基于計算思維激發(fā)的高中信息技術(shù)項目式學(xué)習(xí)研究

朱鈺錚

摘要：如何將新課標(biāo)、新教材、新教法的理念應(yīng)用于程序設(shè)計的課堂，將程序設(shè)計知識以一種創(chuàng)新的方式教授給學(xué)生，在提升學(xué)生計算思維能力的同時培養(yǎng)學(xué)生運用計算思維的方法發(fā)現(xiàn)問題，然后尋找解決問題的途徑，最終解決問題。從學(xué)習(xí)者視角出發(fā)結(jié)合高中信息技術(shù)項目式學(xué)習(xí)的特點，縱向剖析信息技術(shù)計算思維的養(yǎng)成過程，以“體制數(shù)據(jù)促健康”項目教學(xué)資源，設(shè)計了計算思維目標(biāo)下的項目式學(xué)習(xí)，去探索高中信息技術(shù)項目式學(xué)習(xí)的教學(xué)路徑，為教師提供一條有效的教學(xué)思路。

關(guān)鍵詞：計算思維；高中信息技術(shù)；項目式學(xué)習(xí)

一、前言

由于大數(shù)據(jù)及AI（人工智能）等科技發(fā)展對人們的生活學(xué)習(xí)方面產(chǎn)生了較大影響，其涵蓋的計算思維技能與態(tài)度值得所有人學(xué)習(xí)與實踐運用[1]。在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，高中信息技術(shù)學(xué)科的核心內(nèi)容之一就包含了計算思維的學(xué)習(xí)，明確了在未來學(xué)習(xí)和使用信息技術(shù)學(xué)科的對象[2]。其培養(yǎng)結(jié)果的好壞對學(xué)科核心素養(yǎng)落實的效果存在著直接影響。

在信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，計算思維的學(xué)習(xí)是培養(yǎng)國家新型人才的必要學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生通過學(xué)習(xí)科技的變化，掌握科技發(fā)展更加深層的邏輯性，增強自身的科創(chuàng)能力與進步思想，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)打下了堅實的基礎(chǔ)。并且這種培養(yǎng)方式也是使學(xué)生適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必要經(jīng)歷[3]。

二、項目式學(xué)習(xí)的基本內(nèi)涵及其內(nèi)在價值

（一）項目式學(xué)習(xí)

項目式學(xué)習(xí)（PBL）是一種動態(tài)的學(xué)習(xí)方式，盧小花（2020）認為學(xué)生通過研究挑戰(zhàn)現(xiàn)實世界中遇到的問題即是項目式學(xué)習(xí)，通過學(xué)習(xí)使學(xué)生的綜合實踐創(chuàng)新能力得到提高是這項學(xué)習(xí)方式的重點內(nèi)容。該方式將學(xué)科的主旨思想與原理融為一體，學(xué)生可以通過自主學(xué)習(xí)的形式構(gòu)建屬于自己的知識體系，從而實現(xiàn)系列作品的完成[4]。羅賓（2018）認為項目式學(xué)習(xí)的重點應(yīng)當(dāng)聚焦于核心思想反射出的課程核心內(nèi)容與現(xiàn)實世界的聯(lián)系，提升學(xué)生在課程邏輯性、真實性與實用性方面的主動學(xué)習(xí)能力[5]。

綜上所述，項目式學(xué)習(xí)以學(xué)生為中心、解決問題為目的，在解決問題的過程中提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和高階思維能力，具有一定的探究性，是一種創(chuàng)新性的教與學(xué)方式。

（二）內(nèi)在價值

以高校信息技術(shù)課程的目標(biāo)為基礎(chǔ)，將教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實中的案例相關(guān)聯(lián)，通過項目式學(xué)習(xí)，增強學(xué)習(xí)者的主導(dǎo)意識、解決問題能力、獨立思考能力和合作能力，提高學(xué)生的自主參與意識，共同完成項目?；谛畔⒓夹g(shù)的時代特征，學(xué)生可以體驗信息技術(shù)帶來的便捷生活，直接使用電子設(shè)備或者學(xué)習(xí)方面的應(yīng)用，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)和日常生活能夠緊密相聯(lián)。

三、旨在激發(fā)計算思維的高中信息技術(shù)項目式學(xué)習(xí)模式構(gòu)建

建構(gòu)主義強調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)中不再是被動“接受”，而是主動去“做”。項目式學(xué)習(xí)與建構(gòu)主義均強調(diào)自主性與探究性，在活動過程中通過解決問題建構(gòu)自己的知識經(jīng)驗，達到增長技能的目的。本文從信息技術(shù)的四個核心概念數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)和信息社會出發(fā)，結(jié)合已有的研究，思考基于項目學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀和問題，構(gòu)建面向計算思維培養(yǎng)的項目式學(xué)習(xí)模式[6]。

在這個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了解編程知識，并通過這種方式使編程方面的研究實踐能力得到提高，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中養(yǎng)成良好的價值觀、世界觀與情感態(tài)度。

（一）項目設(shè)計

1.明確項目的目標(biāo)和任務(wù)

項目式學(xué)習(xí)應(yīng)該緊密貼合課程目標(biāo)和學(xué)科知識范疇，讓學(xué)生在解決具體問題的同時，達到學(xué)科目標(biāo)。項目設(shè)計應(yīng)該明確項目的目標(biāo)和任務(wù)，并通過探究和實踐，讓學(xué)生獲得動手、實踐、思辨、合作等方面的經(jīng)驗。

2.構(gòu)建適合學(xué)生發(fā)展的項目

項目設(shè)計應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的興趣愛好、社會背景和生活實際需要等，構(gòu)建適合學(xué)生發(fā)展的項目。通過多樣化的項目培養(yǎng)學(xué)生的多元智能，提升學(xué)生解決問題的能力。在項目設(shè)計過程中，通過與學(xué)生的交流和深入了解，找到最適合他們發(fā)展的項目，激發(fā)他們的出色表現(xiàn)。

3.運用多種教學(xué)策略

項目式學(xué)習(xí)需要運用多種教學(xué)策略，例如，教師激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生提出問題，安排項目學(xué)習(xí)時間表等。此外，還需要學(xué)生運用多種信息來源（如圖書館、互聯(lián)網(wǎng)）獲得豐富的信息，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。

（二）項目實施

本研究的項目實施階段以美國國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）和計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）提出的計算思維操作性定義中的實現(xiàn)問題解決為目標(biāo)，設(shè)計學(xué)習(xí)流程和師生互動，將學(xué)生思維“定向”到用計算思維實現(xiàn)項目問題解決的過程，實現(xiàn)對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，構(gòu)建面向計算思維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)項目式學(xué)習(xí)實施流程。

1.組建團隊

項目式學(xué)習(xí)中，團隊合作非常重要。教師需要根據(jù)學(xué)生的興趣和專長，合理組建團隊，制定角色和任務(wù)分工。同時，教師還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生自我管理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓他們熱愛學(xué)習(xí)、相互支持和協(xié)作，共同完成整個項目。

2.運用多種學(xué)習(xí)資源

項目式學(xué)習(xí)需要運用多種學(xué)習(xí)資源。通過各種資源獲取知識和技能，在實踐中不斷分析、運用數(shù)據(jù)。教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生如何尋找合適的資源，并且?guī)椭鷮W(xué)生掌握和利用這些資源。

3.安排評價與反思環(huán)節(jié)

項目式學(xué)習(xí)過程中，評價與反思環(huán)節(jié)是十分重要的。教師可以設(shè)置檢查點，對中間階段的成果作出評價，以便及時進行調(diào)整和改進。此外，教師還應(yīng)該安排時間聽取學(xué)生對項目的反思，讓學(xué)生自己總結(jié)經(jīng)驗，探究解決問題的過程。這些反思將有助于為學(xué)生構(gòu)建更為深刻的學(xué)習(xí)框架。

（三）項目評價

1.考查學(xué)生的思維能力

評價項目式學(xué)習(xí)的最終效果，需要考查學(xué)生在實踐中培養(yǎng)的豐富能力和知識。除了考核學(xué)生的學(xué)科成績，延伸到評估學(xué)生的思維能力，包括批判性思考、解決問題能力、創(chuàng)新能力、溝通能力等。

2.考查學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)

項目式學(xué)習(xí)的另一個目的是通過模擬現(xiàn)實情境，促進學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和個人價值的發(fā)揮。所以，教師也需要考查學(xué)生在項目實踐中培養(yǎng)的職業(yè)素養(yǎng)，包括團隊協(xié)作、溝通技能、領(lǐng)導(dǎo)能力等。

3.考查學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

項目式學(xué)習(xí)是一種學(xué)生中心的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生負責(zé)整個項目的實施，發(fā)揮了自主學(xué)習(xí)和探究的能力。因此，評價項目式學(xué)習(xí)的一個重要標(biāo)準(zhǔn)就是評估學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。應(yīng)該考查學(xué)生是否自主深入研究、學(xué)習(xí)質(zhì)量是否達到要求，是否有自主探究的精神等。

四、基于項目式學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計策略

（一）項目流程

1.軟件準(zhǔn)備

Mind+是一款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)青少年編程軟件，既可以拖動圖形化積木編程，也可以使用Python/C/C++等高級編程語言。用戶只需要拖動圖形化程序塊即可完成編程，還可以自動轉(zhuǎn)換Python/C/C++等高級編程語言，適用于校內(nèi)的大班教學(xué)、項目創(chuàng)作、創(chuàng)客比賽等場景，同時能滿足學(xué)生校外進行創(chuàng)意編程與項目創(chuàng)造的需求。

2.硬件準(zhǔn)備

掌控板：由創(chuàng)客教育專家委員會推出，是國內(nèi)第一款專為編程教育而設(shè)計的開源硬件。它集成了ESP-32高性能雙核芯片，支持Wi-Fi和藍牙雙模通信。

加速度傳感器：是一種能夠測量加速力，將加速度轉(zhuǎn)換為電信號的電子設(shè)備。加速力就是在物體加速過程中作用在物體上的力，就好比物體下墜時，受到重力作用。掌控板自帶一個三軸加速度傳感器，能夠測量由于重力引起的加速度。

3.教師準(zhǔn)備

對班級學(xué)生進行奇數(shù)分組。高分生、中等生、低分生均衡分配，做到組內(nèi)異質(zhì)。教師將學(xué)生們分為多個學(xué)習(xí)小組，每小組由3至5人組成，明確各人分工與學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（二）項目分析

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1）能夠正確地理解體質(zhì)數(shù)據(jù)所反映出來的信息，領(lǐng)會數(shù)據(jù)、信息以及知識三者之間的關(guān)系；掌握計步器的工作機制和原理，嘗試用Mind+軟件實現(xiàn)編程。

（2）能根據(jù)實際問題的需要，理解數(shù)字化的作用和掌握獲取數(shù)據(jù)的方法；利用Mind+軟件和硬件設(shè)備，設(shè)計出能夠檢測步數(shù)的程序。

（3）能夠通過對計步器的測量和真實感知，強化運動意識，增強體質(zhì)鍛煉；學(xué)生能夠更快感知數(shù)據(jù)與信息，從而提升信息素養(yǎng)。

2.教學(xué)重難點

教學(xué)重點：能借助數(shù)字化工具協(xié)同學(xué)習(xí)，解決實際問題；通過對計步器項目編碼的理解與運用，體驗運動對健康的重要性。

教學(xué)難點：理解體質(zhì)數(shù)據(jù)反映的信息，領(lǐng)會數(shù)據(jù)、信息與知識三者的關(guān)系。

（三）項目實施

1.情境導(dǎo)入

本環(huán)節(jié)是項目式教學(xué)的初始階段，教師會設(shè)定一個真實場景并拋出問題，引導(dǎo)學(xué)生進入狀態(tài)，激發(fā)學(xué)生通過信息科技等知識對問題進行分析，并對問題抽象分解，將難度較大的問題一步步簡單化、模塊化，使學(xué)生對問題的分析、簡化等計算思維得到增強。通過播放《中國青少年體質(zhì)問題分析》視頻，引導(dǎo)學(xué)生對健康問題的思考。

本階段，教師將會利用微視頻載體為學(xué)生創(chuàng)造一個真實情境，并通過微教學(xué)視頻幫助學(xué)生解決遇到的困難，培養(yǎng)學(xué)生處在不同水平時的自主探究問題能力。

2.活動探究一

本階段是項目式教學(xué)的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，準(zhǔn)備工作包括學(xué)生分組合作研究項目需求，共同設(shè)計恰當(dāng)?shù)膯栴}解決方法。這個過程是項目式教學(xué)的重點內(nèi)容，是對學(xué)生在學(xué)習(xí)中計算思維能力、程序性思維進行培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。另外，教師也會通過系統(tǒng)論的觀念、方法和學(xué)生進行積極討論，以找到合適的解決方案。

學(xué)生進行小組討論得出提高身體素質(zhì)最有效的方式，并且通過討論得出跑步是最快捷、方便的運動方式。同時，讓學(xué)生討論怎樣通過跑步來提升身體素質(zhì)，以及用什么來監(jiān)測實際跑步情況以達到鍛煉身體的效果。

3.活動探究二

本階段是程序設(shè)計的檢查和測試。學(xué)生通過程序運行和實踐，分析過程，反思算法和實驗方案，驗證作品的有效性。并且通過不斷調(diào)節(jié)和修改程序過程，檢查執(zhí)行方案所遇到的各類問題，對問題進行有目的性的優(yōu)化，增強學(xué)生計算思維的能力。

分析可穿戴計步器的原理：怎樣獲取步數(shù)數(shù)據(jù)，小組合作完成該主題項目。通過學(xué)習(xí)做出作品、展示匯報，并進行小組互評。教師組織學(xué)生按小組進行作品展示，并在結(jié)束后進行評價。

4.作品制作

這一階段為設(shè)計方案的實施階段，是項目教學(xué)最重要的環(huán)節(jié)之一。教師講解加速度的原理，讓學(xué)生認識加速度、理解步數(shù)的數(shù)據(jù)通過讀取加速度的值來獲取。教師展示程序編寫過程，告知學(xué)生注意事項，巡視指導(dǎo)，及時發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整上課節(jié)奏。

考慮到學(xué)生所學(xué)知識體系結(jié)構(gòu)不完善，制作作品時可以選擇多人組成小組的模式合作。對于有較大難度的項目，教師應(yīng)當(dāng)為學(xué)生提供程序框架、半成品或初始版程序代碼等預(yù)處理，平衡學(xué)生的作品制作難度，最終得到如圖1所示的作品。

5.小組展示

這一階段是學(xué)生學(xué)習(xí)成果的匯報與展示。每個學(xué)習(xí)小組的代表將現(xiàn)場解說作品，其余小組進行打分評價，打分依據(jù)如表1所示。匯報和評價可以是多種多樣的，重點是培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力和綜合實踐能力。在展示作品的過程中，教師還需要引導(dǎo)學(xué)生進行作品功能的延展，彌補作品的不足，最后總結(jié)和升華該作品，增強學(xué)生的綜合能力以及培養(yǎng)知識遷移能力。

（四）項目評價

通過開展基于項目式的Mind+編程與探究活動，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展綜合運用知識的能力，養(yǎng)成良好的探究品格。通過課堂實施軟件編程與外接硬件設(shè)備相結(jié)合的主題學(xué)習(xí)項目，增強了學(xué)生解決真實問題的實踐能力。學(xué)生圍繞問題開展任務(wù)探究活動學(xué)習(xí)，借助軟硬件、數(shù)字化學(xué)習(xí)資源與工具設(shè)計解決問題的方案。在整個主題學(xué)習(xí)項目中，培養(yǎng)了學(xué)生的合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、計算思維、動手實踐、問題解決等方面的知識與技能。

五、結(jié)語

在高中教學(xué)中開展項目式學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生的思維、創(chuàng)新能力，發(fā)展學(xué)生的信息技術(shù)核心素養(yǎng)，更多挖掘素材和題材，進一步拓展課程。本研究融合了新課改標(biāo)準(zhǔn)理念，設(shè)計了以“體質(zhì)數(shù)據(jù)促健康”為主題的項目式學(xué)習(xí)內(nèi)容，為新課程改革標(biāo)準(zhǔn)的貫徹實施提供有據(jù)可查的參考案例。項目將借助數(shù)字化學(xué)習(xí)工具認識數(shù)據(jù)、理解數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)，以“體質(zhì)數(shù)據(jù)促健康”為主題，通過Mind+軟件、掌控板、加速度傳感器的運用，引導(dǎo)學(xué)生運用計步器進行計步測量，加強學(xué)生對體質(zhì)健康的重視程度，進而提高身體健康的意識，增強身體素質(zhì)。

綜上所述，本研究建立的項目式學(xué)習(xí)模式是一種培養(yǎng)計算思維的學(xué)習(xí)方式，該模式的實施流程不斷增強學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，使學(xué)生對發(fā)現(xiàn)的問題進行自主思考，學(xué)會總結(jié)和反思。這種基于項目的學(xué)習(xí)全新的教育模式對教學(xué)過程提出了其他需求，要求教師盡量掌握學(xué)生對所學(xué)知識的實際認知情況，并引導(dǎo)出合理且具有一定難度的問題供學(xué)生解決，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中不斷進步。

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責(zé)任編輯：張津平、尚丹