创客教育视域下高中生计算思维培养路径研究

李海磊

［摘 要］目前绝大多数高中生都无法做到从人、技术、社会等角度全面系统地认识信息技术，缺乏对信息行为的批判性分析能力，因此需要多维度提升学生以计算思维为代表的信息技术学科核心素养。开设创客校本课程是培养学生计算思维的优良路径。文章从“创设教学环境，构建计算思维知觉场”“主动建构，内化计算思维”“融合项目学习，拓展计算思维”等方面阐述了培养学生计算思维的实践经验，以期优化校本课程建设和培养引领时代发展的一流数字人才。

［关键词］计算思维；创客教育；项目学习

［中图分类号］    G633.67        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）11-0090-04

现阶段以移动通信、云计算、大数据、物联网、人工智能等为代表的新兴信息技术正以前所未有的方式和速度渗透到各个行业、领域中，人类社会越来越数字化、智能化。当代高中生恰好成长于这样的数字化时代，他们的成长过程就是一个和各种各样数字化设备、信息化工具打交道的过程。他们使用数字化设备、信息化工具解决问题的意识普遍较强，信息技术基础较好。但我们也应该清楚地认识到，高速发展的数字技术一方面孕育出了丰富的信息技术生态，是帮助高中生自主学习、开阔视野的“助力器”；另一方面它也在潜移默化地影响着学生的信息技术学习理念、思维方式、行为准则和道德观念等。目前，绝大多数高中生都无法做到从人、技术、社会等角度全面系统地认识信息技术，缺乏对信息行为的批判性分析能力，他们在使用信息化工具解决问题的过程中容易被信息技術所“控制”。因此，高中阶段的信息技术教育亟须从信息技术知识与技能的传授向注重培养信息技术学科核心素养的方向转变，深挖信息技术学科的潜在功能和方法特征，帮助学生从深层次上认识信息技术工具，知道它们的内涵本质、工作方法和应用流程，同时强调信息技术学科特有的理念以及运用信息技术知识解决问题的思维和能力，即发展计算思维。计算思维是信息技术学科核心素养的重要组成部分，计算思维的培养是信息技术教育的重中之重。下面笔者结合多年来在创客校本课程开发建设方面的实践经验，就如何培养学生的计算思维谈谈自己的认识。

一、计算思维的含义

计算思维是美国卡内基·梅隆大学的周以真教授于2006年提出的。计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。具备良好计算思维的个体，在面对问题时能主动采用计算机科学领域内的思想方法界定问题、抽象与建模、设计问题解决的算法并综合利用各种资源去解决问题。在这个过程中，个体会进行一系列的思维活动，从而内化思维方式，提升思维品质。

二、计算思维培养的着力点

将计算思维纳入信息技术学科核心素养是《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的重大创新之一，这不仅是国家和社会发展的需要，更是建立、健全学生人格和促进学生终身发展的需要。学校、课程是培养学生计算思维的主阵地。结合多年来在信息技术课程、创客校本课程开发建设的实践经验，笔者认为可以从以下几个方面落实学生计算思维的培养。

（一）创设教学环境，构建计算思维知觉场

现代教学理念认为，无论是物理环境还是心理环境，都是影响学习者认知能力的重要因素。理论的提出者梅洛·庞蒂认为，知识是学习者在已有知识、经验的基础上建构而来的，是学习者和认知对象、认知环境在相互作用的过程中完成建构的。因此，创设适宜的教学环境对高中生认知能力的提升具有重要意义。

在多年的创客校本课程开发建设实践中，笔者发现，大型多媒体互动设备、3D打印、虚拟现实等数字化工具、设备能有效帮助师生构建情境、项目，为学生创设更加立体的感知环境、实现“身”与“心”的多元融合。在教学过程中，教师充分运用这些数字化工具可以帮助学生在知识、技能的学习与训练中达到事半功倍的效果，帮助学生更快、更准确地认识概念的内涵、事物运动发展的本质，持续激发学生的学习动力，减缓学生的学习疲劳感。基于此，在学校的大力支持下，笔者为创客校本课程创设了基于计算机教室（多媒体机房）的教学环境，其基本架构如图1所示。通过创设教学环境，可为学生构建思维知觉场。

（二）主动建构，内化计算思维

计算思维是一种思维方式，指导着个体的行为，而个体的行为又反过来强化思维方式和行为习惯，使得思维更深刻。选择优秀的教育理念对计算思维的培养有重要意义。建构主义认为，知识的获取不是简单的“传递”而是个人的“建造”，强调“制作中学习”，提倡在设计和制作中获取知识、技能。因此，好的计算思维培养策略应当是鼓励个体在探索实践中实现思维自动提升和内化。

创客教育尤其强调培养学生解决问题的“综合力”“创造力”“胜任力”，即让学生通过亲自动手实践把自己的创意、想法以项目作品（包括数字式的项目）、实物等方式呈现出来。学生在借助各种资源进行设计、创造的过程中获得的知识和体验是最为深刻的。学生在造“物”的过程中会自动提升自己的各种能力，实现包括计算思维在内的多种思维的内化。笔者曾开展过有关“python编程”的创客教学实践。在教学实践中，笔者特别重视学生的学习习惯和思维习惯的养成。以讲授“二分查找算法”为例，二分查找算法是一种非常优美、高效的算法，但是它只适用于具有单调性序列的场景。如果按照传统的思路，一般会结合“猜数字”“猜价格”等情境开展教学，这些案例大部分学生在生活和学习中已经听过、见过，比较熟悉。虽然引用这些案例能够降低学生的学习难度，但是难以激发他们的探究欲望和学习兴趣，还会使得课堂教学退化到知识机械讲授、技能简单操练的模式上，学生主动思考、主动构建的活动比较少，使得计算思维培养工作不能充分开展。对此，笔者试着从其他角度选择素材，创设不一样的情境。笔者注意到，学生在日常学习与生活中经常玩一种“谐音梗”游戏，比如“瀚海阑干百丈冰”“酸脱羟基醇脱氢”等，笔者由此获得灵感，设计了一个名为“纸条儿的秘密” 的解密游戏，并在其中嵌入了二分查找算法。这个游戏设计的基本思路如下：制作两本小册子，在第一本小册子中的每一页设有密文字符，且密文字符的ASCII码值随着页码的增大而增大；在第二本小册子中的每一页设有明文字符。确保第一本小册子中的密文通过页码和第二本小册子中的明文形成一一对应关系。对于要解密的字符，先在第一本小册子中以“二分法”快速翻到密文所在页，求得页码，然后在第二本小册子中也以“二分法”快速翻到对应页码处，求得明文字符。这个游戏激起了学生浓厚的兴趣，学生在探索解密方法的过程中完成了对“二分查找”算法的思想、算法表达、算法实现路径等方面的探究学习。整个学习过程以学生对游戏产生浓厚兴趣、萌发解决问题的强烈欲望为起点，以完成项目表达、评价反馈为终点，学生小组讨论、自主学习、主动思考的学习活动多，教师主动讲授、学生被动接受的活动少。该过程提高了学生的思辨能力和思维能力。“二分查找算法”的课堂教学的简要实现路径如图2所示。

（三）融合项目学习，拓展计算思维

项目学习是基于真实生活情境发现问题、界定问题、抽象建模、形成问题解决方案并最终解决问题的一系列研究性学习，是培养学生创新能力、提升学生综合素养的良好途径。计算思维不仅适用于计算机科学领域，还能提供一种广泛应用于工作、生活、学习的分析问题的视角。计算思维是项目学习能够正常推进的重要保证，同时，项目学习也能有效提升学生的计算思维能力。下面以笔者在高二年级开设的《初识人工智能》创客校本课程中的“走进智能图像识别”为例，阐述在这项课程实践中开展项目学习、培养学生计算思维的具体做法。

（1）明确项目目标。现阶段的高中学生绝大多数都有使用智能设备进行图片识别的经历，但对于“图片识别涉及哪些算法？”“这些算法的原理是怎样的？”“如何搭建属于自己的、个性化的智能图像识别系统？”等问题，大多数学生不能很快地给出清晰、准确的答案。因此，教师需要引导学生经历一次完整的智能图像识别系统的设计、建设过程，由此帮助学生对智能图像识别形成深刻的认识和理解，真正促进学生计算思维、工程思维、创新能力的提升。

（2）选择开源资源。秉持开放、共享理念的开源資源，这些年来有了长足的发展。在教学中，教师适当借助开源资源，可以使学生把主要精力放在重点关注问题的提出、界定、抽象建模以及解决方案的设计等方面，而不是耗费在繁杂的技术细节上。比如，在建设“智能文字识别”系统的过程中，学生搜索相关资源，翻看社区评论，查阅大量资料，最终确定以开源资源“easyOCR”为基础完成项目建设。这种第三方开源资源的引入，使学生节省了大量的时间，大幅度降低了系统开发的难度，使得项目学习能落在学生的“最近发展区”内，保证了项目建设的完整性。

（3）项目实施过程。智能图像识别系统内容繁杂，涉及的算法大都艰深难懂，而高中生又课业压力大，难以有充裕的时间细致研究这些技术细节。基于此，笔者首先带领学生研读人工智能的发展史，厘清智能图像识别的分类和发展脉络；然后将整个项目工程拆分为若干个子项目，如“文字识别”“物品识别”“人脸识别”“车牌号码识别”，分而治之、逐一突破，降低了项目实施的难度，保证了项目的顺利实施。

这种把整个大项目分解为几个子项目的过程本身就是计算思维中迭代、分治等算法思想的实践应用。该阶段的实践能够综合锻炼和提升学生的整体规划能力、辩证思维、统筹规划思维、矛盾主次方面的把握等多方面的能力。

因为文字识别系统相对简单，所以第一个子项目就确定为实现“光学字符识别OCR”系统的搭建。在经历了软件安装、系统配置、算法设计、编程实现等环节的实践后，学生打造的文字识别系统能够成功地识别出中文简体字符。在这个子项目的建设过程中，学生学会了如何借助、使用第三方资源，并学会了使用Python编程语言修改代码段，把原始系统构建成符合自我创意的个性化信息系统，最终实现了文字识别系统的个性化表达。该项目的主要实施过程如表1所示。

这个子项目的成功实施给了学生巨大的鼓舞，极大地激发了他们继续探索的热情，而且这个项目实践过程的很多策略、方法、做法都可以迁移到其他子项目中，大大增强了学生挑战难度更大、复杂程度更高的项目的信心，因此余下的几个子项目的构建就相对顺利得多。

在整个项目实施的过程中，需要学生使用工程思维、计算思维抽象出项目的主次方面，每一次问题的提出、探索与解决都是一个算法的设计、实施、评估、反馈的过程。这样的过程不是一次性就完结了的，而是常常需要往复很多次。在这样不断迭代、优化的过程中，学生的计算思维得到了不断内化和提升。

三、结语

在这样一个高度数字化、信息化的环境中，计算思维已经成为和阅读、写作、算术等同等重要的元认知能力，是高素质数字化人才必备的核心素养之一，而创客教育是公认的、实现学生高阶思维培养的良好途径。每个信息技术教育工作者都应基于学校现有的信息技术软硬件课程实施环境，主动构建、自主创新，探索适合自己学校条件的、个性化的创客教育内容与方法，提升学生适应未来社会发展的核心素养，努力培养能够适应未来社会、引领时代发展的一流数字人才，助力我国在第四次工业革命的征途中率先抢占人工智能高地。

［   参   考   文   献   ］

［1］  任友群，黄荣怀.普通高中信息技术课程标准（2017版2020年修订）解读［M］.北京：高等教育出版社，2020：41.

［2］  吕琳，余峻展，钟柏昌.面向计算思维培养的跨学科教育项目设计：以STEAM教育项目“模拟投篮游戏”为例［J］.中小学数字化教学，2022（11）：10-14.

（责任编辑 黄春香）