指向計算思維能力培養的任務驅動式編程教學研究

摘要：本文基于計算思維三維框架（計算概念、計算實踐、計算觀念）和任務驅動法的任務分類（封閉性任務、半開放性任務、開放性任務）構建面向計算思維培養的任務驅動式編程教學模型，并以“火柴棒擺數字”問題為例進行編程實踐。實踐證明，通過該模型進行教學對學生的計算思維有一定的促進作用。

關鍵詞：計算思維；任務驅動；Python編程

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）24-0058-04

問題的提出

隨著《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》的落地，計算思維的培養和貫徹已成為全學段的教學目標。因此，信息技術課程應從“知識本位”轉變成“育人為本”[1]，不再僅僅注重操作性的知識習得，更要注重培養學生的核心素養，特別是在編程教育中培養計算思維能力顯得尤為重要。

具身認知理論認為，學習是一個心智、身體與環境間保持動態平衡的過程，強調認知的情境性和身體性。[2]因此，在高中信息技術課堂教學中，教師應創設真實的問題情境，并設計層層遞進的實踐任務，幫助學生形成連貫的學習內容和提升計算思維能力。而信息技術課程中最常用的教學方法是任務驅動法，即學生根據恰當的任務設置，在協作探究式學習中激活思維，運用已有的知識技能并結合新的知識去完成任務。所以，面向計算思維培養的任務驅動式教學就是為了使學生在真實的問題情境中學習，通過實踐任務形成連貫的知識體系，并在解決問題的過程中發展計算思維能力，為學生的終身學習和未來職業發展奠定堅實的基礎。

教學模型構建

1.計算思維的三維框架

在教育教學過程中，對教學目標的設定往往圍繞知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三維目標展開。而在計算思維眾多定義中，與三維目標較為呼應的是2012年美國麻省理工學院媒體實驗室（MIT）終身幼兒園研究小組（Lifelong Kindergarten Group）開發出的計算思維三維框架，它包含了三個維度：一是計算概念，指編程中使用到的概念，如順序、循環、事件等；二是計算實踐，指編程完成作品的過程和方法，如遞增和重復、測試和調試、再利用和再創作等；三是計算觀念，指編程后人格塑造和思維習慣的學習結果，如表達、聯系和質疑。[3]教育教學的三維目標和計算思維的三維框架在核心理念中呈現了高度的契合性，知識與技能的培養實則為計算概念的學習，過程與方法的培養實則為計算實踐的訓練，情感態度與價值觀實則為計算觀念的培養，這種對應關系印證了計算思維三維框架的全面性和科學性。

2.任務驅動法的概念及任務分類

任務驅動法就是教師將教學內容融入到任務中，學生在完成任務的動力驅動下，通過對學習資源的積極主動應用，進行自主探索和互動協作學習，并在完成既定任務的同時，進行知識的意義建構。任務驅動法的特點可以概括為以任務為主線、以教師為主導、以學生為主體，確定任務是核心，怎樣驅動是關鍵，信息素養是目的。[4]根據任務的開放程度可以將任務分成封閉性任務、半開放性任務、開放性任務。[5]在編程教學中，封閉性任務表示的是答案唯一的情況，如教師通過預設好的問題讓學生學習新的編程概念和知識；半封閉性任務表示的是答案不唯一但有參考的情況，如學生根據已有的代碼進行完善或者0478ba9abc93b0405f5a8042a3709232改寫；開放性任務表示的是答案不唯一且沒有參考代碼，學生需要自主設計算法并完成代碼的編寫。因此，三種不同任務的使用場景以及學習目標各有側重，需要適時設計與應用。

3.面向計算思維培養的任務驅動式編程教學模型構建

筆者根據計算思維的三維框架、任務驅動法中的三種任務以及編程教學的實際情況構建了教學模型，具體內容如圖1所示。

教學模型實施

教科版《必修1 數據與計算》主要的教學內容是圍繞Python語言展開，下面，筆者以第二單元中《可以復用的代碼》一節中的“火柴棒擺數字”為例進行說明。

1.教學目標設定、真實情境導入

在《可以復用的代碼》一節中，學生需要了解函數的作用、使用函數的定義和調用方法，因此筆者將項目目標設置為：用函數定義的形式編寫代碼，解決火柴棒擺數字的問題。在常規教學中，教師通常以直接講授知識點的方式引導學生進入學習模式，但這樣會使很多學生無法跟上學習進度，從而失去學習興趣，而生動的情境能引起學生積極的情緒體驗，使其更好地投入到學習中。因此，教師可以創設真實的情境，引導學生用實物火柴棒擺數字，使學生通過對實物進行操作，提升學習興趣。

2.任務驅動設計、合作探究學習

用火柴棒擺0～9十個數字分別需要多少根火柴棒？對于這個問題，教師可以將具體的數字存入列表中，通過對列表的操作調用所需的火柴棒數，學生比較好理解，但是對于任意自然數所需要的火柴棒數以及固定數量的火柴棒數可以擺出的自然數的問題，學生較難理解，因此，筆者設置了分層次的驅動性任務，讓學生在從易到難的探究中習得知識。

（1）封閉性任務設計——一位數所需要的火柴棒數

一位數需要的火柴棒數只需要調用列表的內容即可，列表的小標正好對應數字，而列表的內容正好對應該數字所需的火柴棒數，所以先定義列表，然后調用列表即可求出一位數需要的火柴棒數，這段代碼可以讓學生復習“代碼的定義及調用”。但是本節課是學習可以復用的代碼，所以需要將一位數需要的火柴棒數的代碼定義為函數，并且輸入一位數進行調用，“？”表示要求學生填寫代碼的部分，主要學習“函數定義的關鍵詞def”和“返回值return”以及“函數調用的代碼”，具體代碼如圖2所示。

（2）半封閉性任務設計——6根火柴棒能擺出的自然數

對于6根火柴棒能擺出的自然數，學生需要將問題進行分解，即先確定6根火柴棒能擺出的自然數的最大值111和最小值0，然后判斷這些數字哪些是需要6根火柴棒的，這樣就將問題轉換成了任意數需要的火柴棒數，從0到111建立循環，對每個數都要判斷需要的火柴棒數是不是等于6，這就需要定義函數，學生體會到了函數的應用和使用場景。既然要求任意數需要的火柴棒數，其實可以分解為一位數需要的火柴棒數，那么只需要將任意數的每一位數字進行拆解，然后對需要的火柴棒數求和即可（如圖3）。在這個過程中，學生通過探究，根據一位數所需火柴棒數的代碼以及數字分解的代碼，自主完成6根火柴棒能擺出的自然數代碼的編寫。

（3）開放性任務設計——擺出特殊的數所需的火柴棒數

開放性任務中不提供參考代碼，學生根據已學的知識進行自主探索。首先，學生確定要擺出的數字類型，如水仙花數、四葉玫瑰數、五角星數等，然后查詢該數的特征，并且定義判斷符合數字特征的函數。接著，基于前面火柴棒擺數字掌握的知識，學生嘗試編寫當前程序，并且調試運行。

3.學習交流評價、代碼調試優化

在編程教學的實踐中，每個學生都積極投入到編寫代碼解決實際問題的過程中，所以最終每個小組都會形成Python代碼作品集。在每一個任務完成之后，學生會在編程記錄上記錄代碼調試過程、出現的新問題以及解決問題的過程，最后還會對Python作品進行評價（自評、互評、教師評價），每個作品根據自評、小組互評和教師評價的分數記錄平均得分以及修改意見，每個小組根據修改意見對自己的代碼進行調試和優化，使其更加完善和高效。

教學模型應用

通過為期一個學期的教學實踐，筆者從計算概念、計算實踐和計算觀念三個方面對學生計算思維的發展進行分析。①計算概念。對Python基礎概念的前后測試的平均分進行分析，從變量與數據類型、判斷與循環、隊列與棧、迭代與遞歸五個方面設計測試卷，滿分設置為100分，教學前后學生的平均得分從35分提升到了85分，可以說明在教學前學生幾乎沒有任何編程基礎，在經過一個學期學習之后，對Python的基礎概念有了較好的掌握。②計算實踐。在教學過程中，筆者每節課都收集學生的Python作品，并結合學生的編程過程記錄單和作品評價單對學生的編程行為進行分析，發現學生在寫代碼前會對自己的作品進行整體設計，在編程過程中也會不斷地迭代改進，大多數學生能獨立思考并解決調試過程中遇到的問題，說明學生解決問題的能力得到了提高。同時，學生會基于生活的已有經驗，或者考察他人作品，整合多項資源進行再創作，也會將現實問題和想法轉換成編程問題進行探究，具備了計算實踐能力。③計算觀念。課后，筆者與學生進行面談，以此了解學生學習Python語言的目的及想法。交談后發現，大多數學生將Python語言作為創作及表達想法的一種工具，在編程過程中通過與他人交流和聯系，對代碼不斷地優化，創造出性能更優的程序，但也有少部分學生對編程存在質疑，不清楚學習編程的目的。

結語

計算思維的培養是一個長期而復雜的過程，需要教師加強教學理論的學習以及在教學實踐中不斷探索和創新。本研究也存在一些不足：一是時間把控問題，學習任務一個課時無法完成，到下一課時再探究就失去了連貫性，影響探究效果；二是進度問題，不同小組完成作品的快慢，會導致小組之間的比較，從而影響學習體驗。因此，在接下來的研究和教學中，筆者將繼續深入研究計算思維的內涵和外延，完善面向計算思維培養的任務驅動式編程模型，以更好地適應不同學生的需求和發展，從而培養學生的計算思維能力。

參考文獻：

[1]崔允漷.如何開展指向學科核心素養的大單元設計[J].北京教育：普教版，2019（02）：11-15.

[2]葉浩生.具身認知的原理與應用[M].北京：商務印書館，2017．

[3]王旭卿.面向三維目標的國外中小學計算思維培養與評價研究[J].電化教育研究，2014，35（07）：48-53.

[4]鐘柏昌.任務驅動教學的反思與重塑[D].南京：南京師范大學，2004.

[5]郭紹青.任務驅動教學法的內涵[J].中國電化教育，2006（07）：57-59.

作者簡介：楊鉛，本科，二級教師。

本文系江蘇省教育學會“十四五”教育科研規劃2022年度立項課題“基于Minecraft游戲的結對編程教學實踐研究”（課題批準號：22A04JSSZ254）的階段性成果。