【摘 要】隨著互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字技術(shù)高速發(fā)展，高中生要適應(yīng)未來發(fā)展，需要培養(yǎng)計算思維能力。本文探討了通過設(shè)計“五維”項目場景來培養(yǎng)高中生計算思維能力的重要性及其方法。通過“看、聽、說、觸、感”五個維度對項目場景進(jìn)行設(shè)計，在問題界定與抽象、建模與數(shù)據(jù)組織、分析與綜合、算法設(shè)計與實現(xiàn)、遷移與應(yīng)用等方面全面培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。通過“五維”項目場景設(shè)計，能夠有效地促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展和終身學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】計算思維；項目場景；設(shè)計與實現(xiàn)

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）012-062-04

隨著社會信息化程度越來越高，計算思維作為一種重要的思維方式和解決問題能力日益受到重視。然而，當(dāng)前高中生的計算思維能力培養(yǎng)仍有許多不足。教學(xué)中，項目場景的設(shè)計能為學(xué)生提供一個實踐平臺，通過解決實際問題，有效培養(yǎng)和深化學(xué)生的計算思維能力，對其未來學(xué)業(yè)、職業(yè)發(fā)展都具有重要意義。

計算思維的內(nèi)涵

2006年，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)教授周以真開始致力于研究計算思維，首次對計算思維的定義進(jìn)行了明確界定：計算思維是一套能夠利用計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)概念，去尋找解決方案、設(shè)計系統(tǒng)以及借助計算機(jī)可以理解的方式表達(dá)解決方案，學(xué)科界限不僅僅局限于計算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域，而應(yīng)該遍及更廣泛的研究領(lǐng)域[1]。

依照我國《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中的定義，計算思維是應(yīng)用計算機(jī)科學(xué)的思想方法來解決問題時產(chǎn)生的一系列思維活動。具備計算思維的學(xué)生，在信息活動中能夠采用計算機(jī)可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、組織合理數(shù)據(jù)，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案，總結(jié)利用計算機(jī)解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中[2]。

因此，計算思維可以從以下五個維度來定義：問題界定與抽象、建模與數(shù)據(jù)組織、分析與綜合、算法設(shè)計與實現(xiàn)、遷移與應(yīng)用[3]。

高中生計算思維能力的培養(yǎng)現(xiàn)狀

高中學(xué)生雖然已經(jīng)具備一定的計算思維能力，但存在個人閱歷不足、實踐經(jīng)驗不夠等現(xiàn)實問題，計算思維能力在許多方面均有欠缺。

1.信息過載，規(guī)律難尋——問題界定與抽象能力不足

隨著互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生們面臨海量信息，在面對復(fù)雜問題時，他們往往難以準(zhǔn)確界定問題的關(guān)鍵要素，導(dǎo)致解決問題的方向不明確。而信息技術(shù)領(lǐng)域充斥著抽象的概念，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法原理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，學(xué)生如果沒有足夠的抽象思維能力，就很難深刻理解這些概念，進(jìn)而影響其學(xué)習(xí)和應(yīng)用能力。

2.模型構(gòu)建，數(shù)據(jù)雜亂——建模與數(shù)據(jù)組織的挑戰(zhàn)

對于高中生來說，在構(gòu)建模型和組織數(shù)據(jù)時，一方面，由于他們?nèi)狈ο到y(tǒng)的建模訓(xùn)練，不太熟悉如何構(gòu)建數(shù)學(xué)或邏輯模型來描述問題，導(dǎo)致在面對復(fù)雜問題時難以構(gòu)建有效的模型。另一方面，高中生不知道如何選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)集較大且較為復(fù)雜時，他們通常難以從雜亂無章的數(shù)據(jù)中提取有用信息。

3.分析不透，綜合不力——分析與綜合能力欠缺

由于學(xué)習(xí)壓力大，實踐機(jī)會少，許多高中生在面對復(fù)雜問題時，難以深入分析問題的本質(zhì)，不擅長將已有的知識和技術(shù)綜合起來形成有效的解決方案。這種能力的欠缺不僅影響了他們解決問題的效率，還限制了他們在信息技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新潛力。

4.算法設(shè)計，效率不高——算法設(shè)計與實現(xiàn)的瓶頸

算法設(shè)計是信息技術(shù)教育中的一個重要組成部分，但在面對復(fù)雜的算法問題時，學(xué)生常常感到困惑。他們在設(shè)計算法時，難以確定最佳的解決策略，導(dǎo)致所設(shè)計的算法效率低下或難以實現(xiàn)。此外，他們在調(diào)試算法時也會遇到困難，難以識別和修復(fù)邏輯錯誤，從而影響了算法的正確性和性能。

5.遷移應(yīng)用，創(chuàng)新不足——遷移與應(yīng)用的障礙

高中生在掌握了基本的理論知識和技術(shù)后，難以將這些知識有效地應(yīng)用于解決新問題。在創(chuàng)新方面，學(xué)生缺乏將所學(xué)知識與新技術(shù)、新工具相結(jié)合的能力，從而難以提出創(chuàng)新性的解決方案。因此，教師在高中信息技術(shù)教學(xué)中，需要精心設(shè)計課程和實踐活動，促進(jìn)學(xué)生的全面參與，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

項目場景設(shè)計有效連接真實世界

1.項目場景設(shè)計與項目式學(xué)習(xí)的關(guān)系

項目式學(xué)習(xí)是培養(yǎng)計算思維的有效方法。通過讓學(xué)生參與解決現(xiàn)實世界中的復(fù)雜問題，促進(jìn)他們主動探索、協(xié)作和創(chuàng)新，從而在實踐過程中自然而然地培養(yǎng)計算思維。項目式學(xué)習(xí)主要包括項目目標(biāo)、項目內(nèi)容、項目活動、項目場景和項目評價五個要素。

項目式學(xué)習(xí)是一個更為廣泛的概念，涵蓋了整個學(xué)習(xí)過程的設(shè)計和實施；而項目場景是項目式學(xué)習(xí)中一個具體的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計，是實現(xiàn)項目式學(xué)習(xí)目標(biāo)的重要手段。它們在概念上有相似之處，但側(cè)重點和范圍有所不同。

2.項目場景設(shè)計與計算思維培養(yǎng)

好的項目場景能夠為學(xué)生提供一個培養(yǎng)計算思維的平臺，通過解決實際創(chuàng)新問題，學(xué)生不僅能夠掌握計算思維的基本技能，還能培養(yǎng)解決復(fù)雜問題的能力和團(tuán)隊合作精神。

在問題界定與抽象方面，好的項目場景設(shè)計能夠引導(dǎo)學(xué)生明確問題的邊界，幫助他們學(xué)會從復(fù)雜的現(xiàn)象中提取關(guān)鍵信息，從而更好地理解問題的本質(zhì)。在建模與數(shù)據(jù)組織方面，學(xué)生通過構(gòu)建不同模型來代表問題的不同方面，有助于學(xué)生有效地管理和利用數(shù)據(jù)。在分析與綜合方面，項目場景設(shè)計要求學(xué)生通過分析，將不同的信息源綜合起來得出結(jié)論，有助于他們學(xué)會如何從多個角度審視問題。在算法設(shè)計與實施方面，項目場景設(shè)計提供的實踐平臺，培養(yǎng)了他們的邏輯思維能力和問題解決能力。在遷移與應(yīng)用方面，項目場景設(shè)計鼓勵學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于新的情境中，這有助于他們理解計算思維是一種通用的解決問題的方法。

總之，精心設(shè)計的項目場景能將抽象的計算思維概念與學(xué)生的生活經(jīng)驗和真實世界做有效連接，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和參與度，為他們提供實踐機(jī)會，幫助學(xué)生在問題界定與抽象、建模與數(shù)據(jù)組織、分析與綜合、算法設(shè)計與實現(xiàn)、遷移與應(yīng)用這五個維度上發(fā)展計算思維能力。

項目場景設(shè)計的八要素

項目場景設(shè)計主要包括以下八個要素：定義項目目標(biāo)，明確項目設(shè)計的目的和預(yù)期結(jié)果；一個基于現(xiàn)實或模擬真實世界問題的情境；一個或多個激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲望的開放性問題；一系列引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究的活動；學(xué)生可使用的材料、工具和技術(shù)資源；一個用于評價學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度和成果的體系；學(xué)生需要完成的最終作品或展示；反思自己的學(xué)習(xí)過程和項目成果，思考哪些做得好，哪些地方需要改進(jìn)[4]（圖1）。

這樣不僅為學(xué)生提供了實踐的機(jī)會，還能幫助他們在解決問題的過程中發(fā)展批判性思維、創(chuàng)造性解決問題的能力以及團(tuán)隊合作精神。這種學(xué)習(xí)方式強(qiáng)調(diào)的是過程而不是僅僅關(guān)注結(jié)果，從而促進(jìn)了學(xué)生更深層次的學(xué)習(xí)和發(fā)展。

培養(yǎng)計算思維能力的“五維”項目場景設(shè)計與實施

項目場景設(shè)計通過構(gòu)建貼近現(xiàn)實、富有吸引力的學(xué)習(xí)情境，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)深層次理解和跨學(xué)科技能的融合，還能強(qiáng)化學(xué)生的自我導(dǎo)向?qū)W習(xí)能力，使其在解決復(fù)雜問題的過程中實現(xiàn)個人成長和全面發(fā)展[5]。

通過本校與區(qū)域內(nèi)兄弟高中學(xué)校的教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)在設(shè)計項目場景時，可以從“看、聽、說、觸、感”這五個維度來進(jìn)行有針對性的設(shè)計，幫助學(xué)生感知問題、理解問題、體驗解決問題的過程，在實際操作中產(chǎn)生創(chuàng)新，進(jìn)而達(dá)到主動參與、主動協(xié)作、主動反思、主動探索、主動創(chuàng)新，從而提高學(xué)生問題界定與抽象能力、建模與數(shù)據(jù)組織能力、分析與綜合能力、算法設(shè)計與實現(xiàn)能力、遷移與應(yīng)用能力，最終全方位實現(xiàn)學(xué)生計算思維的培養(yǎng)（圖2）。

在實際應(yīng)用中，以設(shè)計“智能校園生活助手”為例，高中學(xué)生已經(jīng)具備了不錯的溝通與協(xié)調(diào)能力，可以獨(dú)立完成觀察、訪談等活動。此外，小組合作可以加強(qiáng)學(xué)生的思維碰撞，培養(yǎng)溝通與協(xié)調(diào)能力。通過教師指導(dǎo)，結(jié)合課堂所學(xué)的編程知識，學(xué)生完全可以實現(xiàn)設(shè)計并開發(fā)應(yīng)用程序。項目場景的設(shè)計與實施具體（表1）。

1.“看”維度——視覺感知與數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，增強(qiáng)問題界定與抽象能力

在設(shè)計項目時，教師應(yīng)確保學(xué)生能夠通過觀察現(xiàn)實世界中的現(xiàn)象來界定問題。重點是教會學(xué)生如何有效地收集和整理視覺信息，并使用圖表、圖形等可視化工具來展示觀察結(jié)果，從而幫助他們更好地感知問題，體驗課堂的真實感和主動參與意識，進(jìn)而增強(qiáng)問題界定與抽象能力。

2.“聽”維度——語音交互與問題理解，提升建模與數(shù)據(jù)組織能力

當(dāng)設(shè)計聽覺的項目時，教師應(yīng)側(cè)重于教授學(xué)生如何利用聲音作為信息輸入和輸出的媒介。教師可以讓學(xué)生傾聽別人的意見，記錄想法，也可以讓學(xué)生學(xué)會如何使用錄音設(shè)備和音頻編輯軟件來處理數(shù)據(jù)，并從中提取有意義的信息。此外，教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生探索如何通過語音命令來控制計算機(jī)程序或機(jī)器人，以此進(jìn)一步理解問題，增強(qiáng)課堂的存在度和主動協(xié)作意識，進(jìn)而提升建模與數(shù)據(jù)組織能力。

3.“說”維度——體驗表達(dá)與團(tuán)隊協(xié)作，培養(yǎng)分析與綜合能力

在涉及口頭溝通的項目中，教師應(yīng)強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊合作的重要性。教師可以通過組織小組項目讓學(xué)生們共同解決問題。在這個過程中，學(xué)生需要明確任務(wù)分工、討論設(shè)計方案，并且需要不斷地向團(tuán)隊成員解釋自己的想法。這種溝通不僅能讓學(xué)生表達(dá)個人的設(shè)計想法，體驗課堂參與的榮譽(yù)感，還能增強(qiáng)團(tuán)隊協(xié)作能力，促進(jìn)學(xué)生主動反思，進(jìn)而培養(yǎng)分析與綜合能力。

4.“觸”維度——操作互動與實體應(yīng)用，強(qiáng)化算法設(shè)計與實現(xiàn)能力

在設(shè)計物理互動的項目時，教師應(yīng)該讓學(xué)生們親手操作實體對象，重點在于讓學(xué)生們分析實體對象的功能需求，設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)控制程序。通過親手制作，學(xué)生能夠更直觀地理解算法設(shè)計與實現(xiàn)的過程，建立學(xué)生的自信感，促進(jìn)學(xué)生主動探索，進(jìn)而強(qiáng)化算法設(shè)計與實現(xiàn)能力[6]。

5.“感”維度——用戶體驗與遷移創(chuàng)造，激發(fā)遷移與應(yīng)用能力

在設(shè)計情感共鳴的項目時，教師應(yīng)著重于用戶體驗設(shè)計，重點在于培養(yǎng)學(xué)生的同理心，讓他們學(xué)會站在用戶的角度思考問題，并將計算思維應(yīng)用到解決實際問題中。通過這樣的項目，學(xué)生不僅能夠提高遷移與應(yīng)用的能力，讓他們擁有成就感，還能促進(jìn)學(xué)生主動創(chuàng)新，進(jìn)而激發(fā)遷移與應(yīng)用能力。

結(jié) 語

具備計算思維的學(xué)生能夠更好地適應(yīng)快速變化的環(huán)境，高效解決現(xiàn)實復(fù)雜問題。通過設(shè)計“五維”項目場景來培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，可以幫助學(xué)生在學(xué)業(yè)上更加高效地解決問題，提高創(chuàng)新意識和批判性思維，對于未來的職業(yè)生涯和社會生活都有重要作用。

注：本文系江蘇省教研課題“以項目式學(xué)習(xí)提升高中生計算思維的實踐研究”（編號：2023JY15-GLL22）和蘇州市吳中區(qū)“十四五”規(guī)劃課題“基于項目式教學(xué)的信息技術(shù)學(xué)科“四感”教學(xué)策略研究”（編號：145QG3003）的研究成果

參考文獻(xiàn)

劉彩萍. 面向計算思維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)DBL+PBL融合模式研究[D]. 廣州：廣州大學(xué)，2023： 8.

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

袁斌. 項目活動“井字游戲算法與程序?qū)崿F(xiàn)”之調(diào)試與優(yōu)化[J]. 上海教育，2019（8）： 48-49.

宿慶，張文蘭，王海，李紅斌. 面向計算思維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)課程項目式學(xué)習(xí)研究[D]. 西安： 陜西師范大學(xué)，2021： 5.

陳宏斌. 面向計算思維培養(yǎng)的項目式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式研究[J]. 中國教育學(xué)刊，2013（2）： 159-160.

劉江岳，馬靜. 培養(yǎng)計算思維的高中人工智能課程項目式學(xué)習(xí)活動設(shè)計[J]. 計算機(jī)教育，2023（12）： 362.

作者單位：江蘇省外國語學(xué)校

編 輯：張瑩