高中計(jì)算機(jī)課程中培養(yǎng)學(xué)生 “計(jì)算思維”的方法研究

一、引言

我國(guó)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年版）》將計(jì)算思維明確列為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，但在實(shí)際教學(xué)實(shí)施過(guò)程中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如普遍存在重技能輕思維、重結(jié)果輕過(guò)程的現(xiàn)象。計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的基石。培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維已成為基礎(chǔ)教育階段的重要目標(biāo)，而高中階段正是學(xué)生認(rèn)知能力發(fā)展、思維方式形成的關(guān)鍵期，在該階段系統(tǒng)性地融入計(jì)算思維，旨在促進(jìn)計(jì)算思維教育從倡導(dǎo)理念向課堂實(shí)踐轉(zhuǎn)化。本研究將探索適應(yīng)我國(guó)高中教育特點(diǎn)的計(jì)算思維培養(yǎng)方法體系，構(gòu)建科學(xué)有效的教學(xué)實(shí)施路徑，提升基礎(chǔ)教育階段學(xué)生的計(jì)算思維能力。

二、計(jì)算機(jī)思維的結(jié)構(gòu)和特征

計(jì)算思維作為一種新興思維方式，許多教師對(duì)其的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用還不充分，認(rèn)為計(jì)算思維就是編程思維，而編程抽象難懂且在應(yīng)試中涉及較少。計(jì)算機(jī)思維是通過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)的視角解決問(wèn)題的一種思維方式，其首要特征是分解問(wèn)題，將復(fù)雜問(wèn)題拆解為多個(gè)簡(jiǎn)單、可管理的小問(wèn)題[2。在高中計(jì)算機(jī)課程中，通過(guò)教師講解如何將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可分解的子問(wèn)題，可以培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)化思維。計(jì)算機(jī)思維要求學(xué)生能夠從復(fù)雜的數(shù)據(jù)或問(wèn)題中提取共性或規(guī)律，并據(jù)此簡(jiǎn)化問(wèn)題。通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生的模式識(shí)別能力，促使其能夠?qū)?wèn)題歸類(lèi)為已知問(wèn)題類(lèi)型，進(jìn)而應(yīng)用已有的解決方法。抽象化也是計(jì)算機(jī)思維中的核心特征之一，是指從具體事物中抽取本質(zhì)信息，忽略不必要的細(xì)節(jié)，如在編寫(xiě)程序時(shí)，抽象化的思維能夠幫助學(xué)生將現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題映射為計(jì)算機(jī)可以處理的模型，從而設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)潔而高效的解決方案。算法設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)思維中最具技術(shù)性的部分，是指通過(guò)制定步驟明確、可執(zhí)行的方案來(lái)解決特定問(wèn)題。在高中計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中，教師通過(guò)讓學(xué)生學(xué)習(xí)不同類(lèi)型的算法，培養(yǎng)其解決問(wèn)題的系統(tǒng)性思維。計(jì)算機(jī)思維中的自動(dòng)化特點(diǎn)是指學(xué)生將人為的操作轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序的自動(dòng)執(zhí)行過(guò)程，以此提升任務(wù)的執(zhí)行速度[3]。計(jì)算機(jī)思維中的每一個(gè)要素都對(duì)學(xué)生的邏輯思維和技術(shù)操作技能起著至關(guān)重要的作用，通過(guò)高中計(jì)算機(jī)課程讓學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算思維。

三、計(jì)算機(jī)課程中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的方法構(gòu)建

（一）糾正計(jì)算思維錯(cuò)誤認(rèn)知，模塊劃分計(jì)算思維要素

在高中計(jì)算機(jī)課程中培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”，教師糾正學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的錯(cuò)誤認(rèn)知是實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)的前提。許多學(xué)生將計(jì)算思維簡(jiǎn)單地等同于編程技能或算法設(shè)計(jì)，忽視其背后抽象、建模、問(wèn)題分解與自動(dòng)化等核心能力。為此，教師應(yīng)首先通過(guò)案例分析和課堂討論，幫助學(xué)生厘清概念，在計(jì)算機(jī)課堂教學(xué)中引入生活中的實(shí)際問(wèn)題，向?qū)W生詳細(xì)展示計(jì)算思維的應(yīng)用場(chǎng)景，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維不僅是“寫(xiě)代碼”，更是解決問(wèn)題的一種思維方式。

教師需在教學(xué)過(guò)程中有針對(duì)性地識(shí)別學(xué)生的常見(jiàn)誤區(qū)，如認(rèn)為“只有計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生才需要計(jì)算思維”“編程出錯(cuò)就是自己不具備計(jì)算思維”等，并通過(guò)引導(dǎo)式提問(wèn)和反思活動(dòng)糾正學(xué)生的片面認(rèn)知。例如，在學(xué)生調(diào)試程序失敗時(shí)，教師可引導(dǎo)其回顧問(wèn)題拆解是否合理、邏輯是否清晰，而非僅僅關(guān)注語(yǔ)法錯(cuò)誤，從而幫助學(xué)生有順序、有結(jié)構(gòu)地捋清思考路徑，增強(qiáng)學(xué)生面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題

的信心。

在此基礎(chǔ)上，教師還需將計(jì)算思維的核心要素進(jìn)行模塊化劃分，以結(jié)構(gòu)化方式呈現(xiàn)給學(xué)生，使其理解并掌握這一思維體系的組成部分及其相互關(guān)系。具體劃分結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1計(jì)算思維要素劃分結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，教師需要將計(jì)算思維劃分為“問(wèn)題抽象”“邏輯建模”“算法設(shè)計(jì)”“系統(tǒng)調(diào)試”和“結(jié)果優(yōu)化”五大模塊。每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)不同的思維能力目標(biāo)。其中，“問(wèn)題抽象”要求學(xué)生能從復(fù)雜現(xiàn)象中提煉關(guān)鍵信息，明確問(wèn)題核心；“邏輯建模”旨在讓學(xué)生依據(jù)抽象后的問(wèn)題構(gòu)建合理的邏輯框架；“算法設(shè)計(jì)”則讓學(xué)生依據(jù)模型設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的具體步驟；“系統(tǒng)調(diào)試”著重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并修正錯(cuò)誤的能力，且其存在反饋機(jī)制，能反向影響問(wèn)題抽象等環(huán)節(jié)；“結(jié)果優(yōu)化”促使學(xué)生對(duì)解決方案進(jìn)行改進(jìn)提升。在實(shí)際教學(xué)中，教師可圍繞這些模塊設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)。例如，在為學(xué)生講解算法設(shè)計(jì)時(shí)，教師可結(jié)合問(wèn)題抽象模塊，引導(dǎo)學(xué)生先準(zhǔn)確提煉問(wèn)題，再開(kāi)展算法構(gòu)思。在系統(tǒng)調(diào)試環(huán)節(jié)，教師可鼓勵(lì)學(xué)生依據(jù)反饋信息，重新審視問(wèn)題抽象是否準(zhǔn)確、邏輯建模是否合理等，以強(qiáng)化各模塊間的聯(lián)系。

通過(guò)模塊化教學(xué)，促使學(xué)生清晰把握計(jì)算思維各要素，理解其內(nèi)在邏輯，助力學(xué)生逐步構(gòu)建完整的計(jì)算思維體系，并最終將計(jì)算思維能力細(xì)化為可操作、可評(píng)估的若干模塊，有效提升高中生在計(jì)算機(jī)課程中發(fā)展計(jì)算思維的質(zhì)量與深度。

（二）以程序編碼為切入點(diǎn)，穩(wěn)固計(jì)算思維基礎(chǔ)知識(shí)

高中計(jì)算機(jī)課程中的編程模塊是計(jì)算思維最直接、最核心的應(yīng)用。編程過(guò)程需要學(xué)生不斷地分解問(wèn)題（把復(fù)雜問(wèn)題拆解成小步驟）、識(shí)別模式（發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)或問(wèn)題的規(guī)律），以及設(shè)計(jì)算法（規(guī)劃解決問(wèn)題的具體步驟）。編程實(shí)踐能讓學(xué)生真切地體驗(yàn)和內(nèi)化這些思維方法。教師在教學(xué)中以程序編碼為切人點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題情境，安排結(jié)構(gòu)化任務(wù)，使學(xué)生在實(shí)踐操作中不斷深化對(duì)算法、邏輯、抽象與系統(tǒng)建模等計(jì)算思維基礎(chǔ)知識(shí)的理解與掌握，從而有效實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

在具體實(shí)施過(guò)程中，教師應(yīng)先從學(xué)生熟悉的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題出發(fā)，引導(dǎo)其通過(guò)設(shè)計(jì)程序的方式進(jìn)行建模與求解，從而初步認(rèn)識(shí)算法邏輯和問(wèn)題分解原理及做法。例如，教師在為學(xué)生講解循環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以引入“統(tǒng)計(jì)班級(jí)成績(jī)平均值\"的實(shí)際案例，讓學(xué)生動(dòng)手編寫(xiě)代碼、處理數(shù)據(jù)，從中體會(huì)抽象化、模式識(shí)別等計(jì)算思維要素。在此基礎(chǔ)上，教師可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析不同實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)劣，比較For循環(huán)與While循環(huán)的適用場(chǎng)景，強(qiáng)化其邏輯推理與優(yōu)化意識(shí)。

為幫助學(xué)生鞏固計(jì)算思維的基礎(chǔ)知識(shí)，教師還需設(shè)計(jì)層次化的編程任務(wù)，確保學(xué)生能夠在由淺入深的練習(xí)中逐步構(gòu)建系統(tǒng)化的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。例如，在學(xué)習(xí)數(shù)組或列表時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作入手，逐步過(guò)渡到排序、查找等典型算法。通過(guò)具體的編程活動(dòng)，讓學(xué)生在掌握基本語(yǔ)法的同時(shí)，形成將復(fù)雜問(wèn)題拆解為若干子問(wèn)題并逐個(gè)擊破的思維方式。這種結(jié)構(gòu)化解決問(wèn)題的過(guò)程，正是計(jì)算思維的核心體現(xiàn)。

此外，教師還應(yīng)注重在程序調(diào)試環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維和反思能力。當(dāng)學(xué)生編寫(xiě)的程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，教師不應(yīng)直接指出問(wèn)題所在，而是引導(dǎo)其通過(guò)日志輸出、斷點(diǎn)調(diào)試等方式自主排查。這一過(guò)程能夠促使學(xué)生深入理解程序運(yùn)行機(jī)制，增強(qiáng)其對(duì)問(wèn)題因果關(guān)系的判斷力，進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)算法結(jié)構(gòu)與邏輯關(guān)系的理解。與此同時(shí)，教師可通過(guò)組織開(kāi)展小組協(xié)作編程活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生在交流中不斷優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)，提升其協(xié)同解決問(wèn)題的能力，進(jìn)一步鞏固計(jì)算思維的基本素養(yǎng)。

（三）設(shè)計(jì)跨學(xué)科學(xué)習(xí)項(xiàng)目，應(yīng)用計(jì)算機(jī)思維解決問(wèn)題

在高中計(jì)算機(jī)課程中，培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”是提高其綜合能力的關(guān)鍵，而設(shè)計(jì)跨學(xué)科學(xué)習(xí)項(xiàng)目能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科結(jié)合，讓學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，充分利用計(jì)算機(jī)思維進(jìn)行思考和分析，從而提升其計(jì)算思維。教師在設(shè)計(jì)跨學(xué)科學(xué)習(xí)項(xiàng)目時(shí)，需要先確保項(xiàng)目本身具有學(xué)科的廣泛性和實(shí)踐性。例如，教師可以設(shè)計(jì)一個(gè)融合數(shù)學(xué)、物理和計(jì)算機(jī)課程的項(xiàng)目，帶領(lǐng)學(xué)生探討如何通過(guò)編程模擬物理現(xiàn)象的變化，并選取一個(gè)經(jīng)典的物理問(wèn)題，如模擬自由落體運(yùn)動(dòng)或電路中的電流變化，讓學(xué)生先分析物理現(xiàn)象，將連續(xù)的物理過(guò)程離散化，用時(shí)間步長(zhǎng)更新物體的位置和速度，并建立數(shù)學(xué)模型。接著，引導(dǎo)學(xué)生討論如何用編程邏輯實(shí)現(xiàn)這個(gè)模型。教師可為學(xué)生選擇合適的編程語(yǔ)言，讓學(xué)生動(dòng)手編寫(xiě)代碼。

教師需要在設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)注重實(shí)踐性和合作性。例如，在計(jì)算機(jī)與生物學(xué)相結(jié)合的項(xiàng)目中，教師可以讓學(xué)生組成小組，每個(gè)小組成員負(fù)責(zé)不同的任務(wù)，如收集生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)算法模型、編寫(xiě)程序，以及分析數(shù)據(jù)等。在這個(gè)過(guò)程中，需要學(xué)生將計(jì)算機(jī)思維應(yīng)用于解決具體問(wèn)題。計(jì)算機(jī)科學(xué)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析等知識(shí)都能夠成為學(xué)生解決問(wèn)題的工具。

在跨學(xué)科項(xiàng)目中，教師還應(yīng)注重對(duì)學(xué)生的思維訓(xùn)練，尤其是引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)思維進(jìn)行問(wèn)題的分解、抽象和模塊化。計(jì)算機(jī)思維的核心之一是“算法思維”，即用邏輯和步驟化的方式處理問(wèn)題。在跨學(xué)科項(xiàng)目中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生先從描述問(wèn)題入手，再進(jìn)行問(wèn)題建模，以分析問(wèn)題中的核心元素。例如，在計(jì)算機(jī)與地理學(xué)結(jié)合的項(xiàng)目中，教師可以設(shè)計(jì)任務(wù)，讓學(xué)生通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)（GIS）的部分功能。在此項(xiàng)目中，學(xué)生需要根據(jù)不同的地理數(shù)據(jù)類(lèi)型設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用算法處理、分析地理數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中，學(xué)生不僅能學(xué)習(xí)到算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還能把計(jì)算機(jī)思維應(yīng)用到更加復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中，培養(yǎng)其在復(fù)雜情境下的思考能力和解決問(wèn)題的能力。

在項(xiàng)目結(jié)束后，教師可以組織學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)，讓學(xué)生分析在項(xiàng)目中應(yīng)用計(jì)算機(jī)思維的具體過(guò)程，討論在解決問(wèn)題時(shí)遇到的困難和挑戰(zhàn)，以及如何通過(guò)計(jì)算機(jī)思維克服這些困難。教師還可以引導(dǎo)學(xué)生討論在跨學(xué)科合作中，計(jì)算機(jī)思維是如何與其他學(xué)科的知識(shí)相結(jié)合，通過(guò)反思提升學(xué)生將計(jì)算機(jī)思維應(yīng)用到其他領(lǐng)域的能力。在設(shè)計(jì)并實(shí)施跨學(xué)科學(xué)習(xí)項(xiàng)目的過(guò)程中，教師的角色是引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、應(yīng)用方法，并不斷反思和總結(jié)，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

（四）設(shè)置計(jì)算思維評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)檢視課程教學(xué)效果

在培養(yǎng)學(xué)生“計(jì)算思維”的過(guò)程中，設(shè)置科學(xué)合理的計(jì)算思維評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)其動(dòng)態(tài)檢視課程教學(xué)效果，是推動(dòng)教學(xué)改進(jìn)、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)導(dǎo)向的重要環(huán)節(jié)。教師在設(shè)置評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)先依據(jù)計(jì)算思維的核心要素問(wèn)題抽象、建模能力、算法設(shè)計(jì)、邏輯推理與調(diào)試優(yōu)化，構(gòu)建一個(gè)可操作、可量化的評(píng)價(jià)體系。并結(jié)合《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)要求，圍繞學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐、課堂任務(wù)、編程練習(xí)和問(wèn)題解決過(guò)程中的表現(xiàn)，制定出分層次、多維度的評(píng)估指標(biāo)。同時(shí)，教師還需將這些核心能力細(xì)化為具體的可觀測(cè)行為或成果指標(biāo)。例如，在具體的編程任務(wù)中，教師可以從輸入輸出處理、變量命名規(guī)范性、控制結(jié)構(gòu)使用合理性、代碼優(yōu)化程度，以及程序運(yùn)行結(jié)果的正確性等多個(gè)方面設(shè)立評(píng)分項(xiàng)，每一項(xiàng)賦予相應(yīng)權(quán)重，并劃分不同等級(jí)的表現(xiàn)描述，讓評(píng)估不僅有據(jù)可依，也便于學(xué)生理解自身所處的發(fā)展階段。

在此基礎(chǔ)上，教師需將這些評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)嵌人日常教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)形成性評(píng)價(jià)的方式持續(xù)收集學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)：包括但不限于課堂觀察記錄、階段性小測(cè)驗(yàn)、小組項(xiàng)目匯報(bào)、學(xué)習(xí)日志撰寫(xiě)等多元方式。教師可以借助數(shù)字化平臺(tái)（學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)）自動(dòng)采集學(xué)生在完成任務(wù)過(guò)程中的行為軌跡，如調(diào)試次數(shù)、修改頻率、協(xié)作互動(dòng)情況等，作為評(píng)估其計(jì)算思維發(fā)展水平的重要參考。

最終，通過(guò)定期匯總分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，教師能夠動(dòng)態(tài)掌握整個(gè)班級(jí)及個(gè)體學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展?fàn)顩r，識(shí)別教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)和學(xué)生的共性問(wèn)題。如果多數(shù)學(xué)生在某次任務(wù)中表現(xiàn)出建模能力不足的情況，則說(shuō)明該模塊的教學(xué)設(shè)計(jì)可能存在不足，須及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。同時(shí)，教師還可根據(jù)學(xué)生的進(jìn)步趨勢(shì)，反思課程內(nèi)容安排、教學(xué)方法的有效性，并據(jù)此優(yōu)化后續(xù)教學(xué)方案，從而實(shí)現(xiàn)“以評(píng)促教、以評(píng)促學(xué)”的良性循環(huán)。這種基于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)檢視機(jī)制，不僅能夠提升計(jì)算機(jī)教學(xué)的針對(duì)性和實(shí)效性，也能夠?yàn)楦咧杏?jì)算機(jī)課程中系統(tǒng)化培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維提供堅(jiān)實(shí)的保障。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了高中計(jì)算機(jī)教育中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的有效途徑，強(qiáng)調(diào)并利用計(jì)算思維的關(guān)鍵特征，構(gòu)建了一套教學(xué)實(shí)踐體系，逐步內(nèi)化計(jì)算思維的培養(yǎng)過(guò)程同時(shí)，計(jì)算思維作為面向未來(lái)的核心素養(yǎng)，其培養(yǎng)路徑遠(yuǎn)不止于計(jì)算機(jī)課堂。展望未來(lái)，研究人員可繼續(xù)探索如何利用人工智能技術(shù)，開(kāi)發(fā)能夠智能診斷學(xué)生思維障礙、提供個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑的輔助教學(xué)系統(tǒng)，推動(dòng)高中計(jì)算機(jī)課程教學(xué)向智能化方向變革。

作者單位：唐玉琴甘肅省文縣第一中學(xué)

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