基于高中信息技术核心素养的计算思维的培养

孙明珠

摘 要：信息技术教师对于学生思维发展的重视程度越来越高，尤其是计算思维这一学科核心素养，其和理论思维以及实验思维共同组成三大科学思维，直接关系着学生利用信息技术解决问题的能力水平。为帮助学生实现发展计算思维的学习目标，教师应全面优化教学策略，通过创设情境来帮助学生在课堂中获取真实体验；借助以任务导向为基础的项目教学法来拓展学生的思维深度；依靠循序渐进的教学理念来帮助学生逐步发展计算思维；利用游戏竞赛来激发学生参与课堂互动，强化思维系统的学习动力。

关键词：高中信息技术；核心素养；计算思维；培养策略

随着大数据技术、人工智能技术等先进信息科技渗透到现代人的日常生活以及工作学习中，计算思维也越来越重要。在高中信息技术核心素养体系中，计算思维也占据着重要的地位，其主要指高中生在借助计算机科学领域中的理论知识、思想方法解决问题时进行的一系列思维活动，包括界定问题内容、抽象提取问题特征、构建结构模型、以合理化的方式组织数据、针对各类信息资源进行分析与判断、依靠算法来实现对问题的解决。教师不仅要让学生在信息技术课堂中获取学科知识，还应转变学生的认知观念，从而实现对计算思维的有效培养。现探讨高中信息技术课堂中如何引导学生形成计算思维。

一、创设情境，实现亲身体验

计算思维能够促使学生利用计算机、数学、信息学等学科知识来处理问题，其综合了问题解决能力、逻辑思考能力以及计算机技能等多方面能力，对于高中生未来的发展有着不容忽视的重要意义，但培养难度也比较高。因此教师可通过创设情境，借助学习情境的形象化、具体化、真实化特征来弥补计算思维本身的抽象化特点，并利用各种贴近学生实际生活的应用场景来使学生认识到计算思维以及信息技术对于生活的不可或缺性，对计算思维的养成形成更为浓厚的兴趣，主动地发展自身思维以及信息技术核心素养。

比如：在《算法及其特征》一课中，学生需要以更为系统化的方式来理解算法概念，并掌握二分查找这一以高效为优势的算法。在计算思维的核心素养发展方面，学生需要能够把处理问题的具体方案总结与分解为准确、清晰的步骤；明确算法的重要特征以及基本要素；了解二分查找算法基本思想，并能够以合适的方式对其进行描述；通过Python语言来有效实现二分算法，成功解决问题。

在教学环节中，教师可创设如下情境：班级的语文课代表在期中考试完成后，进入办公室帮助语文老师整理大家的试卷，为了使教师能够便捷、高效地将考试成绩录入到计算机中，课代表在整理过程中，结合考生学号，按照由小至大的顺序对试卷展开了重新排列。此时A同学找到语文老师，提出自己的试卷只写了考号而遗漏了名字，因此提出了补填姓名的申请。课代表应当如何把握此次机会，帮助老师在最短的时间内将试卷找出，教师提出的问题包括通过何种方案可以有效解决此问题，涉及的算法有哪些典型特点。通过这一生活化情境，学生的注意力得到有效吸引，同时本课所需要解决的项目也得以引出。学生在思考问题时，还需要提取其中的隐含性条件。学生在小组内结合教师给出的例子进行思考与讨论，发现若按照顺序进行查找，当出现查找失败的情况时，尽可以将一个错误答案排除，要找到能够一次实现对多个错误问题进行排除的方法。教师可帮助学生梳理待解决的问题，包括对该问题进行具体化处理，程序输出与输入的内容是什么；项目隐藏了哪些条件，在二分查找中，应将哪张试卷和A同学的考号展开比较；如何在二分查找期间成功缩小答案范围；如何设计二分查找的程序结构。在分析中学生完成基本模型的抽象任务，即：针对包含若干不同元素的有序数列，需将指定元素从中找出，只需将A同学的试卷编号输出即可找出其试卷。同时，学生确定了问题解决步骤包括分析程序结构，确認对应语法，设计流程图以及编写代码。最后，学生在自主协作中完成了设计二分查找算法对应流程图的设计任务，也掌握了对于自身较为实用性的技能。

情境教学法在计算思维的养成教育中可以为学生创设合适的学习环境，锻炼学生处理学习以及真实问题的能力，帮助学生降低对算法等学习难度较高的知识的理解难度，激发其学习动力，而且可以拉近信息技术课程、计算思维与高中生日常生活之间的距离，使高中生能够正确认识计算思维的价值。

二、任务导向，拓展思维深度

项目教学法是高中生计算思维强化的教学工作中最为常用的教学方法，教师在采用这一教学方法时，需要对知识模块进行提取、组织与整合，从而设计出较为完整的项目，再对项目进行拆分，分解为具体的学习任务，以此为基准来完成教学活动的设计。在项目活动中，学生与教师需要共同参与其中，活动的选择设计、组织安排以及实施是教学的核心组成部分，也是学生形成计算思维的重要环节。以任务为导向来引导学生获取正确的学习、思考与探究方向有助于拓展其思维深度。

针对《机器学习与深度学习》模块，教师可为学生设计“走入人工神经网络与机器学习”探究项目，结合人工智能核心技术应用案例来组织学生展开对这部分知识的学习。首先，学生需要完成第一部分任务，即对机器学习内容进行体验，通过阅读教材与搜集资料明确机器学习的具体概念与当前的发展历程。具体活动包括利用Flappy-Bird小游戏来感受机器学习的过程；借助数字化学习的方式来掌握机器学习所经历的发展历程。在第二部分任务中，学生需要学习机器学习的应用领域与运行原理，借助感知器来了解机器所运用的学习方式；利用决策树来完成“等人”决策的设计；掌握人脸识别库等机器学习的具体应用情况。在最后一部分任务中，学生需要通过对简单化的人工神经网络所形成的学习过程进行体验以及对于深度学习展开应用来加深对神经网络所具有的基本原理的印象。在学习过程中，可通过对手写体数字进行识别来实现对于TensorFlow的具体化体验。在学生完成所有学习任务后，教师可针对“机器学习概念”“机器学习与人类学习之间的区别”“体验机器学习的应用”以及“案例评价报告”等评价项目来对学生的单元学习效果进行评价，帮助学生明确自身在项目学习中的具体学习成果。

在学习《数据可视化》时，教师需要引导学生对文本数据实现可视化的作用、具体方式进行掌握，了解词云制作原理以及Python词云程序等，其中指向计算思维的学习目标为借助自主学习单以及网站新手教程，通过WorditOUT或者WordArt网站来完成词云制作任务。在教学中，教师首先可为学生呈现出词云图片以及与之相对应文字描述，从而将项目主题引出，学生需要找到并登录统计局网站，在其中的“可视化栏目”板块搜索自己感兴趣的话题并完成对网页的浏览，对文本类数据可视化的具体作用进行体会。学生需要按照教师为其布置的课前任务，通过Excel来对所有同学的午餐内容进行统计，并将词频依次列出，并探索能够在最短时间内获得词频数据的方法，依靠WordlitOUT或者WordArt软件来以所有同学午餐为主题完成词云的制作。而后，在学生能够对词云制作的主要步骤进行精准梳理后，教师可令学生从网络上下载自己所喜欢的文档，借助Python词云程序，提取文章主旨。利用网站提供的提示信息，完成参数设置，获取午餐词云。启动“Python数据可视化”这一指定程序，结合代码案例与文档提示，来绘制与设计词云。最后通过流程图来展现出数据可视化的具体实施过程，并对词云程序进行改编，为自己有兴趣的文档来制作对应的词云。最后对学生的抽象问题以及分析问题的能力进行考查，可引导其思考文本类数据可视化的其他形式，对比词云与其他处理数据的方式的异同点与优劣势。

教师在以计算思维的发展为主要教学目标来选择教学模式时，需要确保所选用的教学模式兼具创新性、开放性、合作性以及学生主体性的特点。以任务为驱动要素的项目式学习模式能够满足这一项信息技术关键能力的培养目标，将理论及技能学习与实践应用环节加以融合，使学生以高效的方式实现对知识的深化理解，对思维的有效

发展。

三、循序渐进，尊重认知规律

对于高中生而言，高中信息技术课程的学习难度相較以往的学习内容，有着幅度较大的提升，以自动化、抽象以及算法思想为核心特点的计算思维培养工作也属于长期性的教育任务。在初期接触环节中，学生对其的印象往往是抽象且模糊的，因此无论是抽象思维的养成，还是信息技术的传输，教师都必须以尊重高中生的认知规律为前提，以循序渐进的方式来引导学生逐步在信息技术知识与技能的学习、理解与掌握的过程中，接触计算思维，逐步形成计算思维[1]。

如：在学习《作出判断的分支》一课时，教师首先应对学生的学习内容、学习程度与学习方式作出判断，学生在此单元中需要接触算法的概念，了解描述算法可用的方法以及多种控制结构的特征，同时还需要掌握Python程序相关知识与程序运行调试方法等内容。能够结合实例，对“算法”概念进行概括性叙述，并围绕具体情境，选择合适的控制结构与方法来表示算法。而在该课中，python程序中的if语句以及分支结构为重点内容。考虑到学生在前期的学习中已经对程序设计知识形成了初步的了解，对于程序描述方式也有了较为深刻的印象，虽然接触了Python中的输出输入、数据类型、变量与常量等内容，但是因多方因素，可能存在一定的遗忘，需要教师逐步引导。在计算思维方面，学生需要了解双分支、单分支结构的执行顺序，并在实际问题的分析过程中，结合分支结构绘制程序流程图。

教师可让学生思考，生活中有哪些和物流有关的APP，可从中体验到什么功能；如何寄出快递；若需要经营快递寄取中心，考虑到寄取费用随快递重量增加而增长，而手动计费方式效率与精准度都比较低，如何设计可对邮资进行自动计算的计算器。学生可组建小组来分析问题，结合网络搜索的资料了解当前快递寄送的收费规则；探讨计算器可用的程序结构类型以及具体的运行逻辑；程序结构于Python之中对应的具体算法表示方式；通过程序流程图的形式来表达其运行逻辑；完成模型设计后，编写代码。在此问题分析环节中，学生的合作意识以及分析问题的能力得到锻炼与增强，同时还可在梳理问题的过程中，确定该课所需掌握的知识点。在学生自主设计程序结构时，教师可寻求合适的时机进行指导与纠正，如分支结构类型、关系运算符等内容。学生可借助PPT来以动画的形式呈现出执行单双分支结构的过程，在探究Python对应的具体语法时，对语法要点进行总结；以自然语言来描述计算器的具体执行过程。在此环节中，学生的建模以及抽象分析能力均能够获得有效锻炼。设计完成后，学生可相互以多角度的方式来展示本组的“邮资计算器”代码、流程图等设计成果，并讨论制作作品期间遭遇的困难与应对方法。

为实现计算思维培养的教学目标，教师需层层深入教学过程，让学生通过明确实际问题，分析解决方案，归纳算法步骤，绘制程序流程图以及编码等环节，逐步提升自身的计算思维水平。在最终的总结与评价环节中，为增强学生在程序语言输出以及输入格式的规范性，可摒弃人工判断的方法，运用OJ平台来给学生提出精准化反馈与专业化建议。

四、以赛促学，激发学习动力

在当前的信息技术教学中，不少学生对于计算思维都缺乏深刻、正确的认识，对于计算思维的发展动力不足，往往将注意力集中到学习任务方面，没有关注思维层面的发展目标。这与教师长期采用的单一化、枯燥化的教学方法有着密切的关联。因此教师在计算思维教育过程中，应引入游戏化竞赛这一教学要素，通过技能训练式、探究式以及引导式游戏活动来使信息技术教学过程更加灵活有趣，从而实现“以玩促学”“以赛促学”的教学目标。

比如：在学习《数据的查找》一课时，学生需要通过二分查找与顺序查找两种方式来完成查找目标数据的学习任务，学生通过对必修一教材的学习已经能够简单应用数组，对于二分查找也有一定的了解；顺序查找则是高中生需要掌握的查找类算法中较为简单易行的典型算法。教师在为学生设计游戏竞赛时，应当重点强调对两种不同算法的比较设计。可为学生设计“查找大师选拔赛”的游戏活动，学生需要通过无刻度式天平这一工具从20个颜色、大小完全一致的小球中筛选出质量稍重的特殊小球，查找过程需要计时，按照具体破解时间来筛选出“破解大师”，各个小组之间可对破解方法进行交流。而后，学生需要结合目标球的具体质量范围展开质量竞猜，在对竞猜次数进行记录的过程中，还需将算法写出。再通过二分查找法进行目标小球的查找，并对两种不同的查找方法展开对比与分析。最后，对游戏规律进行总结，归纳二分查找法的实施步骤，同时，探讨游戏中采用的两种数据查找方法分别适用于哪一种类型的问题。在游戏进行过程中，学生察觉相比前一种方法，二分查找法能够以更高的效率帮助自身找到目标小球，以此实现了对优化算法意识与评估思维的有效培养。

游戏竞赛能够充分激发学生对于信息技术学习的热情，但是在实际的教学设计环节中，教师应注重游戏内容与计算思维发展内容、教学内容的一致性，以教学内容为核心设计并选择合适的游戏内容与类型。同时还需通过及时的教学反馈来了解学生在游戏中所采用的问题解决方法的正确性，在合适的时机为学生提供指导与纠正。

结束语

计算思维的培养与强化需要学生的主动配合与信息技术教师的科学引导，因此教师应当从教学模式、教学内容、教学方法等角度入手，立足核心素养发展目标，综合应用情境教学法、项目教学法、游戏化教学法等多种教学手段，为计算思维养成创设良好的实施条件，使学生在真实化、趣味化、生活化的信息技术课堂中实现对自身高阶思维的有效发展。

参考文献

[1]蒋亚梅.高中生计算思维培养存在的问题及对策[J].中小学电教（教学），2022（12）：19-21.