计算思维能力培养下“五维”项目场景的设计与实施

【摘 要】随着互联网与数字技术高速发展，高中生要适应未来发展，需要培养计算思维能力。本文探讨了通过设计“五维”项目场景来培养高中生计算思维能力的重要性及其方法。通过“看、听、说、触、感”五个维度对项目场景进行设计，在问题界定与抽象、建模与数据组织、分析与综合、算法设计与实现、迁移与应用等方面全面培养学生的计算思维能力。通过“五维”项目场景设计，能够有效地促进学生的全面发展和终身学习能力的培养。

【关键词】计算思维；项目场景；设计与实现

【中图分类号】G434 【文献标志码】B

【论文编号】1671-7384（2024）012-062-04

随着社会信息化程度越来越高，计算思维作为一种重要的思维方式和解决问题能力日益受到重视。然而，当前高中生的计算思维能力培养仍有许多不足。教学中，项目场景的设计能为学生提供一个实践平台，通过解决实际问题，有效培养和深化学生的计算思维能力，对其未来学业、职业发展都具有重要意义。

计算思维的内涵

2006年，美国卡内基·梅隆大学教授周以真开始致力于研究计算思维，首次对计算思维的定义进行了明确界定：计算思维是一套能够利用计算机科学基础概念，去寻找解决方案、设计系统以及借助计算机可以理解的方式表达解决方案，学科界限不仅仅局限于计算机专业领域，而应该遍及更广泛的研究领域[1]。

依照我国《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》中的定义，计算思维是应用计算机科学的思想方法来解决问题时产生的一系列思维活动。具备计算思维的学生，在信息活动中能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、组织合理数据，通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案，总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决中[2]。

因此，计算思维可以从以下五个维度来定义：问题界定与抽象、建模与数据组织、分析与综合、算法设计与实现、迁移与应用[3]。

高中生计算思维能力的培养现状

高中学生虽然已经具备一定的计算思维能力，但存在个人阅历不足、实践经验不够等现实问题，计算思维能力在许多方面均有欠缺。

1.信息过载，规律难寻——问题界定与抽象能力不足

随着互联网和数字化技术的发展，学生们面临海量信息，在面对复杂问题时，他们往往难以准确界定问题的关键要素，导致解决问题的方向不明确。而信息技术领域充斥着抽象的概念，如数据结构、算法原理、网络协议等，学生如果没有足够的抽象思维能力，就很难深刻理解这些概念，进而影响其学习和应用能力。

2.模型构建，数据杂乱——建模与数据组织的挑战

对于高中生来说，在构建模型和组织数据时，一方面，由于他们缺乏系统的建模训练，不太熟悉如何构建数学或逻辑模型来描述问题，导致在面对复杂问题时难以构建有效的模型。另一方面，高中生不知道如何选择合适的数据结构来组织数据，特别是当数据集较大且较为复杂时，他们通常难以从杂乱无章的数据中提取有用信息。

3.分析不透，综合不力——分析与综合能力欠缺

由于学习压力大，实践机会少，许多高中生在面对复杂问题时，难以深入分析问题的本质，不擅长将已有的知识和技术综合起来形成有效的解决方案。这种能力的欠缺不仅影响了他们解决问题的效率，还限制了他们在信息技术领域的创新潜力。

4.算法设计，效率不高——算法设计与实现的瓶颈

算法设计是信息技术教育中的一个重要组成部分，但在面对复杂的算法问题时，学生常常感到困惑。他们在设计算法时，难以确定最佳的解决策略，导致所设计的算法效率低下或难以实现。此外，他们在调试算法时也会遇到困难，难以识别和修复逻辑错误，从而影响了算法的正确性和性能。

5.迁移应用，创新不足——迁移与应用的障碍

高中生在掌握了基本的理论知识和技术后，难以将这些知识有效地应用于解决新问题。在创新方面，学生缺乏将所学知识与新技术、新工具相结合的能力，从而难以提出创新性的解决方案。因此，教师在高中信息技术教学中，需要精心设计课程和实践活动，促进学生的全面参与，培养学生的计算思维。

项目场景设计有效连接真实世界

1.项目场景设计与项目式学习的关系

项目式学习是培养计算思维的有效方法。通过让学生参与解决现实世界中的复杂问题，促进他们主动探索、协作和创新，从而在实践过程中自然而然地培养计算思维。项目式学习主要包括项目目标、项目内容、项目活动、项目场景和项目评价五个要素。

项目式学习是一个更为广泛的概念，涵盖了整个学习过程的设计和实施；而项目场景是项目式学习中一个具体的学习环境设计，是实现项目式学习目标的重要手段。它们在概念上有相似之处，但侧重点和范围有所不同。

2.项目场景设计与计算思维培养

好的项目场景能够为学生提供一个培养计算思维的平台，通过解决实际创新问题，学生不仅能够掌握计算思维的基本技能，还能培养解决复杂问题的能力和团队合作精神。

在问题界定与抽象方面，好的项目场景设计能够引导学生明确问题的边界，帮助他们学会从复杂的现象中提取关键信息，从而更好地理解问题的本质。在建模与数据组织方面，学生通过构建不同模型来代表问题的不同方面，有助于学生有效地管理和利用数据。在分析与综合方面，项目场景设计要求学生通过分析，将不同的信息源综合起来得出结论，有助于他们学会如何从多个角度审视问题。在算法设计与实施方面，项目场景设计提供的实践平台，培养了他们的逻辑思维能力和问题解决能力。在迁移与应用方面，项目场景设计鼓励学生将所学知识应用于新的情境中，这有助于他们理解计算思维是一种通用的解决问题的方法。

总之，精心设计的项目场景能将抽象的计算思维概念与学生的生活经验和真实世界做有效连接，激发他们的学习兴趣和参与度，为他们提供实践机会，帮助学生在问题界定与抽象、建模与数据组织、分析与综合、算法设计与实现、迁移与应用这五个维度上发展计算思维能力。

项目场景设计的八要素

项目场景设计主要包括以下八个要素：定义项目目标，明确项目设计的目的和预期结果；一个基于现实或模拟真实世界问题的情境；一个或多个激发学生的好奇心和探究欲望的开放性问题；一系列引导学生进行探究的活动；学生可使用的材料、工具和技术资源；一个用于评价学生学习进度和成果的体系；学生需要完成的最终作品或展示；反思自己的学习过程和项目成果，思考哪些做得好，哪些地方需要改进[4]（图1）。

这样不仅为学生提供了实践的机会，还能帮助他们在解决问题的过程中发展批判性思维、创造性解决问题的能力以及团队合作精神。这种学习方式强调的是过程而不是仅仅关注结果，从而促进了学生更深层次的学习和发展。

培养计算思维能力的“五维”项目场景设计与实施

项目场景设计通过构建贴近现实、富有吸引力的学习情境，不仅能激发学生的学习热情，促进深层次理解和跨学科技能的融合，还能强化学生的自我导向学习能力，使其在解决复杂问题的过程中实现个人成长和全面发展[5]。

通过本校与区域内兄弟高中学校的教学实践，我们发现在设计项目场景时，可以从“看、听、说、触、感”这五个维度来进行有针对性的设计，帮助学生感知问题、理解问题、体验解决问题的过程，在实际操作中产生创新，进而达到主动参与、主动协作、主动反思、主动探索、主动创新，从而提高学生问题界定与抽象能力、建模与数据组织能力、分析与综合能力、算法设计与实现能力、迁移与应用能力，最终全方位实现学生计算思维的培养（图2）。

在实际应用中，以设计“智能校园生活助手”为例，高中学生已经具备了不错的沟通与协调能力，可以独立完成观察、访谈等活动。此外，小组合作可以加强学生的思维碰撞，培养沟通与协调能力。通过教师指导，结合课堂所学的编程知识，学生完全可以实现设计并开发应用程序。项目场景的设计与实施具体（表1）。

1.“看”维度——视觉感知与数据呈现，增强问题界定与抽象能力

在设计项目时，教师应确保学生能够通过观察现实世界中的现象来界定问题。重点是教会学生如何有效地收集和整理视觉信息，并使用图表、图形等可视化工具来展示观察结果，从而帮助他们更好地感知问题，体验课堂的真实感和主动参与意识，进而增强问题界定与抽象能力。

2.“听”维度——语音交互与问题理解，提升建模与数据组织能力

当设计听觉的项目时，教师应侧重于教授学生如何利用声音作为信息输入和输出的媒介。教师可以让学生倾听别人的意见，记录想法，也可以让学生学会如何使用录音设备和音频编辑软件来处理数据，并从中提取有意义的信息。此外，教师还应引导学生探索如何通过语音命令来控制计算机程序或机器人，以此进一步理解问题，增强课堂的存在度和主动协作意识，进而提升建模与数据组织能力。

3.“说”维度——体验表达与团队协作，培养分析与综合能力

在涉及口头沟通的项目中，教师应强调团队合作的重要性。教师可以通过组织小组项目让学生们共同解决问题。在这个过程中，学生需要明确任务分工、讨论设计方案，并且需要不断地向团队成员解释自己的想法。这种沟通不仅能让学生表达个人的设计想法，体验课堂参与的荣誉感，还能增强团队协作能力，促进学生主动反思，进而培养分析与综合能力。

4.“触”维度——操作互动与实体应用，强化算法设计与实现能力

在设计物理互动的项目时，教师应该让学生们亲手操作实体对象，重点在于让学生们分析实体对象的功能需求，设计机械结构，并实现控制程序。通过亲手制作，学生能够更直观地理解算法设计与实现的过程，建立学生的自信感，促进学生主动探索，进而强化算法设计与实现能力[6]。

5.“感”维度——用户体验与迁移创造，激发迁移与应用能力

在设计情感共鸣的项目时，教师应着重于用户体验设计，重点在于培养学生的同理心，让他们学会站在用户的角度思考问题，并将计算思维应用到解决实际问题中。通过这样的项目，学生不仅能够提高迁移与应用的能力，让他们拥有成就感，还能促进学生主动创新，进而激发迁移与应用能力。

结 语

具备计算思维的学生能够更好地适应快速变化的环境，高效解决现实复杂问题。通过设计“五维”项目场景来培养学生的计算思维能力，可以帮助学生在学业上更加高效地解决问题，提高创新意识和批判性思维，对于未来的职业生涯和社会生活都有重要作用。

注：本文系江苏省教研课题“以项目式学习提升高中生计算思维的实践研究”（编号：2023JY15-GLL22）和苏州市吴中区“十四五”规划课题“基于项目式教学的信息技术学科“四感”教学策略研究”（编号：145QG3003）的研究成果

参考文献

刘彩萍. 面向计算思维培养的高中信息技术DBL+PBL融合模式研究[D]. 广州：广州大学，2023： 8.

中华人民共和国教育部. 普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）[M]. 北京： 人民教育出版社，2020：1.

袁斌. 项目活动“井字游戏算法与程序实现”之调试与优化[J]. 上海教育，2019（8）： 48-49.

宿庆，张文兰，王海，李红斌. 面向计算思维培养的高中信息技术课程项目式学习研究[D]. 西安： 陕西师范大学，2021： 5.

陈宏斌. 面向计算思维培养的项目式学习的教学模式研究[J]. 中国教育学刊，2013（2）： 159-160.

刘江岳，马静. 培养计算思维的高中人工智能课程项目式学习活动设计[J]. 计算机教育，2023（12）： 362.

作者单位：江苏省外国语学校

编 辑：张莹