基于计算思维的信息科技学科实践 设计与实施

洪优萍 浙江省杭州市高新区（滨江）教育研究院

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“义教新课标”）指出，义务教育信息科技课程具有基础性、实践性和综合性[1]，实践性作为信息科技课程性质之一，凸显了学科实践在落实信息科技学科育人价值中的重要性。从信息科技的学科实践视角来看，很多真实问题的解决过程或不同领域使用的软硬件产品或应用系统，都会融合科学原理、思维方法与处理过程，从而达到工程实现。因此，信息科技学科实践主要指向科学原理的探究及运用过程、运用学科思维解决问题的过程和信息处理与实现的过程等，驱动学生主动参与、积极实践与意义建构，促进学生对信息科技学科本质的理解，从而帮助学生逐步形成核心素养。

●基于计算思维的学科实践内涵

计算思维是信息科技学科特有的学科思想，即用计算机科学领域的思想方法去进行问题求解。基于计算思维的学科实践，是具有信息科技学科特质的学科实践路径，其遵循计算思维特征及其过程要素，将学科知识包裹在问题情境中，以问题解决为主线，按照计算思维的学科思想，沿着问题界定、问题分析、问题求解、迁移应用的学习逻辑开展实践探究活动，培养学生的核心素养。

●基于计算思维的学科实践设计要点

1.体现学科实践的目标

计算思维是学生核心素养中的一个重要维度，在基于计算思维的学科实践设计中，教师要深入理解计算思维的特征及过程表现，运用计算思维开展实践探究学习，在真实且富有意义的问题探究与解决中深化对学科知识的理解、建构与迁移运用，有效培养学生的计算思维，并与核心素养的其他三个方面相互支持与渗透，共同促进学生核心素养的发展。

2.促进学科理解的路径

基于计算思维的学科实践，要注重育人目标的整体性，明确不同学段计算思维的发展目标；要明晰学习内容的适切性，针对不同学段的内容模块，选择适合运用计算思维开展学科实践的学习内容；要关注实践路径的多样性，针对不同学段素养目标与不同学习内容特征，设计相应的学科实践路径。

3.基于计算思维的线索

运用计算思维解决问题的过程包含问题界定、抽象建模、算法设计、验证优化、迁移运用等关键要素。学科实践则是引导学生体会学科思想方法，经历发现问题、解决问题、建构知识、运用知识的过程。基于计算思维的学科实践，是以计算思维为引领，从而建构“问题界定—抽象建模—算法设计—验证优化—迁移运用”的学科实践线索。

●基于计算思维的学科实践实施策略

1.厘清计算思维学段特征，明确实践目标

依据义教新课标对计算思维学段特征、学段目标的阐述，可以明确计算思维在不同学段的具体发展目标，体现了计算思维的循序渐进和螺旋式发展。第一学段能用语言描述问题解决的过程；第二学段要针对实际问题或学习需求，将问题进行过程分解，能用图示或文字等方式描述问题解决的顺序；第三学段通过体验身边的算法，能对问题展开分析，用自然语言和流程图等方式描述算法，并验证或编程实现，然后对其进行优化；第四学段要能在真实情境中发现问题，提取问题特征，制订并执行解决方案，反思优化并迁移运用。

如表1所示，在进行计算思维目标设计时，要依据不同学段特征，明确学科实践的进阶发展目标。

表1

2.立足计算思维问题情境，形成实践主题

在进行基于计算思维的学科实践过程中，要以学科知识为基础，与现实生活中的真实问题相关联，依据计算思维学段目标，选择能用计算思维的实践路径来解决的问题情境，从而形成学科实践的探究主题，增强学生认识真实世界、解决真实问题的能力。

例如，《自动控制灯》案例源于信息科技课程第三学段的“过程与控制”模块。教师结合本模块的内容要求及学业要求，对本项目中的学科知识进行结构化梳理，本模块主要包含“系统与模块”“反馈与优化”“逻辑与运算”三个部分，具体如图1所示。

为了更好地将学科知识与核心素养融合，笔者设计了本案例的学习目标（如下页表2），将其与核心素养相对应。

表2

围绕学习目标，教师首先尝试将学科知识与学生经验、现实生活、社会实践链接，依据学生的认知经验与学习基础，选择生活中常见的控制系统，以“自动控制灯”为应用场景，提出驱动性问题：“生活中的灯有时无法满足我们的需求，如何使用控制系统来解决这些问题？”接着，根据计算思维的实践路径，将驱动性问题拆解为六个子问题：“生活中的灯存在哪些问题？”“如何让灯从手动控制转变为自控制或让自动控制更加精准？”“该怎样从控制系统的环节入手进行设计？”“如何实现一个仿真的控制系统？”“小组实现的自动控制灯存在哪些值得改进的地方？”“控制系统还可以来解决哪些问题？”通过子问题的解决来解决大问题，以此推动实践线索的设计。

3.基于计算思维过程要素，设计实践线索

在基于计算思维的学科实践中，教师可以依据计算思维的过程要素，沿着“问题界定—抽象建模—算法设计—验证优化—迁移运用”的流程设计实践线索。问题界定是解决问题的第一步，明确当前问题可以用计算思维来解决，运用化繁为简、化大为小的思想，将问题分解为多个可以解决的小问题或者小模块。抽象建模是从具象到抽象的过程，抓住问题的核心，提取关键要素，得到问题的形式化表达，构建真实问题自动化求解的模型，为下一步计算机自动化求解做准备。算法设计是将求解问题进行分步骤解决方案的描述，可以运用算法的三种基本结构来进行表述，并转变为计算机能够理解的语言。验证优化是验证解决问题的过程，以此来反思并优化问题解决的方案。迁移运用是在解决一个具体问题后进行的总结归纳，形成解决问题的方法，并将其迁移运用到其他问题求解中。

例如，《亚运知识问答器》一课是立足学校开展的社会实践活动，教师可以以“如何设计一款亚运知识问答器”为问题驱动，以其中一个子活动“如何设计具有基本功能的知识问答器”为例，聚焦核心概念——分支结构，让学生通过经历基于计算思维的实践线索解决问题，具体过程如表3所示。

表3

4.遵循计算思维发展规律，调整实践进程

计算思维在不同学段有相应的特征与目标，在开展基于计算思维的学科实践活动中，要依据不同学段的具体要求，动态调整实践进程。第一学段和第二学段的要求相对较低，能用语言、图示或文字等方式描述问题解决的过程，则可以将实践路径调整为：问题界定—抽象建模—算法设计。第三学段能对问题展开分析，用自然语言和流程图等方式描述算法，并验证或编程实现，再对其进行优化，则可以将实践路径调整为：问题界定—抽象建模—算法设计—验证优化。第四学段能提取问题特征，制订并执行解决方案，反思优化并迁移运用，则实践路径为：问题界定—抽象建模—算法设计—验证优化—迁移运用。

在学科实践活动中，教师也要关注学科实践的实际学习进程，根据学生计算思维的发展情况，对学科实践路径进行动态调整。在解决较为复杂的情境问题时，运用模块化思想，将大问题分解成小问题，运用计算思维的实践线索逐个解决小问题，以此实现问题的整体解决。

●基于计算思维的学科实践实施成效

1.立足学科思维，形成多维实践路径

在设计与实施的过程中，教师可以依据不同学段学生的认知规律以及课程内容模块的性质，动态选择计算思维的过程要素，形成多样化的学习线索（如图2）。

图2 基于计算思维的多维实践线索

不同的问题情境有不同的复杂度，针对简单的问题，教师可以围绕计算思维的过程要素进行解决。针对较为复杂的问题情境，就需要通过模块化思想来设计与实践。如图3所示，以问题解决为逻辑线，遵循模块化思想，将计算思维线融入其中，通过自顶向下设计、自下而上实现的实践路径，实现问题解决。

图3 基于模块化思想的实践线索

2.基于学科实践，助力学教方式转变

在实践研究中，基于学科实践特征，能够形成基于计算思维的学科实践新路径，助力学教方式的转变，从而实现了从知识为本转向素养为本，真正为学生的核心素养发展服务，同时促进了学习内容的转向，实现了素养导向的课堂建构。

3.促进学科理解，发展学生核心素养

基于计算思维的学科实践，是具有学科特质的实践路径，它以问题情境为驱动，引导学生经历计算思维发展的全过程，实现知识的建构与应用，提升问题解决能力，促进学科理解，逐步发展学生核心素养。

●结束语

基于计算思维的学科实践，是具有信息科技学科特质的学科实践路径。教师在设计时，不仅要理解基于计算思维的学科实践内涵，而且要关注育人目标的进阶性、学习内容的适切性和实践路径的多样性。在实施过程中，教师应遵循计算思维的过程要素、学段特征和发展规律等来设计学科实践路径，开展学科实践活动，助力学生核心素养的发展，实现信息科技课程的独特育人价值。