职校学生计算思维能力培养策略

【摘 要】信息技术课程的教学效果直接影响着计算思维教育在职业学校落地实施的成效，因此，有必要从分析计算思维的内涵和元素入手，探索职业学校学生计算思维培养的路径和方法，以及单元教学设计的原则和策略，并提出基于计算思维培养的教学改革思路。

【关键词】职业教育;计算思维;信息技术;思维能力培养

【中图分类号】G712  【文献标志码】A  【文章编号】1005-6009（2020）76-0038-05

【作者简介】张翠红，南京财经高等职业技术学校（南京，210001）教师，高级讲师，主要研究方向为职业教育信息技术教学改革。

计算思维是计算机科学领域的关键思想和概念，开展计算思维教育有助于提高学生综合应用学科知识解决问题的能力。新颁布的《中等职业学校信息技术课程标准》也将计算思维确定为一项重要的信息技术学科核心素养，自此，探索学生计算思维的培养路径将进入实质性推进阶段。

当前我国职业学校的信息技术课程教学存在聚焦计算机软件及工具的使用，忽视学生应用能力及思维能力的培养;强化计算机操作训练，忽视学生解决问题能力及创新能力的训练等问题。对此，笔者认为，我国职业学校信息技术课程急需改革：课程目标定位中应强调计算思维能力的训练、课程内容的选择上应体现计算能力训练、课程实施过程中应贯穿计算思维能力的训练、课程评价指标应基于学生思维能力能达到的水平。计算思维在信息技术学科四个核心素养中起统领作用，通过计算思维能力的培养，使课程教学的落脚点落在“利用信息技术解决问题”上，以破解当下我国职业学校信息技术课程重技术轻能力的难题。

一、计算思维能力培养的路径和方法

（一）明确计算思维的内涵与构成要素

美国德保罗大学的教授们提出了一个计算思维的概念框架，涉及计算思维的组成元素以及这些元素之间的相互关系，内容包括通信、计算、自动化、协作、记忆、评估和设计。[1]其后，国内学者在此基础上增加了抽象这一内容，提出包含三个层次的表述体系框架（如图1所示）。

2011年，国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会提出了一个计算思维的操作性定义，即计算思维实质上是问题解决过程，包括（但不限于）以下步骤：1.制定问题，能够利用计算机和其他工具解决该问题;2.分析数据，逻辑化地组织和分析数据;3.再现数据，通过抽象（例如模型、仿真等）再现数据;4.自动化，通过算法思想（一系列有序的步骤）来支持自动化解决方案;5.解决问题，识别、分析、实施可能的解决方案，同时结合上述步骤和资源找到最有效的解决方案;6.迁移推广，将该问题的解决过程推广并迁移到更广泛的问题中，这个可操作性定义为计算思维教育的开展提供了结构框架和内容指导。[2]南安普敦大学的Cynthia Selby博士和John Woollard博士提出计算思维包括算法思维、分解、抽象、概括、评估这五个方面的要素。ISTE则把计算思维定义为算法思维、解决问题、创造力、批判性思维、合作性思维和沟通技巧的共同体现。

（二）探索计算思维能力培养路径和方法

1.中职信息技术课程蕴含的计算思维分析。

基于计算思维概念框架视角，中职信息技术课程中蕴含的计算思维要素分布在不同的课程模块（如表1所示），如基础模块信息技术应用基础、程序设计入门、人工智能初步及拓展模块设计应用程序、操作机器人课程模块能很好地体现计算的思想和方法;基础模块中网络应用、人工智能初步及拓展模块中操作机器人等课程模块能很好地体现协作的思想和方法。

计算思维在程序设计模块中得到集中的体现，下页表2通过中职信息技术课程程序设计入门模块、应用程序设计模块中的案例对计算思维概念要素加以说明。从下页表2中可看出，计算、抽象、设计等计算思维要素可以通过案例进行单项训练。中职学生计算、抽象、设计能力普遍较弱，教师在进行课程设计时可以通过项目着重对单项要素进行有针对性的训练。

2.计算思维操作性定义视角。

中职信息技术课程中运用计算思维解决问题的过程包括“制定问题—组织分析数据—再现数据—支持自动化解决方案—寻找有效方案—应用于更广泛问题”几个步骤。比如中职信息技术课程拓展模块“设计应用程序”之“服务应用类App项目”开发，笔者以其中“健身App应用”的开发为例展开分析。这款App的设计原则是合理把控用户需求，设计出切合实际的功能，用户能通过筛选功能快速找到自己想要的训练计划。

制定问题：健身App的目标是用户能通过筛选功能快速找到自己想要的训练计划，要完成这个目标，需要解决的问题较多，如用户如何查看健身项目、如何筛选适合自己的计划等。组织分析数据：健身App涉及的数据种类多、数据量大，要对数据进行分类，还要组织和分析数据，使数据可以利用。再现数据：对数据进行概念模型构建，然后再根据概念模型到关系模型的转换规则进行转换，以关系数据表的形式再现各种数据，如训练项目表、器械类型表、训练时间表等。支持自动化解决方案：通过算法思维进行算法分析，找到最有效的方案。应用于更广泛的问题：将健身App所涉及的问题解决过程进行推广并迁移到更广泛的问题中，如点菜App、订票App、导游服务App等。

综上，根据中职信息技术课程蕴含的计算思维分析及计算思维解决问题的流程，可以明确计算思维能力的培养路径和方法，通过单项训练和综合性训练相结合的方式进行培养。一方面是单项训练，从计算思维概念要素着手进行单项思维要素的培养，如计算、抽象、设计等;另一方面是综合训练，通过编制程序、解决现实问题等培养学生的设计能力、问题解决能力和迁移能力。

二、基于计算思维能力培养的单元教学设计策略

中职信息技术课程是职业学校学生的必修课，是培养计算思维的主要载体。蕴含在信息技术课程知识当中的、建立在可实现基础上的思維教学是中职信息技术课程的核心价值。

（一）蕴含在课程中的计算思维学业水平层级分析

依据中职信息技术课程标准的学业要求，笔者及课题组成员拟定了中职信息技术课程中计算思维学业水平要求的关键词。计算思维学业水平要求共分三个层级：水平一要求的关键词是了解知识、选择使用、获取加工、集成制作、设计简单程序，水平二的关键词是解决问题、具体应用、采集分析、了解原理，水平三的关键词是业务融合、综合实践、设计应用程序、拓展迁移。

在中职信息技术课程中培养计算思维的路径和方法是，从学习知识到分析应用和解决问题，循序渐进。首先，围绕构成计算思维的主要元素，在课程中进行单项及综合培养训练。一方面加强学生对计算机基础知识的掌握，另一方面培养学生以计算思维解决问题，在不同情境中选择适合的方法解决问题。其次，探索课程的思维性教学方法。如程序设计模块，从编制简单程序到解决实际问题，培养学生的设计能力、问题解决能力和迁移能力;数据处理模块，加强学生基础知识的学习，根据业务需求进行可视化呈现，从简单计算和创建图表到根据职业岗位需求设计数据分析方案，发展学生的计算思维。

（二）基于计算思维培养的单元教学设计策略

整体化单元设计是培养计算思维的必然要求。根据课标的内容标准及计算思维要求，将相关的知识或内容结构化，进行整体化的单元教学设计，选择适当的问题、情境、活动，从简单到复杂、从单一到综合、从封闭问题到开放问题，在系统的学习过程中培养学生从基础知识的掌握到抽象概括、系统化解决问题等维度的计算思维能力。

1.确定单元和项目学习目标。

确立“以学习者为中心”的观念，说明单元要解决什么问题，学生能学会什么、得到哪些能力的提升。每个单元由若干个学习项目构成，在单元目标的基础上设计每个学习项目的学习目标，每个项目的目标体系尽可能用“能在什么条件下、做什么事、达到什么程度”的方式表达。如在“开发益智游戏”这一项目中，将目标确定为通过分析需求自主归纳要解决的问题，通过编写益智游戏培养学生基于程序设计理念解决问题的能力，通过探讨实际问题的解决方案培养学生分析问题、解决问题的能力，并迁移到广泛的应用情境中。

2.选择与组织教学单元的学习内容。

教学内容的组织要基于学习者的认知基础，符合计算思维发展规律。根据课程标准，按照项目、活动、问题的逻辑设计由简单到复杂、由单一到综合、由封闭到开放的教学内容，如“数据处理”模块设计了“管理我的零用钱”“生活中的大数据”等四个学习项目。从学习计算、图表等基础知识到根据业务需求进行数据分析和处理，让学生系统化解决问题的能力得到发展，使计算思维的培养真正落实到课程。再如“开发益智游戏”这一单元中，笔者设计了“编写猜数字游戏”“开发小学四则运算数学测试游戏”及“探究解决问题的方案”（包括检查判断登录密码的安全强度等实际问题）三个学习任务，通过有效组织引导学生完成这些逐层递进的任务，使学生解决问题的能力螺旋上升。

3.基于计算思维培养的教学组织流程。

以教师引导下学生自主探究为主要组织形式，通过一系列层层递进的任务，使学生分析问题、解决问题及知识迁移能力得到发展。在学习项目展开实施的过程中，以学生计算思维能力培养为主线，设计一系列教学环节。如在程序设计项目教学组织中，通过分析问题、解决问题、设计算法、画流程图、编写代码、调试运行等活动训练学生的计算思维能力。又如在“开发小学四则运算数学测试游戏”这一任务的学习过程中，首先，通过小组讨论，要求学生自主归纳如何用程序设计的思想解决游戏开发这一实际问题，从问题分析角度出发设计算法，画出流程图;其次，编写子模块程序代码;最后，根据程序流程图完成各子模块的整合，调试并完成游戏开发任务，有效培养学生解决问题的能力。

三、计算思维能力评估的策略

现有文献研究表明，当前常用的计算思维的评估方法包括量表评估、作品分析评估、访谈式评估以及题测评估等。其中访谈式评估、题目测试能全面评价学生在计算概念、计算实践和计算观念上的表现，评价相对较容易开展。鉴于以往我国相关的教学活动比较多地采用結果性评价，手段较为单一，应从课程工具和评价方法方面进行加强。在课堂教学活动设计时可针对计算思维的某方面，结合教学内容单独设计某个环节的课堂教学活动及评价方案。如程序设计模块“开发小学四则运算数学测试游戏”这一任务的评估，教师可采用访谈式评估，围绕三个问题展开讨论：一是动机，起初做这个任务的动机是什么？二是创建过程，任务的开发流程是什么？在开发的过程中遇到了什么问题？你如何解决这些问题？三是反思，这个任务你希望改进和完善的是什么？如何改进？这种评估强调思维能力的培养，将评价落脚点定位在项目任务成果上。在教学中开展计算思维评估最重要的是如何综合利用多种平台和工具来评估计算思维，将计算思维有效融入课程教学中。

四、关于计算思维能力培养的进一步思考

构建一个以计算思维为核心的分层次课程教学体系，然后将计算思维的培养贯穿于学生在校学习的整个过程。第一层是基础层，以中职信息技术课程为主;第二层是程序设计技术层;第三层是专业应用或兴趣拓展层。在不同的时段合理安排不同的课程教学或学生活动，以不同层次的具体课程为载体，紧紧围绕计算思维的本质和核心，创新教学模式，改革教学方法和手段，并在教学过程中不断完善。

计算思维的培养以中职信息技术课程为主，同时还需要计算机专业课程、数学、工程等相关课程的统筹培养。其中计算机专业课程包括程序设计、数据库技术、网站开发、移动应用开发、2D/3D动画设计等，教师应明确计算思维相关要素和能力的培养与哪些课程（课程单元）及学期时段对应。以计算思维培养为主线系统设计并重构课程体系，将学生表现出的计算思维要素薄弱项和相关的课程单元紧密结合，设计有效训练方案，使计算思维能力的培养螺旋上升，高效达成培养目标。另外，除了课堂教学，计算思维能力的培养还需要相应的学生活动进行有益补充。计算思维能力培养最重要的目标在于计算思维的迁移和跨学科的应用。计算思维作为一项基本能力，需要在各领域的应用中进行强化，因此设计学生活动是一种合适的方式，如玩具智能改造、3D建模打印等。

【参考文献】

[1]陈国良，董荣胜.计算思维的表述体系[J].中国大学教学，2013（12）：22-26.

[2]张学军，郭梦婷，李华.高中信息技术课程蕴含的计算思维分析[J].电化教育研究， 2015（8）：80-86+107.