深度学习理论下基于计算思维培养的中学程序设计教学研究

一、问题提出2022年版义务教育《信息科技课程标准》阐述了信息科技学科核心素养，其中计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法涉及等思维活动。具备计算思维的学生，能对问题进行抽象、分解、建模，并通过涉及算法形成解决方案；能尝试模拟、仿真、验证解决问题的过程，反思、优化解决问题方案，并将其迁移运用于解决其他问题[1]。中学信息技术程序设计教学能有效培养学生计算思维，但实践教学中往往容易出现以下问题：学生学习了程序设计后，迁移应用能力差，遗忘率高。根据深度学习的理论，深度学习是在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心的参与，体验成功、获得发展的学习过程。如何让学生积极参与程序设计的学习，全身心投入，获得有意义的学习的同时提高计算思维能力？作者在深度学习的理论指导下，开展相关研究。二、深度学习理论下的中学信息技术程序设计教学（一）深度学习内涵与特征郭华[2]认为深度学习是在教学中，学生积极参与、全身心投入、获得健康发展的、有意义的学习过程。在这个过程中，学生在素养导向学习目标的引领下、聚焦引领性学习主题、展开有挑战性的学习任务与活动，掌握学科基础知识与基本方法、体会学科基本思想、建构知识结构、理解并评判学习内容与过程；能够综合运用知识和方法创造性地解决问题，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感和正确的价值观，成为既有扎实学识基础、又有独立思考能力，善于合作、有社会责任感、具备创新精神和实践能力、能够创造美好未来的社会实践的主人。在此基础上，郭华总结提炼了深度学习的五个特征：活动与体验、联想与结构、本质与变式、迁移与创造、价值与评判。（二）指向深度学习的中学信息技术程序设计教学特征计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、理解人类行为等一系列思维活动[3]。其本质就是自动化和抽象，它是一种运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，涵盖了反应计算机科学广泛性的一系列思维活动[4]。将抽象和自动化与程序设计结合起来开展教学是培养计算思维的很好途径。指向深度学习的中学信息技术程序设计教学是高效的学生主动参与学习的课堂，学习的结果不仅包括信息技术知识技能、操作的过程与方法，还包括学生积极运用计算机科学的基础概念去求解问题的习惯和态度养成。结合深度学习的五个特征，笔者提出中学信息技术程序设计具有以下特征：1.创设生活化学习情景，建立程序设计学习与学生经验的关联“联想与结构”特征处理的是外在知识与学生经验之间的转化问题，强调当下的学习内容与已有的经验建立起结构性的关联，从而使知识转化为与学生个体有关联的、能够操作和思考的内容（对象）。（郭华，2021）中学学生思维从具体形象思维逐步向以抽象逻辑思维发展，但他们的抽象逻辑思维仍然在很大程度上受感性经验的影响。因此，教师应该设置恰当的生活化情境，其一可以激发学生利用信息技术解决问题的热情，其二可以引导学生在真实情境中发现问题，提取问题的基本特征，对问题进行抽象、分解、建模、制定方案，培养他们利用信息技术解决问题的交互性思维能力。2.强化流程图设计和算法比较，突显问题解决过程的抽象化和方法多样性“本质与变式”特征强调教学要着眼学科的基本思想和基本方法。（郭华，2021）抽象是计算思维的本质之一，教师应引导学生学会把实际问题抽象化处理。流程图是实现问题抽查处理的关键，有利于学生自我构建知识，提升能力。由于中学学生认知水平比较低，还处于发展阶段，教师需要在程序设计过程中“给学生扶一把”，加强学生程序设计方法的指导，特别是利用流程图来提高对程序的认识。在此阶段，教师将时间交给了学生，学生可以以自己的学习方式，结合教师提供的学习资源进行自主探究，设计程序运行的流程图。在自主学习中，学生可以边做边学，可以先学后做，也可以先做后学，遇到学习疑难可以查阅课堂相应章节内容知识，也可以观看教师在学习平台上提供的学习微视频。这些微视频都是教师依据先进教育理念，精心设计的，能直观形象地帮助学生掌握信息技术方法步骤原理等知识。教师可以让学生养成查阅课本、观看微课、请教同学等这些学习方法，从而良好的求知习惯。在描述算法的时候，教师允许不同学生有不同的解题思路，并充分开展讨论，比较不同算法的优越性。教师指导学生时候注意，强调算法不是单一的，解决问题的办法有很多，需要采取最合适的方法。并对数学方法和信息技术解决问题的方法进行比较，充分领会信息技术解决问题的灵活性。3.以项目贯穿教学，在问题解决中培养计算思维单一的程序设计语言学习往往知识内容比较多，也比较枯燥，学生学了程序设计不能应用，因此总是处于被动学习的状态。而计算思维的培养，要求学生要主动探究问题解决方案，分析问题，形成解决方案。“活动与体验”是指向深度学习的教学的根本特征。这一特征强调学生作为主体的主动活动，让学习真正发生。（郭华，2021）为了让学生作为主体全部身心投入程序设计活动中，教师可以通过项目式教学：首先是项目式学习是源于真实问题的，学生更有兴趣利用所学的知识去解决问题；其次，通过项目式学习活动，学生主动去分析问题，解决问题，养成合作学习的习惯；项目式学习属于开放型任务，任务自由度高，学生发挥空间较大，对学生的能力提升有很大帮助。教师充当项目式学习的指导者，保证项目式学习活动有序进行。当出现大家都不能解决的问题时，教师及时点拨提示；当学生表现良好时，教师及时表扬激励，以保证学生有充足和持续的学习兴趣，驱动学生继续向前学习，保证学习活动顺利进行。每一个项目活动结束后，鼓励学生进行学习成果展示，并介绍自己学习过程；让学生提出自主学习过程中遇到的疑难问题，并让大家对这些问题就行讨论，发表自己的意见。教师将课堂还给学生，只是作为课堂活动的监督者和学生学习的引导者，在学生探索前进遇到困难时，教师需要及时发现并提供有效的指导和帮助，对他们进行启发和诱导，致使其朝着正确的方向探寻合适的办法解决问题。4.优化评价机制，实现教学评一体化深度学习指出评价目标与要求的设计应该先于教学实施，与教学设计一体化进行。程序设计教学要求学习任务应该与评价任务整合，过程评价和结果评价并重。目前，已经有多个地区开展了中学信息技术学业水平考试。从评价的角度看，除了结果评价，教师还要重视过程性评价。建立良好的课堂评价和作业评价机制，对学生学习表现、学习过程及学习成果及时评价，激发学生不断上进的动力，增强学生自主学习的信心。运用自评、互评、他评的多维评价，技能增强评价效果，又能培养学生学习评价的能力，提高元认知的能力。评价情境要贴近学生学习和生活，反应真实问题。评价主体体现多元性，鼓励教师、学生和家长一起参与，学生参与评价结果的判断和解释过程。评价内容应体现全面性，注重学生思维过程、情感态度等发展状况。如每一个项目活动结束后，鼓励学生进行学习成果展示，并介绍自己学习过程；其他同学可以对其成果进行点评、质疑，提出修改意见等。教师充当项目交流展示活动的组织者，保证讨论交流有序进行。当出现大家都不能解决的问题时，教师及时点拨提示；当学生表现良好时，教师及时表扬激励，以保证学生有充足和持续的学习兴趣，驱动学生继续向前学习。（三）指向深度学习的中学信息技术程序设计教学中计算思维的培养因此，指向深度学习的中学信息技术程序设计教学中计算思维的培养，是指在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的程序设计主题，全身心的参与，体验成功，培养计算思维能力的程序学习过程。在这个过程中，学生掌握计算科学的核心知识，培养计算思维能力，形成积极的学习态度，正确的价值观，成为未来社会所需要的人才。三、基于计算机思维培养的中学程序设计教学策略在深度学习理论指导下，中学的程序设计课堂要关注学生有没有在教师引领下，“围绕着具有挑战性的学习主题”，全身心积极参与、体验成功、获得发展。基于以上对中学信息技术课堂的认知，在程序设计教学策略的设计中应该更重视学生计算思维的培养，重视过程性评价，重视学生的自主学习能力的培养。基于计算机思维培养的中学程序设计教学策略流程如左图所示。教学流程分为六部分，每一步都是围绕深度学习的目标，开展学习。第一步，创设情境，需求分析。创设生活化问题情境，提出问题，分析利用信息技术解决问题的方案。第二步，抽象描述，算法设计。把生活化问题抽象出来，分析问题解决的思路和步骤，并描述算法。第三步，交流算法，设计流程。教师引导学生开展讨论，交流算法。在深入理解算法后，画出程序的流程图。前三步都充分考虑到设置生活化学习情境，引导学生利用程序解决实际生活中问题；考虑到学生思维的进阶性，充分开展分析和讨论交流。第四步，解决问题，编程实现。学生在教师的引导下编写程序，调试运行并解决问题，教师巡查解答学生存在的问题。第五步，成果展示，交流评价。教师展示学生的程序，学生开展讨论和评价。通过互相评价，进一步完善程序。第六步，课堂小结，拓展延伸。教师小结这节课的内容，并布置课堂练习给学生进行拓展训练。后面三步根据深度学习需要，考虑到学生学习个性特点以及学生参与课堂的主动性要求，给与学生更多的自主编程实现的时间和开展互助评价时间。按照教学流程，基于深度学习的程序设计课堂，学生在教师指导下全身心的参与程序教学活动中，通过自主学习合作学习，有效培养计算思维能力，获得全面发展的信息技术核心素养。一部分对计算机程序设计有偏好的学生将脱颖而出，促进学生个性发展。四、案例分析下文以中学程序设计中分支语句教学为例，对应用该策略培养学生的计算思维能力进行具体的分析，具体的教学流程如上表所示。通过以上例子可以看到，教师在深度学习的理论指导下，通过选择贴近学生生活中的程序问题来激发学生探究的兴趣。在教学过程中教师引导学生利用计算科学的概念来解决问题，开展思路分析，算法分析，制作问题解决的流程图。通过课堂过程性记录和评价，激发学生积极参与思考过程。“围绕着具有挑战性的学习主题”，学生全身心积极参与、体验成功、计算思维获得发展。五、结语时代飞速发展，信息