息化的手段，為學(xué)生提供豐富的課內(nèi)外教學(xué)資源。同時(shí)教師根據(jù)教學(xué)進(jìn)程向?qū)W生發(fā)放不同的闖關(guān)題目，以提高教學(xué)效果。

4）教學(xué)過(guò)程

教師導(dǎo)入闖關(guān)情景：教師首先結(jié)合先前所學(xué)的知識(shí)以及闖關(guān)素材將學(xué)生引入游戲情景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，每個(gè)大關(guān)卡內(nèi)設(shè)置有難度層層遞進(jìn)的小關(guān)卡。教師依據(jù)課前的評(píng)估測(cè)試將學(xué)生進(jìn)行分組，開(kāi)設(shè)闖關(guān)主題（以排列組合為例，微課視頻內(nèi)的課前闖關(guān)題目如表1所示，課中闖關(guān)如表2所示），展示關(guān)卡：

表1 微課視頻中闖關(guān)題目的設(shè)置

表2 課中闖關(guān)題目設(shè)置

第一關(guān)：用計(jì)算機(jī)破解密碼。

第二關(guān)：用概率求π近似值。

第三關(guān)：用余數(shù)完成網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男ｒ?yàn)。

第四關(guān)：用遞歸快速解決漢諾塔問(wèn)題。

教師任務(wù)引導(dǎo)，學(xué)生探索闖關(guān)：教師把握教學(xué)節(jié)奏，控制好每一關(guān)卡的答題時(shí)間，并將限制的時(shí)間長(zhǎng)度告知學(xué)生，告知學(xué)生任務(wù)要求，給予學(xué)生一定時(shí)間進(jìn)行思考討論。學(xué)生開(kāi)始小組活動(dòng)。

教師觀察指導(dǎo)，學(xué)生完成闖關(guān)任務(wù)、數(shù)據(jù)記錄和匯報(bào)：教師在學(xué)生進(jìn)行小組討論的時(shí)候進(jìn)行巡視指導(dǎo)，對(duì)有問(wèn)題的學(xué)生及時(shí)進(jìn)行排疑解惑，隨機(jī)點(diǎn)名，要求學(xué)生對(duì)討論結(jié)果及解答報(bào)告進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的匯報(bào)。學(xué)生在小組內(nèi)部積極討論，做好記錄，完成匯報(bào)。

教師進(jìn)行評(píng)價(jià)、講授和收集數(shù)據(jù)，學(xué)生鞏固強(qiáng)化：教師對(duì)進(jìn)行匯報(bào)的內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)，講述過(guò)關(guān)的正確思路，并收集學(xué)生的相關(guān)記錄進(jìn)行打分。學(xué)生認(rèn)真聽(tīng)教師講解正確思路，對(duì)照自己的解題思路，反思自己的解題方法，從而對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固和強(qiáng)化。

布置課后作業(yè)，學(xué)生完成對(duì)應(yīng)的課后關(guān)卡：教師根據(jù)學(xué)生做好的記錄得分進(jìn)行分析，根據(jù)不同層次的小組布置對(duì)應(yīng)難度的課后練習(xí)作業(yè)，課后作業(yè)也將設(shè)置成不同難度層次的闖關(guān)任務(wù)（以計(jì)算機(jī)破解密碼為例，課后闖關(guān)如圖1所示）：“入門(mén)闖關(guān)任務(wù)”“普通闖關(guān)任務(wù)”“提高闖關(guān)任務(wù)”。保證題目難度適合不同學(xué)習(xí)要求的學(xué)生[7]。

圖1 課后闖關(guān)題目層次設(shè)計(jì)

5）教學(xué)評(píng)價(jià)

在設(shè)計(jì)本章節(jié)教學(xué)評(píng)價(jià)的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，需結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)學(xué)生自評(píng)表、小組評(píng)價(jià)表和教師評(píng)價(jià)表。

學(xué)生自評(píng)表從學(xué)生在課上的表現(xiàn)、態(tài)度、能力等維度出發(fā)，來(lái)對(duì)其自身進(jìn)行評(píng)價(jià)，學(xué)生根據(jù)每個(gè)維度的具體行為表現(xiàn)的描述為自己評(píng)分，在一定程度上也起到了自己監(jiān)督的作用；小組評(píng)價(jià)表是根據(jù)組員在小組活動(dòng)中的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以提升學(xué)生合作學(xué)習(xí)的能力；教師評(píng)價(jià)表則體現(xiàn)學(xué)生的整體學(xué)習(xí)狀況，主要評(píng)價(jià)學(xué)生的作業(yè)，以督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目組基于高中信息技術(shù)課堂中算法應(yīng)用模塊課程現(xiàn)狀，結(jié)合高一年級(jí)學(xué)生的特點(diǎn)，將“闖關(guān)式”教學(xué)法與對(duì)分課堂教學(xué)模式結(jié)合，對(duì)算法應(yīng)用模塊內(nèi)容進(jìn)行章節(jié)設(shè)計(jì)，將原本零散的算法應(yīng)用模塊的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行歸納整合，讓學(xué)生在闖關(guān)中做到綜合運(yùn)用算法知識(shí)，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，能在一定程度上改善高中信息技術(shù)課程的現(xiàn)狀。