培养计算思维的高中信息技术校本课程研究*

曹晓明 安 娜



培养计算思维的高中信息技术校本课程研究*

曹晓明1安 娜2

（1．深圳大学 师范学院，广东深圳 518061；2．深圳市布吉高级中学，广东深圳 518123）

计算思维是高中信息技术课程的四大学科核心素养之一。文章首先从分析计算思维的内涵出发，对计算思维进行了维度解析并构建了计算思维逻辑框架；在此基础上，文章提出了高中阶段计算思维的培养路径——研发培养计算思维的信息技术校本课程。随后，文章介绍了培养计算思维的高中信息技术校本课程的设计与开发过程。最后，文章阐述了校本课程的教学流程，分析了该流程中计算思维在解决问题环节的应用情况，并展示了相关的实践成果。文章的研究为计算思维在高中阶段的实施提供了一个系统化的完整案例，有助于深化培养学生计算思维的研究，并推动高中信息技术教学改革实践的深入开展。

计算思维；校本课程；信息技术；人工智能；App Inventor

近年来，信息技术教育的一个重要发展趋势是从关注信息技术相关操作技能的培养，向关注学生的计算思维转变。2013年，英国教育部将原有的国家课程“信息通信技术（Information and Communications Technology，ICT）”更名为“计算（Computing）”课程——该课程与传统信息通信技术课程的最大区别，就是课程目标被确定为让学生使用计算思维和创造力来理解并改变世界[1]。2016年，美国政府宣布了一项名为“为了全体学生的计算机科学（Computer Science for All）”的新计划，明确指出从幼儿园到高中的所有美国学生都需要掌握计算思维（Computational Thinking）技能[2]。我国也高度重视计算思维的培养，如《高中信息技术课程标准修订稿（2016年版）》明确将计算思维界定为高中信息技术学科的核心素养要素[3]，《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》则要求设置数据与数据结构、人工智能初步等同计算思维培养紧密相关的课程模块，计算思维被赋予了落实“人工智能+教育”目标的使命。如何在显性的课程教材中植入隐性的计算思维培养目标，将计算思维方法贯穿于教学内容、教学手段、教学设计等各教学环节，使学生认识并理解计算思维的内涵，具备计算思维的意识，掌握计算思维的方法和技能，最终将计算思维应用到未来的创新和创造当中，是当前高中信息技术课程的重点和难点。

一 高中阶段计算思维培养的逻辑起点

1 计算思维的内涵

2006年，周以真对计算思维进行了如下定义：“计算思维是指运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。”[4]。2011年，美国国际教育技术协会（International Society for Technology in Education，ISTE）和计算机科学教师协会（Computer Science Teachers Association，CSTA）共同提出了计算思维的操作性定义：计算思维是一个问题解决过程，涉及问题的阐述，数据的组织、分析和呈现，解决方案的制订、识别、分析和实施以及问题解决过程的迁移[5]。计算思维训练不是简单的知识学习或技能练习，而重在发展学习者的认知结构[6]。以上定义说明计算思维是一种思维习惯和思维品质，依附于问题解决过程，强调抽象概括能力和逻辑思辨能力。通过对已有文献综述和当前课程教学目标的分析，本研究将高中阶段计算思维分为九个维度来表述。

表1 计算思维九个维度的表述

2 高中阶段培养学生计算思维的生理基础

高中生的独立性和抽象概括能力日益增强[7]，并且思维水平已达到一定高度，具有了向高阶思维发展的潜力，辩证逻辑思维也日趋发展。因此可以说，高中生已初具计算思维的主要思维品质，这为计算思维的培养奠定了基础，高中阶段也因而成为了培养计算思维的最佳时机。

3 高中阶段培养学生计算思维的课程基础

当前，高中课程教材仍然较多沿用以通用信息技术的普及、通用程序语言的普及为重点的传统课程体系，而在学生计算思维的培养方面呈现碎片化特征，缺少体系化的支持，迫切需要更新课程，《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》就明确提出要“在中小学阶段设置人工智能相关课程”。而如何在信息技术教学中渗透人工智能教育，展示人工智能的应用场景，为学生奠定人工智能的相关基础，促使学生具备数字化时代的创新素养，成为了当前信息技术课程的重要挑战。计算思维已成为信息教学法创新的重要切入点[8]，特别是在人工智能教育新时代，计算思维作为人工智能的基础思维的重要性日益凸显。

二 高中阶段的计算思维逻辑框架与培养路径

1 计算思维逻辑框架

人类思维的基本形式包括具体形象思维、抽象逻辑思维、聚合思维、发散思维、常规思维、创造思维等。思维是一个动态、迭代的过程，因此计算思维的表征不应是扁平的，需要对计算思维特征要素间的关联、关系进行动态描述。通过对计算思维进行问题解决的动态分解，并将其融入高中信息技术课程，本研究构建了一个立体的、网状的计算思维逻辑框架，如图1所示。

图1 计算思维逻辑框架

在计算思维逻辑框架中，高中信息技术课程以大概念作为整个框架的最底层，此学科概念层重在让学生掌握数据、算法、信息系统、信息社会等关键学科知识，为高阶思维（特别是计算思维）的形成打好基础。计算思维层按照问题分析、问题解决、问题评估的流程，突出培养计算思维的九个维度（如表1所示），使计算思维的培养更加具象化，让学生学会运用计算思维识别与分析问题，对问题进行抽象、建模，进而设计系统性的解决方案。创造应用层是计算思维的进一步升华，在具体的问题情境中，引导学生提出创新的观点与解决方案，可从“老问题+新方法”、“新问题+老方法”、“新问题+新方法”三个角度引导学生运用计算思维创造性地解决问题，将计算思维上升到创新思维。

2 高中阶段计算思维的培养路径

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》明确指出，信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任是信息技术课程的四大核心素养，凸显了计算思维的重要性。课程是落实计算思维的重要路径。在新课标中，课程结构含必修、选择性必修和选修三类课程共10个模块：①必修课程含数据与计算、信息系统与社会2个模块，计3学分、54学时；②选择性必修课程含数据与数据结构、网络基础、数据管理与分析、人工智能初步、三维设计与创意、开源硬件项目设计6个模块，计36个学时；③选修课程包括算法初步和移动应用设计2个模块[9]。由此可见，高中阶段信息技术教学从课程内容的广度与深度都得到了加强，对应的教学任务和学习任务也都大幅增加，但与之相矛盾的是课时容量有限（必修课总学时仅90学时）。由于高中阶段课时量的限制，使得高中阶段计算思维的培养难以像大学阶段那样通过体系化、序列化的课程群系统地展开，需要在有限的课程容量与时间周期里落实计算思维培养的目标，因而研发培养计算思维的信息技术校本课程成为了高中阶段计算思维培养的重要路径。

三 培养计算思维的高中信息技术校本课程的设计

考虑到高中阶段的信息技术教学特点，本研究认为思维培养类课程应优先于基础知识与能力课程的开展、综合类课程应优先于独立专项课程的开展、贴近实际的创新性问题应优先于传统算法问题的解决。为此，如何选择适当的教学载体便成了亟待解决的问题——这种载体要兼顾综合性、先进性、移动性与智能性，能满足当前移动应用、智能应用、物联应用的工业4.0大背景，能支持课程的容量要求；同时，需降低繁冗的语法与复杂的编程限制，以满足课时量有限的要求。综合考虑这些因素，本研究将App Inventor作为计算思维培养的载体——它采用Android编程环境，可以在手机、平板等智能移动设备上使用，对移动学习的支持力度大；设计开发出的程序或趣味小游戏贴近现实世界，易外显和分享，有利于调动学生的学习兴趣和创作积极性，使学生获得学习成就感。在此基础上，本研究进行了培养计算思维的高中信息技术校本课程的设计，具体如下：

1 课程目标设计

由于培养计算思维的高中信息技术校本课程的实施对象是尚未普遍具备编程基础的高中学生，故需要通过问题驱动教学、项目式学习、创造性问题解决等教学方式，引导学生主动思考与解决问题，培养计算思维意识、掌握计算思维方法、提升计算思维能力，并依托计算思维发展高阶的创新思维。

2 课程内容框架设计

按照一学期36学时的课程容量，培养计算思维的高中信息技术校本课程可分为基础篇、组件应用篇和游戏开发篇三个核心部分，另外还包含App Inventor入门、App Inventor工具箱等两个辅助部分，其内容框架设计如图2所示。按照该课程内容框架设计，每个部分又包含若干项目，而每个项目的内容设计又包括学习目标、任务描述、界面设计、组件清单及属性设置、素材清单、认识代码块、语法要点、自我实践等八个子模块。

图2 校本课程的内容框架设计

3 评价策略的设计

程序设计开发是一个复杂且漫长的项目化过程，评价维度包括创意构想能力、资源搜集能力、程序开发能力、计算思维能力、合作交流能力等。其中，计算思维能力的评价是重点，应围绕作品的分享，通过班级分享、小组分享、头脑风暴、项目竞赛等具体策略，引导学生解构计算思维的形成过程，促进思维的碰撞，提炼思维中的闪光点，并针对思维的难点答疑解惑。

四 培养计算思维的高中信息技术校本课程的开发

1 纸质教材的编写

教材是校本课程的核心教学材料，教材的教学单元按项目展开；项目的选择以生活化实用App和趣味游戏App为主，项目的排列由浅入深、由易到难，且尽量多地涵盖新课标中各模块内容的要求；从多个维度综合培养学生的计算思维，教学内容按螺旋式排列；组件属性、算法思想和语块设计可重复出现，让学生通过反复练习不断提高。校本课程的教材项目设置及其对应的计算思维维度如表2所示。

表2 校本课程的教材项目设置及其对应的计算思维维度

2 学习环境创设与数字资源开发

项目化的程序设计需要项目化的学习管理平台，以支持项目的过程化管理与评价，并为学生计算思维的拓展和提升创造条件。为此，培养计算思维的高中信息技术校本课程部署了专门的数字化学习系统，可为学生提供项目资源、微课视频、项目素材、评价量表、作品分享等支持，扩展学习的时间和空间。此外，每个项目都有配套的微视频，便于学生进行课前、课后自主学习；项目素材包涵盖视频、音频、音效、图片等，也存放于项目化学习管理平台上。

五 培养计算思维的高中信息技术校本课程的实施

1 校本课程的教学流程

基于上述培养计算思维的高中信息技术校本课程的设计与开发，本研究综合教学的实施过程与计算思维的培养过程，设计了校本课程的教学流程，如图3所示。其中，计算思维的培养主要集中于解决问题环节，具体表现为：首先，学生运用抽象思维，对问题进行抽象、约简和分解；然后，学生运用递归思维对问题进行推理，再应用工程思维制定可行方案；最后，利用建模、仿真、数据分析等方式对可行方案进行评估，此过程运用了模型思维、仿真思维和数据思维——如有问题，则回到问题推理步骤，直至评估正常。在解决问题的过程中，学生还要综合考虑各项资源，如网络资源、图片、视频、声音等，这需要运用组织思维对这些资源进行加工、整合；同时，也要配合使用各种软、硬件，以进行App的开发，故需运用信息加工思维。

图3 校本课程的教学流程

2 校本课程的实践成果

本研究选取广东省B高中的三个班级进行了信息技术校本课程的教学实践，其中先锋班学生有51名，重点班有52名，平行班有50名。该教学实践共进行了两轮，取得了一定的实践成果：①在作品生成方面，学生以小组形式自定主题开发程序，教师对作品进行评价，以此判断学生计算思维能力的提升情况；教师的评价显示，学生的作品较好地体现了计算思维的各个维度，并且相较于校本课程学习之前，学生的计算思维能力提升明显。②在访谈方面，本研究与3名在学习任务完成、自主学习管理和计算思维评分方面均有显著差异的学生代表进行了访谈，他们纷纷表示参加校本课程学习后对计算思维有了深刻认识，能从计算思维的角度尝试着去分析、解决生活中的典型问题。③在考核测评方面，本研究设置了两项前后测试任务，要求学生在规定的时间内完成；统计结果显示，先锋班前后测的完成率分别为82%、100%，重点班分别为78.8%、92.3%，而平行班分别为64.8%、83.3%，明显可以看出后测的完成率要高于前测，这说明参加校本课程学习之后，不同层次班级的学生均在一定程度上提升了计算思维能力。

六 结语

在“人工智能+教育”的大背景下，作为人工智能基础思维的计算思维的重要性日益凸显。如何在信息技术教学中渗透人工智能教育，展示人工智能的应用场景，使学生具备数字化时代的创新素养，是当前信息技术课程必须应对的新挑战。而将计算思维融入高中信息技术教学，引导学生树立计算思维意识、掌握计算思维方法、提高计算思维能力，从计算思维的角度去分析和解决问题，具有较大的可行性。基于此，本研究介绍了培养计算思维的高中信息技术校本课程的设计与开发过程，阐述了校本课程的教学流程。后续研究将关注建立计算思维和创新思维之间的连接，融入更多适合高中阶段的项目（如智能硬件、智能机器人和其它新媒体新技术驱动的创客项目等），并利用基于脑电波传感器的新媒体和新技术，迭代更新包括“脑控”等在内的新项目，以进一步提升学生的计算思维，推动信息技术与课程教学的深度融合。

[1]唐瑞,刘向永.英国中小学计算思维教育评介[J].中国信息技术教育,2015,(23):17-21.

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Research on the School-based Curriculum of Information Technology in Senior High School Oriented to Cultivating Computational Thinking

CAO Xiao-ming1AN Na2

Computational thinking is one of the four core subject competences of information technology courses in senior high school. Starting from the analysis of the computational thinking connotation, this paper analyzed the dimensions of the computational thinking and constructed the logical framework of the computational thinking. On this basis, the training path of the computational thinking in senior high school that developing the school-based information technology curriculum oriented to cultivating computational thinking was proposed. Then, the design and development process of the school-based information technology curriculum in senior high school oriented to cultivating computational thinking was introduced. Finally, the teaching process of the school-based curriculum was expounded, the application situation of the computational thinking in the problem-solving link during the process was analyzed, and the relevant practice results were exhibited. The study of this paper provided a systematically complete case for the implementation of the computational thinking in senior high school stage, which helped to deepen the research of students’ computational thinking training and promoted the in-depth implementation of the reform practice of information technology teaching in senior high school.

computational thinking; school-based curriculum; information technology; artificial intelligence; App Inventor

G40-057

A

1009—8097（2018）07—0106—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.07.016

本文为2013年度教育部人文社会科学研究青年基金项目“脑机交互技术支持下的儿童教育游戏及其有效应用研究”（项目编号：13YJC880001）、广东省教育科学“十三五”规划课题项目“面向协同建构的情境式德育教育游戏及其应用研究”(项目编号：2017JKDY43)的阶段性研究成果

曹晓明，副教授，博士，研究方向为计算机支持的个性化学习与虚拟现实技术，邮箱为tocxm@163.com。

2017年12月18日

编辑：小米