面向計算思維培養(yǎng)的DoPBL教學(xué)模式研究

摘要：計算思維作為一種核心思維方式，日益受到教育界的關(guān)注，而DoPBL（面向設(shè)計的產(chǎn)生式學(xué)習(xí)） 模式為計算思維的培養(yǎng)提供了新的思路。該研究構(gòu)建了面向計算思維培養(yǎng)的DoPBL教學(xué)模式，并以“探究人臉識別的秘密”為教學(xué)案例，進(jìn)行具體的教學(xué)設(shè)計與實施。研究采取單組前后測實驗，對74名學(xué)生進(jìn)行了為期一個月的跟蹤，以探究DoPBL教學(xué)模式對學(xué)生計算思維的影響。研究結(jié)果表明，采用DoPBL教學(xué)模式后，學(xué)生的計算思維水平顯著提升，相較于前測，后測結(jié)果顯示提升幅度達(dá)11.08%。除此之外，女生整體的計算思維提升幅度大于男生。

關(guān)鍵詞：計算思維；DoPBL；教學(xué)模式

中圖分類號：G642" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）16-0170-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

在數(shù)字化時代背景下，計算思維作為一種核心思維方式受到教育界的諸多關(guān)注。計算思維是一種問題解決的思維方式，強(qiáng)調(diào)邏輯推理和數(shù)學(xué)計算，是現(xiàn)代社會公民應(yīng)當(dāng)具備的基本素養(yǎng)之一。2022年教育部印發(fā)的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版） 》將“計算思維”列為核心素養(yǎng)和課程目標(biāo)之一，要求學(xué)生具備初步解決問題的能力[1]。而如何將計算思維的培養(yǎng)有機(jī)融入信息技術(shù)課程中，仍是我國教育領(lǐng)域需要持續(xù)探索的重要課題。DoPBL（Design-oriented Production-based Learning） 模式?是一種新型的教學(xué)模式，它綜合了問題式PBL（Problem-Based Learning） 和項目式PBL（Project-Based Learning） 的優(yōu)點，旨在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)、批判性思維、創(chuàng)造性思維和跨學(xué)科能力，促進(jìn)提高復(fù)雜問題解決的能力[2]，這與計算思維的核心概念有著契合之處。因此，本研究借鑒已有DoPBL模型，將計算思維融入其中，構(gòu)建了面向計算思維培養(yǎng)的DoPBL教學(xué)模式，旨在為培養(yǎng)計算思維探索出全新的思路和路徑。

1 計算思維培養(yǎng)與DoPBL教學(xué)模式

計算思維起源于計算機(jī)科學(xué)，與數(shù)學(xué)思維、工程思維也有著非常緊密的關(guān)系。周以真教授于2006年首次提出該概念，并將其定義為運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基本原理和理念，進(jìn)行問題求解，系統(tǒng)設(shè)計以及解析人類行為的邏輯思維。計算思維是概念化的抽象思維，是數(shù)字化世界中每個人都必須掌握的思維模式和根本技能[3]，具體包括5個維度：算法思維、創(chuàng)造力、批判性思維、問題解決能力以及合作能力[4]?，F(xiàn)有關(guān)于計算思維的研究大致可分為兩個部分：計算思維的測量與評價和計算思維的培養(yǎng)。關(guān)于計算思維的測量與評價，Korkmaz等人通過對計算思維的框架進(jìn)行分析，基于以上5個維度，構(gòu)建了關(guān)于計算思維的感知-態(tài)度量表[5]。白雪梅和顧小清在Korkmaz等人編制的量表的基礎(chǔ)上，采用回譯翻譯法并以高中生為樣本數(shù)據(jù)編制了K12階段中學(xué)生計算思維的評價量表[6]。張屹等人以中小學(xué)生為樣本收集數(shù)據(jù)進(jìn)行了計算思維水平量表的構(gòu)建，為新課改下中小學(xué)生的計算思維水平提供了有效的工具[7]。關(guān)于計算思維的培養(yǎng)，王靖等人通過設(shè)計可視化編程教學(xué)活動來培養(yǎng)小學(xué)生的計算思維[8]。Choi等人關(guān)注與小學(xué)生日常緊密相連的環(huán)境與生活問題，以設(shè)計學(xué)習(xí)模式為基石，開發(fā)了一系列培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的課程[9]。嚴(yán)大虎等人以問題解決過程中產(chǎn)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)為依據(jù)，構(gòu)建了促進(jìn)計算思維發(fā)展的問題解決模型[10]。總體上來看，計算思維的培養(yǎng)研究大多借助不同的編程工具，通過多種教學(xué)模式或方法（如游戲化教學(xué)方法、項目式教學(xué)模式、stem/steam教學(xué)） 在信息技術(shù)課堂上實踐應(yīng)用，更加重視關(guān)于計算思維培養(yǎng)的教學(xué)活動設(shè)計、課程改革以及教學(xué)模式的構(gòu)建與應(yīng)用等。

DoPBL是由北京師范大學(xué)董艷教授提出的一種將設(shè)計思維融入的新型教學(xué)模式，以促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科合作和復(fù)雜問題的解決。DoPBL模式結(jié)合了基于問題式PBL和項目式PBL的優(yōu)勢，強(qiáng)調(diào)外顯的作品產(chǎn)出和內(nèi)隱的思維發(fā)展，它是由內(nèi)環(huán)和外環(huán)構(gòu)成的兩個并行的實施路徑，其中外環(huán)包括了6個迭代循環(huán)的步驟：選定問題或項目、制定方案或計劃、設(shè)計活動探究、生成方案或作品、進(jìn)行成果交流、開展活動評價。內(nèi)環(huán)保留了應(yīng)用最多的設(shè)計思維模型中的3個遞進(jìn)的設(shè)計思維思想，包括共情、定義和構(gòu)想。內(nèi)環(huán)的引入是為了幫助學(xué)生從更加靈活和創(chuàng)新的視角去面對新的問題或項目，以此來促進(jìn)外環(huán)活動。目前，將該模式運(yùn)用到教學(xué)實踐中的研究較少，有研究者將其與數(shù)學(xué)和物理學(xué)科結(jié)合，研究結(jié)果表明DoPBL教學(xué)模式能有效培養(yǎng)數(shù)學(xué)素養(yǎng)和跨學(xué)科解決問題的能力[11]，能夠充分完善學(xué)生的知識架構(gòu)，提升高階思維與創(chuàng)新思維，發(fā)展核心素養(yǎng)[12-13]。關(guān)于DoPBL模式與信息技術(shù)學(xué)科結(jié)合的研究也只停留在課程的設(shè)計，未真正落實在課堂教學(xué)中。因此，本研究試圖構(gòu)建面向計算思維培養(yǎng)的DoPBL教學(xué)模式，并開展深入的應(yīng)用實踐，拓展DoPBL模式在學(xué)科中的教學(xué)應(yīng)用，為學(xué)生提供更加豐富和有效的學(xué)習(xí)體驗，進(jìn)一步促進(jìn)教學(xué)的發(fā)展和改革。

2 面向計算思維培養(yǎng)的DoPBL教學(xué)模式構(gòu)建

董艷教授提出的DoPBL教學(xué)模式在促進(jìn)學(xué)生的跨學(xué)科交流、團(tuán)隊合作能力、創(chuàng)造性思維和能力等方面有著獨到的優(yōu)勢，而這與計算思維的培養(yǎng)相契合。本研究綜合Korkmaz等編制的適合測量K12階段學(xué)生的計算思維能力水平的量表，將算法思維、批判性思維、創(chuàng)造性思維、合作能力以及問題解決能力等5個維度融入原有的DoPBL教學(xué)模式中，提出了面向計算思維培養(yǎng)的DoPBL教學(xué)模式，如圖1所示。該模式分為三層，由外而內(nèi)的第一層是DoPBL模式的教學(xué)環(huán)節(jié)，第二層是DoPBL模式下的設(shè)計思維，第三層是核心培養(yǎng)目標(biāo)層即計算思維目標(biāo)，最終以達(dá)到培養(yǎng)初中生計算思維的目標(biāo)。

2.1 教學(xué)環(huán)節(jié)層

教學(xué)流程層是實現(xiàn)DoPBL的重要基礎(chǔ)，以選定問題或項目為起點，以開展活動評價為終點，一共6個教學(xué)環(huán)節(jié)。在選定問題或項目階段，教師要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個特定的情境并引導(dǎo)學(xué)生通過深入理解和共情。在制定方案或計劃階段，教師要引導(dǎo)學(xué)生對所選問題進(jìn)行深入分析，定義問題的范圍和界限。在接下來的設(shè)定活動探究和生成方案作品教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中，教師更多的是充當(dāng)一個答疑者的角色，對學(xué)生在制作過程出現(xiàn)的問題給予及時且有針對性的指導(dǎo)。在進(jìn)行成果交流階段，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流展示，積極表達(dá)自己的情感。最后的開展活動評價階段，教師需要采取多元化的評價方式對學(xué)生作品進(jìn)行評價。

2.2 設(shè)計思維層

設(shè)計思維層是開展DoPBL教學(xué)的核心要素，共情、定義和構(gòu)想3個元素始終貫穿到整個教學(xué)模式當(dāng)中，在不同的教學(xué)流程中可能會運(yùn)用到不同的設(shè)計思維。共情即以人為本，對即將研究的事物感同身受后通過細(xì)致觀察，了解需求，為后續(xù)的行動奠定基礎(chǔ)。定義是在共情的基礎(chǔ)上，明確問題，分析并提煉出關(guān)鍵問題以作為后續(xù)的行動指南。構(gòu)想表示在共情和定義的基礎(chǔ)上，通過小組討論與交流，探討解決方案，形成更加完善、切實可行的方案。

2.3 培養(yǎng)目標(biāo)層

培養(yǎng)目標(biāo)層是教學(xué)的最終指向，旨在通過構(gòu)建DoPBL教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。本研究根據(jù)Korkmaz等人編制的量表，將計算思維分為5個維度。算法思維是指學(xué)生能夠理解和設(shè)計清晰、有序的步驟或規(guī)則，以解決特定問題。這包括對算法的理解、分析和實現(xiàn)能力。批判性思維即學(xué)生能夠客觀地分析和評價信息，強(qiáng)調(diào)在接受他人觀點時保持獨立思考，質(zhì)疑并篩選后做出決定，形成合理的判斷和決策。創(chuàng)造性思維強(qiáng)調(diào)學(xué)生能夠打破傳統(tǒng)思維定式，提出新穎的、獨特的解決方案和想法。合作能力包括團(tuán)隊合作、角色分工、協(xié)調(diào)溝通等能力，需要學(xué)生在團(tuán)隊中相互支持、共同完成任務(wù)。問題解決能力意指面對復(fù)雜問題時，能夠運(yùn)用所學(xué)知識、技能和策略，找到有效解決方案的能力。

3 以“探究人臉識別的秘密”為例的課程設(shè)計與實施

3.1 教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)課的主題為“探究人臉識別的秘密”，通過構(gòu)思智能門禁系統(tǒng)的外觀，簡單繪制智能門禁系統(tǒng)的方案圖，測試與實現(xiàn)智能門禁系統(tǒng)的功能，運(yùn)用編程軟件確保智能門禁系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該課程從理論知識學(xué)習(xí)到實踐運(yùn)用，共進(jìn)行4課時的學(xué)習(xí)，每周1課時，持續(xù)4周。課程還涉及掌控板、HUSKYLENS、蜂鳴器、RGB燈、舵機(jī)等搭建硬件，學(xué)生需要對這些硬件的工作原理以及功能進(jìn)行學(xué)習(xí)，再結(jié)合Mind+軟件編寫程序、調(diào)試程序、上傳與固件測試等編程應(yīng)用，最終實現(xiàn)識別人臉開門的功能。

3.2 學(xué)習(xí)者特征分析

“探究人臉識別的秘密”是一次基于設(shè)計的、注重綜合性和實踐性的人工智能課程。本課程在初一下學(xué)期開展，在上學(xué)期開設(shè)的人工智能課程當(dāng)中，具備了人工智能的相關(guān)知識以及基本的編程能力，同時具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和好奇心，積累了一定的生活經(jīng)驗和小組合作學(xué)習(xí)的經(jīng)驗，能夠相互幫助，進(jìn)行思想碰撞。

3.3 教學(xué)環(huán)境分析

該校為中小學(xué)人工智能教育基地，配備有人工智能實驗室，實驗室中安排了平板電腦、編程積木以及各類編程機(jī)器人等，座位的排列均以小組為單位，便于學(xué)生之間的交流討論與協(xié)作。學(xué)生在人工智能實驗室自主學(xué)習(xí)“人臉識別”的基本理論知識，體驗“人臉識別”的基本原理，并基于Mind+編程軟件進(jìn)行相應(yīng)的程序編寫、設(shè)備調(diào)試以及迭代完善方案設(shè)計等。

3.4 教學(xué)目標(biāo)分析

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠認(rèn)識到信息（如人臉數(shù)據(jù)） 的重要性，并理解其在實際應(yīng)用中的價值，意識到個人隱私和數(shù)據(jù)安全的問題。在自主探索進(jìn)行設(shè)計、搭建、調(diào)試、迭代修改和運(yùn)用門禁系統(tǒng)的過程中，能夠運(yùn)用不同的數(shù)字化工具和技術(shù)，結(jié)合實際需求，將人臉識別的復(fù)雜過程簡化為圖形化編程中能夠?qū)崿F(xiàn)的算法和步驟，不斷地與小組成員進(jìn)行交流，解決制作過程中存在的問題，嘗試和創(chuàng)新方案，進(jìn)行模塊的分解與組合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、批判性思維和團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。

3.5 教學(xué)實施

1） 選定問題/項目。教師播放關(guān)于人臉識別在日常生活中的應(yīng)用視頻，引出本節(jié)課的主題——人臉識別，隨后創(chuàng)設(shè)兩個情境任務(wù)：“假如你是新建小區(qū)的管理者，你將如何設(shè)計一個安保系統(tǒng)來保衛(wèi)小區(qū)居民的安全呢？”和“假如你是校園的建設(shè)者，你將如何設(shè)計一個校園門禁系統(tǒng)來保衛(wèi)校園的安全呢？”兩個主題都源于日常生活中的具體場景，能讓學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)歷思考，選定其中一個項目進(jìn)行后續(xù)的探索。

2） 制定方案/計劃。教師提前在學(xué)習(xí)平臺上發(fā)布人臉識別學(xué)習(xí)資源，并按“組內(nèi)異質(zhì)，組外同質(zhì)”原則將學(xué)生分組。分組完畢后，教師向?qū)W生發(fā)放學(xué)習(xí)任務(wù)單，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)單上的順序進(jìn)行理論知識的學(xué)習(xí)，包括對HUSKYLENS工作原理及對應(yīng)編程模塊的學(xué)習(xí)，并完成學(xué)習(xí)平臺上的理論測驗。教師不斷進(jìn)行巡視，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的問題及測驗結(jié)果，選擇進(jìn)行集中講解或一對一講解。測驗完畢后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，構(gòu)思智能門禁系統(tǒng)預(yù)設(shè)的功能、設(shè)計流程圖以及外觀搭建，共同制定項目方案，并將其繪制在學(xué)習(xí)任務(wù)單中的“智能門禁構(gòu)思圖”一欄中，標(biāo)注好對應(yīng)的功能實現(xiàn)。

3） 設(shè)定活動探究。學(xué)生根據(jù)教師提供的積木套盒材料以及上一階段的設(shè)計圖，在學(xué)習(xí)平臺上收集各類相關(guān)資料，設(shè)計并搭建智能門禁系統(tǒng)。若在搭建過程中遇到問題，可及時修改，并將修改后的搭建圖用紅色顏色的筆在原構(gòu)思圖上進(jìn)行標(biāo)記說明。在運(yùn)用Mind+軟件編寫程序時，是學(xué)生遇到問題最多的階段，如HUSKYLENS無法讀取數(shù)據(jù)、已錄入的人臉還是無法識別等。教師在學(xué)生探究中期提供基礎(chǔ)功能的編程模塊文檔，幫助學(xué)生完成基礎(chǔ)的識別功能，同時也要給予學(xué)生一定的空間進(jìn)行鳴笛和亮燈的創(chuàng)新。迭代的修改是整個活動探究過程中最為核心和關(guān)鍵的步驟，通過實踐—發(fā)現(xiàn)問題—解決問題—實踐這個循環(huán)步驟，逐步完善方案。為了能夠最精準(zhǔn)地實現(xiàn)功能，很多平時處于團(tuán)隊“邊緣”的同學(xué)都加入了小組激烈的討論中，不斷地嘗試編程模塊當(dāng)中的數(shù)值和邏輯塊。

4） 生成方案/作品。各組在探究的過程中，不斷地在原始設(shè)計方案上進(jìn)行創(chuàng)新，最終形成作品的最佳方案。當(dāng)全體學(xué)生都完成了智能門禁系統(tǒng)作品后，教師組織學(xué)生進(jìn)行作品調(diào)試并將完整的作品上傳到學(xué)習(xí)平臺供后續(xù)的交流討論，上傳時需要附以作品的說明文檔。

5） 進(jìn)行成果交流。教師要鼓勵學(xué)生以小組為單位展示設(shè)計思路、核心代碼以及最終作品的呈現(xiàn)，批判性地看待各個小組的設(shè)計作品，盡可能及時給予各組正向反饋。

6） 開展活動評價。在開展活動評價階段，學(xué)生通過學(xué)習(xí)平臺發(fā)布的評價量規(guī)對各組作品進(jìn)行評價，選出最具有創(chuàng)新性和完整性的作品，在這個過程中，還要結(jié)合教師評價和小組自評等多種評價方式，幫助學(xué)生能夠更加客觀地看待自己和他人作品。同時還要以個人為單位填寫整個學(xué)習(xí)實踐過程中的學(xué)習(xí)收獲，幫助教師調(diào)整和優(yōu)化后續(xù)的教學(xué)。

4 教學(xué)效果測評與分析

4.1 研究對象

本研究選擇貴陽市某所教學(xué)水平偏上的中學(xué)，在初一年級選擇了成績相當(dāng)?shù)膬蓚€班級學(xué)生作為研究對象。一共80名學(xué)生，其中男生48名，女生32名。在應(yīng)用該模式教學(xué)前對這80名學(xué)生進(jìn)行前測檢驗，4周課時完成后再次對這80名學(xué)生進(jìn)行后測檢驗。

4.2 研究工具

研究基于Korkmaz等人的計算思維量表以及白雪梅等人翻譯的中文版計算思維量表，一共分為5個維度。其中創(chuàng)造力包括8個題項，算法思維和問題解決能力包含6個題項，批判性思維包括5個維度，合作技能包括4個題項，一共29個題項。每個題項均采用李克特五點（從非常不同意到非常同意） 進(jìn)行計分。 一共發(fā)放問卷80份，共得到有效問卷74份，所得到問卷總體維度的Cronbach 系數(shù)為0.926，算法思維的維度的Cronbach 系數(shù)為0.890，創(chuàng)造性思維維度的Cronbach 系數(shù)為0.843，批判思維維度的Cronbach 系數(shù)為0.806，問題解決能力維度的Cronbach 系數(shù)為0.829，合作能力維度的Cronbach 系數(shù)為0.904，問卷具有良好的信度。

4.3 數(shù)據(jù)分析

1） 學(xué)生整體的計算思維。如表1所示，經(jīng)過面向計算思維培養(yǎng)的DoPBL教學(xué)模式開展教學(xué)后，學(xué)生整體的計算思維有一定的提升（M前測＝3.88，M后測＝4.31，t＝-9.48，P＝0.000＜0.001） ，提升幅度達(dá)11.08%。同時，如表2所示，學(xué)生在創(chuàng)造力（P=0.000＜0.01） 、算法思維（P=0.000＜0.01） 、協(xié)作能力（P=0.000＜0.01） 、批判性思維（P=0.000＜0.01） 以及問題解決能力（P=0.000＜0.01） 5個維度的提升效果也非常顯著。由此可見，DoPBL教學(xué)模式能夠幫助學(xué)生投身于計算思維的實踐之中，更在實踐過程中顯著增強(qiáng)了他們的合作探究能力，學(xué)會了敏銳地發(fā)現(xiàn)問題、勇于提出問題并有效解決問題。這一模式還促使學(xué)生以多維度、批判性的視角審視問題，拓寬了他們的思維廣度與深度。

2） 計算思維在學(xué)生性別上的差異。為了深入探究DoPBL教學(xué)模式對學(xué)生計算思維的影響，本研究還對學(xué)生性別的計算思維前測和后測數(shù)據(jù)進(jìn)行了獨立樣本t檢驗，如表3所示，顯示了男、女生在計算思維上的差異，性別對計算思維的前后測成績有顯著影響（P=0.048lt;0.05，P=0.046lt;0.05） 。從表中可以看出，男生計算思維在前測和后測上的平均得分均顯著高于女生，其原因可能在于男生的邏輯思維比女生強(qiáng)一些。有研究發(fā)現(xiàn)女性在獲得計算思維方面是比較有天賦的[14]，本研究中女生總體的計算思維平均得分雖然略低于男生，但是整體的計算思維平均得分的提升幅度大于男生（0.53gt;0.38） 。

3） 討論。結(jié)果表明，DoPBL教學(xué)模式對計算思維的培養(yǎng)具有促進(jìn)作用。在計算思維的5個維度中，提升幅度最大的是問題解決能力。面向計算思維培養(yǎng)的DoPBL教學(xué)模式讓學(xué)生從發(fā)現(xiàn)問題——解決問題這個循環(huán)的過程中，獨立探索、解決，最后形成完整的作品。DoPBL強(qiáng)調(diào)設(shè)計思維的核心地位，鼓勵學(xué)生從實際需求出發(fā)，通過設(shè)計思維的方法論來識別問題、定義挑戰(zhàn)，并創(chuàng)造性地提出解決方案，這在一定程度上鍛煉了他們解決問題的能力。長時間的合作探究學(xué)習(xí)讓每個學(xué)生都積極地參與其中。應(yīng)用該模式所花費(fèi)的教學(xué)時間較長，要將教學(xué)順利地進(jìn)行，需要教師在前期準(zhǔn)備中做足功課。

5 結(jié)論

DoPBL教學(xué)模式中的設(shè)計思維為學(xué)生提供了一個從抽象到具體、從概念到實現(xiàn)的橋梁。在DoPBL教學(xué)模式下，學(xué)生不再是被動地接受知識，而是主動地參與問題的發(fā)現(xiàn)、定義和解決過程中，將問題分解為可管理的子問題，并通過迭代設(shè)計來不斷優(yōu)化解決方案。這種在做中學(xué)、在學(xué)中做的學(xué)習(xí)方式，為學(xué)生提供了豐富的實踐機(jī)會和廣闊的發(fā)展空間，使他們能夠在實踐中不斷成長和進(jìn)步。目前將DoPBL教學(xué)模式應(yīng)用到課堂實踐中或?qū)W科中的案例較少，該模式在不同學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用潛力還有待進(jìn)一步探討。

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【通聯(lián)編輯：王 力】