培養指向計算思維的高中信息技術教學策略

摘要：項目化學習是一種綜合性的學習方式，借助于項目，可以激發學生的興趣，訓練學生的綜合能力。在高中信息技術教學中，計算思維是核心素養的內涵之一，是提高學生信息技術能力的基礎。因此，本文以教科版高中信息技術項目化教學為例，分別從指向計算思維的信息技術項目頂層規劃、任務設計、活動實施等三個方面，論證了項目化教學是發展學生高中信息技術計算思維的應然選擇。

關鍵詞：項目化；計算思維；高中信息技術；路徑

一、引言

項目化教學法強調學生通過執行實際項目，自主體驗設計、實施、評估、迭代的整個周期，深度鍛煉自身的實踐應用技能，促進綜合素質的長遠發展。鑒于此，教師應基于教學內容，以計算思維為培養目標，以學習共同體為組織核心，以項目實踐活動為載體，完善“項目—任務—活動”的層級結構，使學生在完成項目計劃中做到“學以致用”。

二、指向計算思維的信息技術項目頂層規劃

（一）統整教學內容，確定項目主題

教學主題是構建教學活動架構的基石，往往決定了學生將要探索的問題領域，能夠強化學習過程的針對性和實用性。項目化教學的核心在于圍繞精心設計的主題展開，將其作為教學設計的“骨架”，保障教師的課程實施不偏離預設軌道。教師應對內容進行深入分析，挖掘課程標準與學生需求之間的連接點，通過分析課程大綱和生活實際，挖掘促進學生計算思維發展的核心元素，構建涵蓋這些核心元素的綜合主題，立好項目頂層設計的“起點”。以教科版必修1“加密與解密”為例，本課教學內容包括加密技術的發展歷史，使學生了解古典加密技術到現代加密技術的演變，以及凱撒密碼作為一種替換式加密技術的工作原理，即通過字母替換的方式實現信息加密。同時，還需要涵蓋如何通過字母偏移量設置密碼強度，破解凱撒密碼，理解密鑰、密文和明文等密碼學的概念。教師可以聯系以上內容，選定合適的項目主題為“保護社交媒體信息”。高中生普遍使用社交媒體，而其隱私問題常常得不到重視，需要通過分析社交媒體安全漏洞，探討如何通過簡單的加密措施防止個人信息泄露，進而促使他們學習基本的數據加密知識。教師抑或選擇“嘗試電子郵件加密”，緊扣公鑰、私鑰等電子郵件中常用的加密技術，指引學生通過模擬創建加密電子郵件應用這些加密方法。借助以上生活化的主題，學生得以將課堂知識應用于實際問題，為鍛煉他們的計算思維鋪設坦途。

（二）根植核心素養，制定學習目標

新課標將學科核心素養作為落實“立德樹人”的有力抓手，明確了信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個方面的核心素養內涵。其中，計算思維不僅僅是學習技術的工具，更是一種必要的邏輯思維方式，它能夠幫助學生采用算法解決問題，為他們打造今后投身信息化時代的“敲門磚”。而教師需要從計算思維內涵的關鍵要素出發，細化學習目標，使其覆蓋從問題界定到數據組織，再到利用算法形成解決方案的全過程，使實施教學有據可依[1]。

同樣，以上述課程為例，教學內容需要讓學生學習準確界定安全問題，識別數據的關鍵特征，并抽象化現實問題。該過程涉及算法的選擇和應用，強調計算思維在實操中的必要性。據此，教師可以明確項目式教學目標為：1.學會分析加密中的問題，能夠識別需要保密的數據和潛在的安全威脅。2.掌握數據抽象和建立加密模型的技巧，通過理解不同加密技術的原理來選擇合適的加密方法。3.能夠科學處理加密所需的數據，學會應用適當的算法進行加密和解密。4.學會使用編程工具操作加密算法，能夠編寫用于數據加密的程序代碼。5.能夠準確評估加密方案的效果，通過測試驗證加密方法的實用性。

這些教學目標直接體現計算思維的核心要素，將理論與實操相結合，促使學生在實踐活動中應用所學知識，同時增強他們的解決信息安全問題的能力。

三、指向計算思維的信息技術項目任務設計

在項目式教學中，學習任務群承擔著實現教學目標、組織教學活動以及推動教學進程的使命。學習任務的設計和分配必須精準對接課程需要，結合學生真實的能力水平，幫助其逐步構建計算思維的發展階梯。鑒于此，教師需要分析每個課時的教學內容，明確每節課的重難點，在前述主題框架下設計項目的主體任務群，并根據每節課的時長和學生的學習情況調整任務量，按照難易度、知識深度、計算思維鍛煉強度漸次排列任務，筑牢項目化教學的“承重墻”。

以教科版必修1“加密與解密”為例，本課內容包括函數的數值求解、迭代算法的實現及其應用，如著名的斐波那契序列（兔子數列）。課程還涵蓋繪制復雜數學函數圖像的技術，教學過程中學生將學習如何使用編程語言（Python）進行數值計算并用圖形表示。教師可確立“實用數值計算”為主題的項目，按照層層遞進的次序設計如表1所示的項目任務單。

以上所有任務都以實戰為導向，促使學生通過編程實踐深入理解數值計算的原理，為后續活動實施提供了框架，幫助學生逐步強化計算思維。

四、指向計算思維的信息技術項目活動實施策略

（一）積極界定問題，提煉抽象特征

問題界定可以幫助學生清晰地認識問題的本質和邊界，從而更有針對性地應用信息技術工具。在處理問題時，通過抽象特征的提煉，學生能夠從復雜的實際情況中提取核心信息，構建解決方案。教師在實踐中可以要求學生在項目實施前分析擬解決的問題，并識別問題的關鍵抽象特征，通過引導學生思考哪些信息是解決問題是必需的，哪些可以忽略，幫助其鍛煉自己的抽象思維能力，打好計算思維的基石。

以教科版必修2“無線局域網的組建”為例，教學內容涵蓋無線通信的工作原理、不同無線通信標準（如802.11a/b/g/n/ac）的特點，要求學生了解無線路由器的各項功能，學會配置無線路由器來滿足特定的網絡需求。教師可以確定“優化校園圖書館無線網絡”的實踐項目，讓學生分組在圖書館內完成現場調查，使用Wi-Fi分析器App記錄各區域的信號強度，繪制圖書館內的信號覆蓋圖，標出信號強弱位置，從而直觀看到哪些區域的網絡信號較弱，完成問題界定。收集數據后，學生要展開詳細分析，通過提取現實情況的共通點和差異，進而抽象出核心問題。如果信號在書架密集區特別弱，可能是物理原因阻擋信號。如果在閱覽室用戶多的時段信號弱，則可能是帶寬分配不足所致。每個小組根據從數據中提煉的特征制定改進方案，并使用網絡設計軟件模擬改進措施的效果，以解決上述界定問題。整個活動強調從實際問題出發，結合理論與實踐，培養學生的計算思維。

（二）練習組織數據，學會建立模型

面對多樣的數據源時，組織數據是提取有用信息、簡化問題解決過程的先決條件。建模能力則幫助學生通過抽象化簡化實際問題，轉化為可用計算方法解決的形式，增強解決方案的適用性和擴展性。因此，教師需要提供原始數據或復雜情景，引導學生分析數據類型、數據關系及其對問題解決的意義，從大量信息中篩選關鍵數據，將其通過邏輯和數學方法轉化為模型，鼓勵學生借助反復試錯強化計算思維的核心要素[2]。

以教科版必修2“小型信息系統的組建”為例，本課涵蓋基礎網絡建設、信息系統的硬件組件，讓學生掌握如何搭建和管理小型信息系統，學習如何根據實際需求進行系統設計，使其滿足特定功能。

首先，教師可以立足“利用開源硬件組建超聲波測距警報系統”主題項目開展實踐活動：學生由超聲波傳感器生成的原始距離數據，連續收集時間戳和由傳感器讀取的每個時間點的距離值，從CSV文件或直接從硬件接口讀取數據，使用Python編程語言導入數據。

其次，學生需要編寫函數完成清洗數據任務，包括濾除不合邏輯的讀數（例如距離過大或過小的異常值），并對連續數據進行平滑處理，以減少讀數中的隨機波動。該步驟是數據組織過程的關鍵，旨在確保模型的數據準確、可靠。

最后，學生要開始構建模型以決定警報的觸發條件，即先設定閾值，當讀取的距離低于此閾值時，系統會發出警報。為了達成效果，學生需要使用Python編寫if語句，檢查每個時間點的距離是否低于預設的安全距離。如果是，則通過GPIO（通用輸入輸出）引腳觸發連接在同一開源硬件上的警報器。該項目活動可以提升學生的技術技能，鍛煉他們的數據組織、模型建立計算思維。

（三）綜合調用資源，掌握算法解題

對于信息技術而言，解決問題依賴于對算法的理解和應用，以及如何利用軟件工具、數據庫和網絡資源等利用資源。綜合運用這些資源不僅可以優化問題的解決方案，也是提高解決問題效率的關鍵，掌握高效算法的學生能夠系統分析問題，并按照一定的步驟逐步逼近最優解。教師在設計教學活動時，需要提供多樣化的信息資源，鼓勵學生自行運用排序、搜索或數據結構相關算法，完成實踐活動，評估算法的效果并優化選擇，增強計算思維[3]。

以教科版必修1“非數值計算”為例，內容包括分治算法、二分查找算法、遞歸方法等，有助于幫助學生掌握解決復雜問題的算法思想。教師可以設置“優化在線詞典的查找效率”的主題項目，基于包含數十萬條詞條的大型文本文件，要求學生利用Python構建可以快速響應查詢請求的系統。學生需要編寫文本解析器，從提供的大型文本文件中提取所有詞條及其定義，并將這些數據存儲在適當的數據結構中。隨后，學生采用二分查找算法，在排序好的詞條列表中高效地定位用戶查詢的詞條。二分查找需要學生將算法的邏輯理解透徹，確保在最壞情況下也能保持較高的查找效率。最后，教師鼓勵學生采用分治法初步分類詞條，按照首字母分組后，在其內部再進行二分查找。通過這種深入淺出的方式，可以提升學生的計算思維和編程技能。

（四）驗證方案實效，助力知識遷移

驗證解決方案強調測試其在特定條件下的功能表現，檢驗其在新的或變化情況下的適用性，確保學生所學技能不局限于理論或單一實例，而可以廣泛應用于不同情境。在實踐中，教師通過設置驗證任務，指引學生應用設計的解決策略于類似或衍生的新問題，分析結果與預期目標的偏差，并引入變化因素，鼓勵學生調整實踐方案以適應新條件，從而加強知識遷移能力，培育計算思維。

同樣，以上述課程為例，基于上述“優化在線詞典的查找效率”的主題項目，當學生的系統開發完成后，教師可以增加詞條數量，或改變詞條排序，甚至引入包含多種語言的詞條，模擬復雜多變的應用場景。例如，教師可以在英文詞典內納入“chromatography”“electrophoresis”“microbiome”等復雜的醫學和科技詞匯，測試學生算法的適應性——即算法是否能夠有效處理專業性更強的術語。學生需要對其算法進行必要的調整，以適應新的詞匯表，這時可能會發現原有的數據結構不再適用，轉而使用跳表或平衡樹結構等更復雜的搜索算法，以保持查找效率。完成算法調整后，學生重新運行測試，對比新舊算法在處理擴展詞匯表時的表現差異，即記錄查找每個詞匯所需的平均時間，并分析算法調整前后的性能提升情況。此活動基于學生計算思維的發展目標，使其通過系統的方法分析問題，并學會如何靈活調整策略，以適應不斷變化的需求。

五、結束語

探索指向計算思維的高中信息技術項目化教學路徑，需要教師深入理解教學模式與學科核心素養的結合點。項目化教學強調學生在真實或模擬的情境中通過完成具體項目，以達成學習目標，提升學生解決問題的能力，培養其計算思維。因此，教師設計課程時應綜合應用多種信息技術工具，確保教學內容與現實需求相結合，使學生在動手實踐中掌握核心技能。

作者單位：馬興通 江蘇省睢寧縣凌城中學

參考文獻

[1]黃燕瑜.指向計算思維的高中信息技術項目化教學路徑探索[J].新教育，2024，（17）：37-39.

[2]林溫陽.面向計算思維培養的高中信息技術教學案例研究——以Python遞歸函數應用為例[J].中國信息技術教育，2024，（10）：39-42.

[3]王子維，吳文輝.指向計算思維的高中信息技術項目式學習支架設計[J].中小學信息技術教育，2024，（05）：47-49.