指向計算思維的高中信息技術項目式學習支架設計

【摘 要】本文總結項目式學習在具體實踐中呈現的問題和不足，依托《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》和教材建議，基于學習支架相關理論，提出了指向計算思維的高中信息技術項目式學習支架。在項目式學習過程中，使用問題支架分治激發計算思維，使用類推支架就近發展計算思維，使用可視化支架自主建構計算思維，使用量規支架循證檢驗計算思維。借助項目式學習支架，實現計算思維的激發、發展和評價。

【關鍵詞】計算思維；信息技術；項目式學習；學習支架

【中圖分類號】G434" "【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）05-047-03

項目式學習發展至今，給高中信息技術教學注入了許多活力，但在具體實踐過程中也呈現出一些問題和不足。一是設計的“問題空間”過大，學生的“內部指引”可能難以支撐其走出解決問題的困境。學生或中途放棄參與，使項目式學習活動如同一盤散沙。二是設置的“任務梯度”斷層，教師設計的項目任務未落在學生的最近發展區內，從一個任務到另一個任務的難度梯度過大，學生的認知水平不足以跨越梯度。項目式學習活動令學生望而生畏。三是項目式學習經驗難以積累成知識，容易隨時間遺忘，學生腦海中只有模糊的概念，沒有可視化記憶。四是項目式學習過程只重視結果而忽視了計算思維，對計算思維的感知全憑經驗，導致核心素養無法準確落地。

計算思維是《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》中核心素養的核心。具備計算思維的學生，在信息活動中能夠采用計算機可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立模型、組織數據。指向計算思維的高中信息技術項目式學習支架，旨在通過項目式學習的方式，引導學生運用計算思維解決實際問題，在解決問題中提升計算思維水平[1]。學生的現有水平和潛在的發展水平之間，存在的過渡區域被稱為“最近發展區”。項目式學習支架的設計要基于學生的現有發展區，并挑戰其潛在發展區，安排具有難度梯度的項目活動，幫助學生完成梯級任務、獲得成就，穩步進入下一個發展區。此外，項目式學習支架的設計要基于建構主義學習路徑，強調知識并不是簡單地通過教師傳授得到，而是學生在特定的情境下，通過項目組成員間協作而實現的知識建構[2]。

指向計算思維的項目式學習支架的設計

學習支架作為學生自主建構知識的“腳手架”，它是教師設計的用于幫助學生有意義地解決問題、有效地完成任務的輔助資源。在逐步撤去支架的過程中，教師將管理學習的任務逐漸轉移至學生本人，實現自主建構知識。借助學習支架實施項目式學習，能有效地幫助學生跨越知識斷層，實現在真實情境中激發和發展計算思維，保障項目的實施和學生的學習[3]。

1.學習支架設計依據

一是依據教材設定。浙江教育出版社出版的高中信息技術必修1《數據與計算》中闡明了用算法解決實際問題經歷的一般過程，即問題分解、抽象與建模、設計與描述算法、編寫程序、程序調試與優化。學習支架設計要緊盯這五步來搭建。二是依據項目式學習在具體實踐中呈現的問題和不足。學習支架設計要避免重蹈覆轍[4]。三是依據學習理論。基于最近發展區理論和建構主義學習理論，使學習支架設計有理可循。四是依據其他思想。如大數據處理的分治思想、經驗教學轉向循證教學的思想等。

2.學習支架設計框架

立足于激發、發展和評價高中信息技術計算思維，我們設計了高中信息技術項目式學習支架（圖1），在算法解決問題過程中激發和發展計算思維，利用學習支架輔助算法解決問題[5]。為了訓練學生將復雜問題解構成簡單問題的素養，我們設計了問題支架，引導學生實現復雜問題的過程分解；為了培養學生的抽象與建模能力，我們設計了類推支架，引導學生從特殊現象歸納出一般規律；為了降低學生設計算法的門檻，我們設計了可視化支架，讓學生在代碼和結果圖中反復推敲、嘗試驗證，既能順勢推導也能逆向開發；為了檢驗學生計算思維的發展成效，避免認知不足和經驗偏差，我們設計了量規支架，實現學習支架的反饋和迭代。量規支架與問題支架、類推支架、可視化支架等最大的區別是其貫穿于算法解決問題的全過程。四個支架相輔相成，協同并進，實現項目式學習活動的有序開展和計算思維的穩步提升。

圖1" 高中信息技術項目式學習支架

指向計算思維的項目式學習支架的應用

1.問題支架，分治激發計算思維

問題支架對于激發學生的計算思維具有“化繁為簡”的效果。在教材《數據與計算》中，介紹了大數據處理的重要工具pandas模塊和二維數據結構DataFrame。教師從計算思維的角度出發，幫助學生理解計算機處理二維結構數據的原理——引入大數據的分治思想設計問題支架。分治即分而治之，是把要解決的復雜問題通過某種方式，分解成若干個易于求解的子問題，再將這些子問題的解通過某種方式合并，從而得到復雜問題的解。我們根據分治思想，設計了應用問題支架的任務單。如基于全國各市1950年至2022年的年平均氣溫的表格數據，利用DataFrame數據結構的函數找出近三年平均氣溫最高的七個省份的項目中，教師按照數據導入、清洗和整理、聚合和分組、排序和篩選、可視化和分析等步驟設計問題支架。學生在項目協作中需要逐一解決問題，完成代碼編寫和調試。前一問題的輸出變量作為后一問題的輸入變量，遞進式實現整體項目目標。教師通過問題支架（圖2），激發學生計算思維的產生，從而使學生掌握計算機處理復雜問題的核心密碼，化繁為簡，解決問題。

2.類推支架，就近發展計算思維

類推支架對于發展學生的計算思維具有“細雨潤無聲”的效果。在選擇性必修模塊1《數據與數據結構》中，冒泡排序是實現無序數據序列排列成有序序列的重要方法。教師從計算思維的角度出發，幫助學生理解計算機處理冒泡排序的邏輯和過程：每一趟排序通過比較相鄰元素和交換，來保證較大的元素逐漸從前部移向后部；每一趟排序結束后，實現一個數排列在正確的位置上，直到最后一趟將最后兩個元素都排好位置為止。冒泡排序的規則比較靈活，根據每一趟比較方向不同，既可從前往后“冒泡”，也可從后往前“冒泡”；根據每一趟交換的條件不同，既可升序“冒泡”，也可降序“冒泡”。我們根據學生的現有發展水平，設計了應用類推支架的任務單，基于最近發展區理論，代入真實情境動態模擬，共同完成從前往后“冒泡”的表格，從而鞏固學生的現有發展區，再以出示拓展搭建類推支架，每次控制改變一個變量，在支架“扶手”的支持下，一步步過渡到潛在發展區。類推支架，讓學生的計算思維在潛移默化中形成。

3.可視化支架，自主建構計算思維

可視化支架對于建構學生的計算思維具有“博聞強記”的效果。前文提到pandas模塊中DataFrame數據結構可以模擬大數據分析，但數據結構的變化形態學生難以掌握。從計算思維的角度出發，教師還要啟發學生明晰計算機組織數據的方式以及數據結構變化的過程：為什么求四個賬戶的當日單筆刷卡平均金額需要以“對方賬戶”列進行聚合和分組，聚合分組后的數據是什么數據結構？該數據結構實際包含了幾行幾列？這些問題想要解決，全憑教師講解是遠遠不夠的。基于建構主義學習理論，在項目式學習過程中，鼓勵學生相互討論，通過正向測試和反向逆推的方式建構知識。我們根據學生自主建構知識的需要，設計了應用可視化支架的任務單，利用可視化的結果截圖，倒逼學生在已知代碼和預期效果之間反復思考：代碼這樣補全，數據會排列成什么樣？數據想要排列成那樣，代碼又該如何編寫？可視化支架，幫助學生在項目式學習活動中自主建構知識，輔助圖片強化知識的記憶。使用計算機處理數據分析項目越多，學生越容易形成計算思維。

4.量規支架，循證檢驗計算思維

量規支架對于檢驗學生的計算思維具有“成竹于胸”的效果。學生在項目式學習任務中自主構建知識，激活發展計算思維。但計算思維的發展水平究竟如何，學生認識會滯后，教師感知存偏差。循證評價是一種基于全時、全量數據的評價方法，通過獲取、轉化和使用證據數據來量化計算思維水平，根據評價結果改進前期的學習支架。結合教材和課程標準，根據循證教學的思想，我們設計了兩個檢驗計算思維水平的量規支架。一個是算法解決問題的表現性評價量表（表1），包含五個步驟共十四種行為表現的評價。根據不同項目的側重，賦予自評、他評（組內成員評價）、師評不同的權重，最后加權求和，得出每個步驟的分數和總計得分，用于測定算法解決實際問題過程中。學生計算思維的表現，適用于教材中大部分項目式學習活動。

表1" 算法解決問題的表現性評價量表

步 驟 表現性行為

問題分解 能根據情境提煉出問題和目標；根據具體的問題選擇合適的方法，將大問題分解成小問題，逐步解決

抽象與

建模 理解和運用抽象概念，從特殊情況歸納出一般情況；根據具體的問題和需求，構建合適的數據模型

設計與

描述算法 設計算法的輸入、處理過程和輸出；至少會使用自然語言或流程圖中的一種來描述算法

編寫程序 識別并使用正確的內置模塊和第三方模塊；掌握變量的命名規則并合理設置變量；準確實現鍵入內容和屏幕輸出；順序結構、分支結構、循環結構的識別和使用；整型、字符型、列表、字典等結構的識別和使用；建立不同變量之間的運算規則

程序調試

與優化 找到錯誤代碼的位置并準確修改；減少算法的運行次數，降低時間復雜度

另一個是計算思維能力表現核查表，包含項目中是否體現和學生是否達成兩項核查，從理解計算機如何解決問題、從復雜情況抽取關鍵特征，據此構建相應的結構模型、掌握程序設計的基本原理、合理地組織和管理數據、能利用計算思維解決實際問題、能將其遷移到與之相關的其他問題中并解決等方面對學生能力表現進行核查，適用于教材中某些難度大、非典型的體驗式項目，如必修2《信息系統與社會》中基于Flask模塊實現網絡聊天的項目活動。量表和核查表作為量規支架，可以建立評價證據，使教師對學生思維發展“成竹于胸”。

結" 語

未來高中信息技術項目式學習，將呈現更加個性化、深度化、跨學科化、技術多樣化、評價多元化、資源共享化等趨勢。這將為培養學生的計算思維和解決問題的能力提供更加廣闊的空間和機遇。依托學習支架的項目式學習，能夠幫助學生順利穿越“最近發展區”，自主建構學習知識。在項目式學習實踐過程中，我們需要追尋理性之源和育人至善，為學生的成長和教育的高質量發展貢獻力量。

注：本文系浙江省杭州市教育科學規劃領導小組辦公室2023年度市規劃課題“項目裂變：農村高中生信息技術計算思維建構的路徑研究”（課題編號：2023G156）階段性研究成果

參考文獻

白珍，王煜. 以數學建模為核心算法設計教學中的計算思維實踐[J]. 中國信息技術教育，2017（15）： 3.

吳憲辰，劉奎. 面向計算思維培養的高中人工智能課程PBL教學模式研究[J]. 中國現代教育裝備，2020（10）： 33-35.

宋敏毅. 指向計算思維的Python編程教學項目設計：以“數值計算”為例[J]. 中國信息技術教育，2023（21）： 49-51.

張文蘭，楊雪瓊. 基于國家課程的項目化教學能力的結構與內涵[J]. 教育信息技術，2021（7）： 3-7.

宋煦. 基于計算思維的“火柴數字問題”學習支架設計與應用[J]. 中國信息技術教育，2023（11）： 40-43.