計算思維培養(yǎng)視角下項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)證研究

中圖分類號：G434文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674—2117（2025）20-0098-05

計算思維是一種可以靈活運(yùn)用計算工具和方法求解問題的思想方法或思維活動，它的價值不僅體現(xiàn)在能有效地克服知識鴻溝、搭建跨學(xué)科的對話橋梁上，更為重要的是它對促進(jìn)人的整體發(fā)展和終身發(fā)展，具有不可替代的重要作用。]

由于信息技術(shù)學(xué)科長期的“工具屬性”定位，其對學(xué)生未來發(fā)展的奠基作用始終面臨質(zhì)疑。計算思維概念的興起使該學(xué)科得以擺脫“工具”標(biāo)簽，明確自身在促進(jìn)學(xué)生終身成長及推動社會發(fā)展方面的獨(dú)特價值。然而，在當(dāng)前的信息技術(shù)教學(xué)中，計算思維培養(yǎng)仍存在很多問題。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)因其問題解決、情境創(chuàng)設(shè)等的思想與核心素養(yǎng)的發(fā)展需求相契合而成為核心素養(yǎng)得以在學(xué)科教材設(shè)計中有效落實(shí)的重要載體和發(fā)展路徑。因此，本研究旨在通過將量化分析與質(zhì)性觀察相結(jié)合，驗(yàn)證項(xiàng)目式學(xué)習(xí)對高中生計算思維培養(yǎng)的有效性，進(jìn)而促進(jìn)信息技術(shù)課程從知識傳授向核心素養(yǎng)培育的教學(xué)范式轉(zhuǎn)型。

研究背景

1.計算思維培養(yǎng)

世界各國政府及教育部門都非常重視對中小學(xué)階段學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)。美國自2016年起將編程納入K-12課程體系，推行“全民計算機(jī)科學(xué)”計劃，并將計算思維深度融入STEM教育。自2014年起，英國將編程設(shè)為5～16歲學(xué)生的必修課，以動畫設(shè)計等實(shí)踐項(xiàng)目取代傳統(tǒng)ICT課程，同步強(qiáng)化數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并計劃將數(shù)學(xué)教育延至18歲，構(gòu)建計算思維培養(yǎng)體系。我國于2017年將計算思維納入《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版》的核心素養(yǎng)，而《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的全面實(shí)施，促使了全學(xué)段貫通式計算思維培養(yǎng)模式的形成。

2.基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的計算思維培養(yǎng)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）基于建構(gòu)主義認(rèn)知框架，驅(qū)動學(xué)生在具身化的任務(wù)情境中主動建構(gòu)知識體系，從而提升學(xué)生的多元能力。3項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要途徑4，但當(dāng)前研究大多針對某一課程內(nèi)容的單課時或少數(shù)課時開展“淺嘗輒止”的探索，針對高中信息技術(shù)課程特定模塊，從項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式、實(shí)施策略層面進(jìn)行系統(tǒng)研究的成果較少，對學(xué)生計算思維情感態(tài)度維度的培養(yǎng)更是很少關(guān)注。

計算思維培養(yǎng)視角下項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建

本研究采納CSTA和ISTE的部分觀點(diǎn)，將計算思維分為計算思維技能和計算思維態(tài)度兩個維度。[s]在制訂計算思維技能評估標(biāo)準(zhǔn)時，參照《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）確立的五大核心要素，即分解、抽象、算法、評估與概括。在確定計算思維態(tài)度指標(biāo)時則采納了陳興冶提出的兩個二級指標(biāo)，即情感態(tài)度和合作學(xué)習(xí)。

探究項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）提升計算思維的實(shí)踐路徑，需兼顧計算思維技能和計算思維態(tài)度雙重維度來設(shè)計教學(xué)框架。本研究以計算思維培養(yǎng)為切入點(diǎn)，重新考慮項(xiàng)自式學(xué)習(xí)的實(shí)施步驟，在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論與多元認(rèn)知理論的指導(dǎo)下，選擇“數(shù)據(jù)與計算”作為具體內(nèi)容模塊，構(gòu)建面向計算思維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式（CTPBL），具體結(jié)構(gòu)如右圖所示。

1.項(xiàng)目啟動

項(xiàng)目啟動是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)施的基礎(chǔ)與保障，具體包括創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境、確定項(xiàng)目問題、分析項(xiàng)目問題三個部分。

創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境：聚焦學(xué)生興趣切入點(diǎn)，選取前沿科技熱點(diǎn)或校園生活實(shí)際需求，創(chuàng)設(shè)具備探究吸引力的問題情境。

確定項(xiàng)目問題：從具體情境中提煉兼具學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)與探究價值的核心議題，將學(xué)生興趣轉(zhuǎn)化為明確的研究方向。

分析項(xiàng)目問題：梳理學(xué)科知識體系中與問題相關(guān)的概念原理及邏輯關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)上逐步引導(dǎo)學(xué)生明晰問題內(nèi)涵、識別難點(diǎn)瓶頸、探索解決路徑。同時，需評估項(xiàng)目實(shí)施的現(xiàn)實(shí)條件，包括技術(shù)路線的可行性論證與資源配置的合理性分析。通過系統(tǒng)性分析過程，促使學(xué)生將零散認(rèn)知整合成結(jié)構(gòu)化解決方案，實(shí)現(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)性思考向科學(xué)性思維的轉(zhuǎn)變，為項(xiàng)目落地實(shí)施提供方法論支撐。

2.項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目實(shí)施作為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的核心環(huán)節(jié)，涵蓋構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、算法設(shè)計與算法實(shí)現(xiàn)三個關(guān)鍵步驟。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支撐下，師生依托網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，整合協(xié)作交流工具、多元學(xué)習(xí)資源及認(rèn)知工具等信息化學(xué)習(xí)載體，開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的具體探究實(shí)踐。

構(gòu)建數(shù)學(xué)模型：學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方法剖析實(shí)際問題的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過公式推導(dǎo)、圖表繪制等方式，將復(fù)雜問題抽象為數(shù)學(xué)表達(dá)式。

算法設(shè)計：學(xué)生基于數(shù)學(xué)模型規(guī)劃清晰的解題流程，明確數(shù)據(jù)輸入、處理及輸出的全流程邏輯，并選用適宜的數(shù)據(jù)處理方法。在算法制訂的過程中，學(xué)生既要遵循邏輯規(guī)則，又需考量算法的適用性與執(zhí)行效率，通過持續(xù)優(yōu)化方案提升邏輯推理與創(chuàng)新思維能力。

算法實(shí)現(xiàn)：將設(shè)計完成的算法轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可執(zhí)行的代碼。學(xué)生在完成程序編寫后，需通過反復(fù)測試調(diào)試，檢驗(yàn)程序運(yùn)行的準(zhǔn)確性，排查并修正代碼錯誤。

3.項(xiàng)目總結(jié)

項(xiàng)目總結(jié)階段主要包含交流評價與算法遷移應(yīng)用兩大核心內(nèi)容。

交流評價：在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式下，評價體系的構(gòu)建需秉持多元主體協(xié)同參與、評價內(nèi)容全面綜合、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定科學(xué)合理、方法手段豐富多樣的準(zhǔn)則，依托師生互評與生生互評機(jī)制推進(jìn)實(shí)施。在項(xiàng)目展示階段，學(xué)生需系統(tǒng)闡釋項(xiàng)目設(shè)計思路、算法構(gòu)建邏輯及問題解決路徑，而在互評環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以從算法執(zhí)行效率、代碼規(guī)范性等專業(yè)維度提出改進(jìn)建議。

算法遷移：要求學(xué)生探究項(xiàng)目算法在跨場景問題解決中的適用性，如將特定數(shù)據(jù)處理算法遷移至不同應(yīng)用場景。通過對比分析問題的共性特征與個性差異，提煉算法的通用邏輯框架，突破思維定式束縛，實(shí)現(xiàn)計算思維從單一項(xiàng)目場景向多元應(yīng)用場景的遷移拓展，切實(shí)提升解決復(fù)雜實(shí)際問題的能力素養(yǎng)。

研究設(shè)計

1.研究問題及對象

筆者選取所在學(xué)校高一年級兩個平行班級作為研究對象。實(shí)驗(yàn)前測數(shù)據(jù)表明，兩組學(xué)生在計算思維初始水平上未呈現(xiàn)顯著差異（Sig=0.817gt;0.05） 。

2.教學(xué)內(nèi)容

將“數(shù)據(jù)與計算”模塊中的8個項(xiàng)目主題作為本研究的載體，課程內(nèi)容分為概念學(xué)習(xí)、項(xiàng)目創(chuàng)作以及綜合運(yùn)用三種類型，學(xué)習(xí)進(jìn)度遵循課程內(nèi)容由易及難的原則加以安排。

3.評價工具

本研究采用陳興冶團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的本土化計算思維評估框架。該框架包含態(tài)度與技能兩大核心維度：態(tài)度維度下分解為情感態(tài)度、合作學(xué)習(xí)兩個二級指標(biāo)，并包含更為具體的8個關(guān)鍵指標(biāo)；技能體系包含五類核心子維度，共映射至15項(xiàng)關(guān)鍵能力要素。量表總計36題，采用Likert五級計分法。被試者依據(jù)與題項(xiàng)陳述的契合程度，在“非常符合\"（5分）至\"非常不符\"（1分）間選擇評分，其中反向表述題目實(shí)行分值倒置。

為檢驗(yàn)量表在高中生群體中的測量效能，本研究系統(tǒng)評估其信度與效度指標(biāo)。量表通過在線平臺發(fā)放，由教師統(tǒng)一組織學(xué)生現(xiàn)場填寫，最終回收有效問卷366份（剔除無效數(shù)據(jù)后有效率 98.4% 。采用IBMSPSSStatistics26.0對量表數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理。

（1）量表信度分析

針對量表23項(xiàng)核心指標(biāo)進(jìn)行內(nèi)部一致性檢驗(yàn)，獲得Cronbach'sa 系數(shù)0.873，該數(shù)值超越0.8基準(zhǔn)值，表明整體測量工具具備優(yōu)良信度水平。分層檢驗(yàn)顯示：計算思維態(tài)度維度（涵蓋7指標(biāo)） a 系數(shù)為0.791，雖未達(dá)0.8標(biāo)準(zhǔn)但仍高于0.7臨界值；技能維度（含16指標(biāo)）α 值達(dá)0.892，符合優(yōu)良信度要求。深入分析計算思維體系的7個二級指標(biāo)，情感態(tài)度 （α=0.76） 與評估L α_?α_?α_?α_?α_? 信度略低于基準(zhǔn)，其余5個二級指標(biāo) a 值均高于0.81。數(shù)據(jù)表明，全部因子內(nèi)部一致性處于可靠區(qū)間，證實(shí)本研究數(shù)據(jù)信度質(zhì)量符合學(xué)術(shù)規(guī)范。

（2）量表效度分析

針對計算思維量表的效度檢驗(yàn)，分析顯示其KMO統(tǒng)計量達(dá)到0.918，Bartlett球形檢驗(yàn)的顯著性水平為0.000。學(xué)術(shù)研究中普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)是KMO值若超過0.7，則證實(shí)因子分析具備適用性且結(jié)論可靠。上述結(jié)果清晰地反映了該量表優(yōu)良的結(jié)構(gòu)效度。

4.實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程主要分為計算思維前測、教學(xué)實(shí)踐、計算思維后測三個階段。

計算思維前測：在正式課程開始前，對高一樣本學(xué)生的計算思維水平進(jìn)行測試（計算思維試卷A卷），采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法對問卷調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前信息技術(shù)教學(xué)存在的問題、現(xiàn)階段學(xué)生計算思維的水平，并選擇初始水平相當(dāng)?shù)膬山M學(xué)生進(jìn)行后續(xù)的教學(xué)實(shí)踐。

教學(xué)實(shí)踐：實(shí)驗(yàn)組和對照組的學(xué)生分別參與16課時，實(shí)驗(yàn)組采用CTPBL教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，對照組采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)。實(shí)驗(yàn)組和對照組均由同一名教師授課，且講授內(nèi)容相同，以算法的三種基本結(jié)構(gòu)為主。

計算思維后測：實(shí)驗(yàn)組和對照組的學(xué)生作答計算思維試卷B卷。

研究結(jié)果

1.實(shí)驗(yàn)組和對照組計算思維前測結(jié)果比較

對實(shí)驗(yàn)組和對照組學(xué)生的計算思維前測成績進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，實(shí)驗(yàn)組與對照組在計算思維整體能力、技能掌握度、態(tài)度傾向及各子維度上均未呈現(xiàn)顯著區(qū)別 （pgt;0.05 。該結(jié)果證實(shí)在教學(xué)干預(yù)實(shí)施前，兩班學(xué)生計算思維能力基本上處于同一水平，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)控制提供有效保障。

2.實(shí)驗(yàn)組和對照組計算思維后測結(jié)果比較

使用量表測量工具分別對實(shí)驗(yàn)組和對照組實(shí)施后測評估，同步獲取雙組受試者的計算思維能力標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。通過配比分析前測與后測數(shù)據(jù)，生成計算思維及各級指標(biāo)能力發(fā)展增量指標(biāo)（如右表）。可以看出實(shí)驗(yàn)組在計算思維相關(guān)的7個二級指標(biāo)、總分方面的增幅明顯高于對照組。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的效果，利用SPSS對實(shí)驗(yàn)后測結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，計算思維技能水平 Sig=0.032lt;0.05 計算思維態(tài)度水平Si g=0.017lt;0.05 計算思維總體水平Si g=0.025lt;0.05 表明實(shí)驗(yàn)組與對照組后測結(jié)果呈現(xiàn)統(tǒng)計顯著區(qū)別。該證據(jù)證實(shí)，CTPBL教學(xué)模式顯著促進(jìn)了學(xué)生計算思維能力的有效發(fā)展。

研究結(jié)論與建議

1.研究結(jié)論

本研究以實(shí)證方法驗(yàn)證了CTPBL教學(xué)模式能夠顯著提升學(xué)生概括、分解、算法設(shè)計等核心計算思維能力。這種通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生以“問題解決者”“方案設(shè)計者”的角色深度參與學(xué)習(xí)過程的教學(xué)模式，高度契合了新課標(biāo)中關(guān)于核心素養(yǎng)培育的要求，打破了傳統(tǒng)教學(xué)中知識碎片化、學(xué)習(xí)被動化的局限，是推動信息技術(shù)課程從“知識本位”向“素養(yǎng)導(dǎo)向”轉(zhuǎn)型的有效路徑。

2.建議

① 以學(xué)生興趣為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計項(xiàng)目。教師應(yīng)通過問卷、課堂交流等方式了解學(xué)生興趣，并將其融入項(xiàng)目主題與目標(biāo)設(shè)定中，以增強(qiáng)學(xué)生參與的積極性，讓學(xué)生在感興趣的情境中主動運(yùn)用計算思維解決問題。

② 精準(zhǔn)調(diào)控項(xiàng)目任務(wù)難度。依據(jù)學(xué)生知識基礎(chǔ)與能力差異，設(shè)計分層任務(wù)，為基礎(chǔ)薄弱學(xué)生提供更多引導(dǎo)與支持，為學(xué)有余力學(xué)生設(shè)置拓展挑戰(zhàn)，確保各層次學(xué)生都能在“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)獲得提升。

③ 構(gòu)建完善的教學(xué)評價體系。突破單一結(jié)果評價，強(qiáng)化過程性評價，關(guān)注學(xué)生在項(xiàng)目規(guī)劃、協(xié)作、問題解決中的思維表現(xiàn)；采用多元化評價主體，結(jié)合學(xué)生自評、互評與教師評價，全面反饋學(xué)習(xí)情況；細(xì)化計算思維各維度評價指標(biāo)，使評價更具客觀性與指導(dǎo)性，真正實(shí)現(xiàn)以評促學(xué)、以評促教。

④ 深化項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐，將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)作為信息技術(shù)課程改革的核心策略，摒棄“點(diǎn)綴式”“表演式”的應(yīng)用方式，使其成為課堂常態(tài)。在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上，積極探索跨學(xué)科融合路徑。

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