面向計(jì)算思維培養(yǎng)的高中Python編程課程教學(xué)設(shè)計(jì)探究

摘" 要：高中信息技術(shù)新課標(biāo)已將計(jì)算思維列入學(xué)科核心素養(yǎng)。因此，如何在課堂中落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)，成為廣大高中信息技術(shù)教師亟須思考的問(wèn)題。以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維為出發(fā)點(diǎn)，剖析計(jì)算思維的本質(zhì)及其教學(xué)指導(dǎo)意義，以高中Python編程課為依托，構(gòu)建面向計(jì)算思維培養(yǎng)的高中Python課程教學(xué)模式，以期為高中信息技術(shù)編程教學(xué)提供些許參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；高中信息技術(shù)；Python編程；教學(xué)模式

文章編號(hào)：1671-489X（2025）03-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.03.0

0" 引言

近年來(lái)，世界上多個(gè)國(guó)家已經(jīng)將計(jì)算思維的培養(yǎng)提高到國(guó)家戰(zhàn)略的高度。我國(guó)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）也將計(jì)算思維列為學(xué)科核心素養(yǎng)之一。2020年秋季學(xué)期，Python編程正式進(jìn)入江蘇省高中信息技術(shù)課堂。大量研究證明，Python編程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力具有較好的促進(jìn)作用。因此，如何在日常Python編程教學(xué)中有效培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、歸納問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提升學(xué)生的計(jì)算思維，成為擺在廣大高中信息技術(shù)教師面前的課題。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，要想提升學(xué)生的計(jì)算思維，首先要明晰計(jì)算思維是什么，它對(duì)于高中信息技術(shù)編程教學(xué)有什么要求與指導(dǎo)意義，還要了解怎么做才能有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。下面，筆者回歸計(jì)算思維的本質(zhì)及教學(xué)指導(dǎo)意義，以高中Python編程課為依托，嘗試構(gòu)建面向計(jì)算思維培養(yǎng)的高中Python編程課程教學(xué)模式，以期讓計(jì)算思維的培養(yǎng)在日常編程教學(xué)中具象化，且具備可操作性。

1" 計(jì)算思維的本質(zhì)及其指導(dǎo)意義

周以真教授于2006年首次正式提出計(jì)算思維的概念，她認(rèn)為“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)”。國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者對(duì)此有著不同的闡釋，大多認(rèn)同問(wèn)題解決是計(jì)算思維的必備屬性。目前，計(jì)算思維已經(jīng)不僅僅屬于計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域，它的概念外延不斷擴(kuò)大，逐步走向自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)乃至人類的日常生活，演變?yōu)椤皞€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)”[1]。

筆者認(rèn)為，如圖1所示，可以從兩個(gè)維度理解計(jì)算思維的本質(zhì)：宏觀而言，計(jì)算思維是眾多思維能力的一種，它的本質(zhì)是以問(wèn)題為導(dǎo)向，以解決問(wèn)題為目的的思維方式，這是一種所有人都應(yīng)具備的解決問(wèn)題的素養(yǎng)；微觀而言，計(jì)算思維是一種學(xué)科思維，不同學(xué)科對(duì)其本質(zhì)理解各有不同。例如：在數(shù)學(xué)學(xué)科中，計(jì)算思維的本質(zhì)是一種通過(guò)邏輯推理和數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)解決問(wèn)題的思維方式；在信息技術(shù)學(xué)科中，如圖1中陰影區(qū)域，計(jì)算思維的本質(zhì)則是在信息技術(shù)學(xué)科的基本概念以及計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)（如Python編程）的基礎(chǔ)上，抽象與分解問(wèn)題，設(shè)計(jì)算法，解決問(wèn)題，系統(tǒng)建構(gòu)知識(shí)，這便是本文的主要研究?jī)?nèi)容。

計(jì)算思維的教學(xué)指導(dǎo)意義在于提升了教學(xué)的抽象層次，將目前面向知識(shí)傳授的單一層次拓展為面向知識(shí)傳授和方法與思維培養(yǎng)兩個(gè)層次，并使教學(xué)注意到兩個(gè)層次的內(nèi)在辯證關(guān)系[2]。具體言之，高中Python編程課程教學(xué)要從“編程為王”轉(zhuǎn)為“素養(yǎng)培養(yǎng)”，意即教師不僅要講授Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的基本知識(shí)，更要指導(dǎo)學(xué)生采用計(jì)算機(jī)可處理的方式（編程）界定問(wèn)題、分析問(wèn)題、構(gòu)建模型，運(yùn)用合理的算法形成解決問(wèn)題的方案，最終總結(jié)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程與方法，并遷移到其他相關(guān)問(wèn)題解決中。因此，在信息技術(shù)課堂上，編程只是計(jì)算思維的實(shí)現(xiàn)方式和途徑，編程語(yǔ)言也只是用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維過(guò)程可視化的工具。

2" 面向計(jì)算思維培養(yǎng)的高中Python編程課

程教學(xué)模式構(gòu)建

筆者參考相關(guān)教學(xué)理論，結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐，以培養(yǎng)高中生計(jì)算思維為導(dǎo)向，構(gòu)建面向計(jì)算思維培養(yǎng)的高中Python編程課程教學(xué)模式。該教學(xué)模式大體分為課程導(dǎo)入、課程實(shí)施、課程總結(jié)與評(píng)價(jià)三個(gè)模塊，具體實(shí)施模式如圖2所示。

2.1" 課程導(dǎo)入

計(jì)算思維作為一種思維方式和思維態(tài)度，區(qū)別于一般的學(xué)科知識(shí)，需要在問(wèn)題解決的過(guò)程中不斷經(jīng)歷分析思考、實(shí)踐求證、反饋調(diào)適而逐步形成。因此，教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，在每個(gè)環(huán)節(jié)都要關(guān)注學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。教師需首先做好“導(dǎo)”，即根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)預(yù)設(shè)計(jì)算思維的具體過(guò)程與表現(xiàn)，將其作為學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)隱線索，引導(dǎo)學(xué)生借助真實(shí)的信息情境，反復(fù)親歷計(jì)算思維的全過(guò)程。只有緊扣教學(xué)目標(biāo)且貼近學(xué)生生活的教學(xué)情境，才能有效喚醒學(xué)生的信息意識(shí)，保證學(xué)生整節(jié)課的思維活躍度，提升學(xué)生對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)的掌控力，進(jìn)而發(fā)展其問(wèn)題求解的思考力，這也正是培養(yǎng)高中生計(jì)算思維關(guān)鍵性的第一步。

2.2" 課程實(shí)施

該模塊可以用“引、思、拓”三個(gè)關(guān)鍵字簡(jiǎn)要概括，其中“有效提問(wèn)，引出主題”對(duì)應(yīng)“引”，“剖析問(wèn)題，啟發(fā)思考”與“問(wèn)題深化，適度變形”對(duì)應(yīng)“思”，“同類拓展，問(wèn)題遷移”對(duì)應(yīng)“拓”。這一系列的教師活動(dòng)旨在有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，鍛煉其分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，使其獲得更全面的發(fā)展。

2.2.1" 何謂“引”

“引”表示引問(wèn)、發(fā)問(wèn)。誠(chéng)然，教師的引問(wèn)應(yīng)該貫穿整個(gè)課堂，這里的“引”僅指教師進(jìn)行課程導(dǎo)入之后的引問(wèn)環(huán)節(jié)。教師結(jié)合創(chuàng)設(shè)的情境以及學(xué)生的先前知識(shí)和學(xué)習(xí)能力進(jìn)行有效提問(wèn)，順理成章引出本節(jié)課主題。通過(guò)教師的引問(wèn)，學(xué)生逐步明晰學(xué)習(xí)主題，確立課程任務(wù)，并能夠?qū)W(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確把握，這是培養(yǎng)計(jì)算思維的重要前提。

2.2.2" 何謂“思”

“思”表示思考問(wèn)題、直擊問(wèn)題本質(zhì)。當(dāng)正式進(jìn)入新知識(shí)的學(xué)習(xí)，教師要善于不斷啟發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)他們剖析問(wèn)題。學(xué)生須認(rèn)真思考問(wèn)題，明確要解決的任務(wù)是什么，并將其轉(zhuǎn)化為能夠解決的問(wèn)題，再結(jié)合已有的認(rèn)知水平，借助Python編程解決問(wèn)題，并不斷優(yōu)化解決問(wèn)題的算法。

先來(lái)看一個(gè)例子。學(xué)習(xí)“遞歸”算法時(shí)，教師首先啟發(fā)學(xué)生模擬繪制聲波的多普勒效應(yīng)圖。學(xué)生經(jīng)過(guò)分析，不難明確其問(wèn)題本質(zhì)（即繪制多個(gè)半徑不等的圓），再結(jié)合turtle庫(kù)所學(xué)知識(shí)，繪制符合條件的圖形，最后用Python自定義函數(shù)完成多普勒效應(yīng)圖的繪制。此時(shí)，學(xué)生面對(duì)新的知識(shí)，已具備分析問(wèn)題以及結(jié)合先前知識(shí)解決問(wèn)題的能力。接著，教師根據(jù)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)一步深化問(wèn)題，可以設(shè)問(wèn)：“該如何精煉函數(shù)中重復(fù)的代碼部分？”學(xué)生認(rèn)真思考，結(jié)合函數(shù)的功能分析進(jìn)行抽象思維，重新設(shè)計(jì)算法和修改代碼，最終以兩個(gè)步驟（第一步畫(huà)大圓，第二步畫(huà)四個(gè)小分形圓）完成圖的繪制。然而，當(dāng)學(xué)生運(yùn)行程序時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)turtle一直在畫(huà)圓，程序無(wú)法停止。教師繼續(xù)追問(wèn)：“如何設(shè)定終止畫(huà)圓的條件？”學(xué)生經(jīng)過(guò)思考和討論，增加“回歸條件”，實(shí)現(xiàn)遞歸的合理退出。此時(shí)，教師結(jié)合學(xué)生的上述實(shí)踐過(guò)程，啟發(fā)學(xué)生歸納遞歸的定義及注意點(diǎn)。

由此可見(jiàn)，在“思”的過(guò)程中，教師是學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施的引導(dǎo)者和咨詢者，要格外關(guān)注學(xué)生的思維加工過(guò)程，要不斷引導(dǎo)學(xué)生在釋疑的過(guò)程中澄清模糊認(rèn)識(shí)，促使學(xué)生的思考走向深入；學(xué)生通過(guò)持續(xù)解決問(wèn)題的過(guò)程，學(xué)會(huì)分解問(wèn)題、抽象模式、優(yōu)化解題算法、整合知識(shí)學(xué)習(xí)，這是促進(jìn)其計(jì)算思維發(fā)展的重要過(guò)程。

2.2.3" 何謂“拓”

“拓”表示拓展、延伸。當(dāng)學(xué)生完成基礎(chǔ)課程任務(wù)，達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，教師需幫助他們進(jìn)行同類拓展與問(wèn)題遷移學(xué)習(xí)。這一環(huán)節(jié)主要讓學(xué)生學(xué)會(huì)把解決問(wèn)題過(guò)程中形成的方法與思路遷移到與之相關(guān)的問(wèn)題中，經(jīng)過(guò)不斷試錯(cuò)、修改、驗(yàn)證，逐步提升計(jì)算思維能力。

2.3" 課程總結(jié)與評(píng)價(jià)

該模塊主要圍繞“構(gòu)”展開(kāi)，進(jìn)行計(jì)算思維的歸納和遷移，即教師引導(dǎo)學(xué)生回顧解決問(wèn)題的全過(guò)程，構(gòu)建知識(shí)體系，總結(jié)與反思自己解決問(wèn)題的思路與方法，確保能夠在遇到類似問(wèn)題時(shí)進(jìn)行遷移與問(wèn)題求解，從而提高問(wèn)題解決的能力，提升計(jì)算思維能力。這便是課堂中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的真正落腳點(diǎn)。在課程總結(jié)與評(píng)價(jià)過(guò)程中，教師也應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生將自己解決問(wèn)題的思考方式分享給同學(xué)，同伴互評(píng)、取長(zhǎng)補(bǔ)短。這樣的評(píng)價(jià)方式有利于激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，幫助其明確自己的不足和努力方向。

3" 面向計(jì)算思維培養(yǎng)的高中Python編程課

程教與學(xué)的建議

綜上，筆者所構(gòu)建的面向計(jì)算思維培養(yǎng)的高中Python編程課程教學(xué)模式從“課程導(dǎo)入—課程實(shí)施—課程總結(jié)與評(píng)價(jià)”三個(gè)模塊，以及教師活動(dòng)和學(xué)生活動(dòng)兩個(gè)層面，將培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的方法與途徑融入日常教學(xué)。在此，筆者將該課程教與學(xué)的建議系統(tǒng)歸納如下。

3.1" 領(lǐng)會(huì)計(jì)算思維的內(nèi)涵

首先，廣大高中信息技術(shù)教師要有計(jì)算思維意識(shí)，要勇于突破傳統(tǒng)教學(xué)思維和教學(xué)習(xí)慣，在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)真正領(lǐng)會(huì)計(jì)算思維的內(nèi)涵，將教導(dǎo)學(xué)生“學(xué)會(huì)運(yùn)用計(jì)算思維識(shí)別與分析問(wèn)題，抽象、建模與設(shè)計(jì)系統(tǒng)性解決方案”[1]作為高中信息技術(shù)編程教學(xué)的終極目標(biāo)。其次，教師要厘清高中信息技術(shù)學(xué)科的課程性質(zhì)與基本理念，要明確培養(yǎng)什么樣的學(xué)生，真正做到全面提升全體學(xué)生的信息素養(yǎng)。

3.2" 轉(zhuǎn)變教學(xué)方法

教師切忌單純地灌輸書(shū)本知識(shí)，要提升學(xué)生思考與解決問(wèn)題的能力，要善于將問(wèn)題解決作為內(nèi)在線索，通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境、有效引問(wèn)、啟發(fā)思考與問(wèn)題深化、同類拓展、構(gòu)建體系（即“導(dǎo)”—“引”—“思”—“拓”—“構(gòu)”）五大環(huán)節(jié)，在潛移默化中完成學(xué)生計(jì)算思維的滲透式培養(yǎng)。換言之，教師要讓學(xué)生在逐步完成既定的項(xiàng)目任務(wù)時(shí)，不知不覺(jué)學(xué)會(huì)明確與分析問(wèn)題，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的基本流程，感受算法的效率，掌握程序調(diào)試與運(yùn)行的方法，真正學(xué)會(huì)運(yùn)用Python編程語(yǔ)言來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，并將過(guò)程與方法遷移至與之相關(guān)的其他問(wèn)題的解決中，進(jìn)而提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

3.3" 增強(qiáng)學(xué)生的能動(dòng)性

計(jì)算思維教學(xué)應(yīng)重視提供以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。教師設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)應(yīng)基于學(xué)生可理解的問(wèn)題情境，進(jìn)而引出具有挑戰(zhàn)性和開(kāi)放性的總?cè)蝿?wù)。教師要通過(guò)不斷深入地引導(dǎo)與提問(wèn)，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題分析、模式抽象、算法設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別，將解決問(wèn)題的方案進(jìn)行調(diào)試與遷移，進(jìn)而提升學(xué)習(xí)的深度與廣度。教師不應(yīng)只關(guān)注學(xué)生編程的結(jié)果，還要格外關(guān)注學(xué)生計(jì)算思維加工的過(guò)程，輔助學(xué)生識(shí)別與理解問(wèn)題，讓學(xué)生在試錯(cuò)的過(guò)程中找到問(wèn)題解決方案，學(xué)習(xí)新的知識(shí)，真正實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化。教師在課堂教學(xué)中要為學(xué)生搭建開(kāi)放與自由的平臺(tái)，全面激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與合作探究的興趣，讓學(xué)生真正成為課堂的主人。

3.4" 轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)態(tài)度與方法

江蘇省的高中信息技術(shù)課程僅作為學(xué)測(cè)科目，未被納入高考，這使得學(xué)生從思想和行動(dòng)上都缺乏重視。既然學(xué)生是培養(yǎng)計(jì)算思維的主體對(duì)象，那么他們就必須端正對(duì)信息技術(shù)學(xué)科的態(tài)度，改進(jìn)課堂學(xué)習(xí)方法。首先，學(xué)生在課堂上要有接受思維教育的學(xué)習(xí)狀態(tài)，這樣才能更好地配合教師設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。其次，在明確學(xué)習(xí)任務(wù)后，學(xué)生要沉浸于課堂，積極思考，在教師的引導(dǎo)與幫助下用計(jì)算思維方法合理進(jìn)行問(wèn)題分析、算法設(shè)計(jì)與問(wèn)題求解，最終總結(jié)自己利用計(jì)算機(jī)編程解決問(wèn)題的過(guò)程與方法，養(yǎng)成良好的計(jì)算思維品質(zhì)。

4" 結(jié)束語(yǔ)

高中Python編程教學(xué)的主要目的是引導(dǎo)學(xué)生借助Python程序語(yǔ)言，經(jīng)歷不斷分析問(wèn)題、抽象特征、實(shí)現(xiàn)編程、調(diào)試運(yùn)行等過(guò)程，設(shè)計(jì)合理算法，形成解決問(wèn)題的方案，并將問(wèn)題求解的過(guò)程進(jìn)行遷移，以解決相關(guān)問(wèn)題，從而培養(yǎng)其計(jì)算思維。本研究基于高中生計(jì)算思維的培養(yǎng)，對(duì)高中Python編程課程教學(xué)設(shè)計(jì)提出思考，試圖為高中編程教學(xué)提供些許參考與經(jīng)驗(yàn)。在后續(xù)研究中，筆者將運(yùn)用文中所構(gòu)建的教學(xué)模式開(kāi)展課堂教學(xué)，并對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維水平進(jìn)行前后對(duì)比研究，不斷優(yōu)化教學(xué)模式，以期對(duì)提升學(xué)生計(jì)算思維品質(zhì)起到一定促進(jìn)作用，并為高中信息技術(shù)編程教學(xué)提供些許經(jīng)驗(yàn)。

5" 參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 沈軍.基于計(jì)算思維的大學(xué)程序設(shè)計(jì)課程教材建設(shè)新思路[J].計(jì)算機(jī)教育，2019（7）：29-32.

*項(xiàng)目來(lái)源：蘇州市吳江區(qū)第十批學(xué)年課題“面向計(jì)算思維培養(yǎng)的高中Python課程教學(xué)設(shè)計(jì)研究”（立項(xiàng)編號(hào)：1023GP0097）。

作者簡(jiǎn)介：仇雪梅，中學(xué)一級(jí)教師。