基于计算思维的项目式教学实践

摘要：立足计算思维核心素养的培养，对项目式教学进行探索，可以进一步提高高中信息技术学科教学的质量。在高中信息技术学科教学中，教师基于计算思维运用项目式教学方法进行教学实践，可通过实施项目设计、计划制订、实施过程、学生自评、展示交流、综合评价等六个步骤，有效落实学生计算思维核心素养的培养。关键词：计算思维；项目式教学；“设计算法实现用数学公式计算”《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）明确了高中信息技术学科核心素养包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等四个核心内容，信息技术学科核心素养是学生在接受信息技术教育过程中逐步形成的信息技术基本知识、关键能力和方法、情感态度和价值观等方面的综合表现。《课程标准》修订过程中，“计算思维”被引入信息技术学科核心素养中。随着教育改革的不断深入，如何利用有效教育方法提升学生的计算思维，是目前高中信息技术教育需要重点思考的问题之一。为此，笔者以上海科技教育出版社信息技术教材必修1《数据与计算》“项目七——设计简单数值数据算法”第一节“设计算法实现用数学公式计算”教学为例，探索立足学生计算思维培养的高中信息技术学科项目式教学。一、计算思维和项目式教学概述（一）计算思维“计算思维”最先由美籍华人计算机科学家周以真教授提出，《课程标准》对“计算思维”这一核心内容做出了明确的界定，即计算思维是指个体运用计算科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动，具体表现为解决问题过程的“形式化”“模型化”“自动化”“系统化”。相关文献显示，计算思维的重要核心在于计算科学，是通过计算科学概念的有效运用对相关问题进行有效设计和求证，从而帮助学习者理解相关知识内容，是一种维度较为宽广的思维活动方式［1］。计算思维在教育教学中发挥着越来越重要的作用，将成为日后学生所需要具备的基础技能之一，它与理论思维和实验思维一样，是新时代推动科学技术不断发展的重要思维方式，也是促进人类社会文明不断进步的重要动力。《课程标准》将计算思维作为信息技术学科的四大核心素养之一，根据计算机解决问题的过程和方法抽象出所要解决问题的特征，构建出计算机解决问题的结构模型，并对模型数据进行分析演算，最终形成数字化解决问题的方案，并在实践中不断优化和完善。（二）项目式教学项目式教学是一种全新的教学方式，由教师带领学生根据具体项目目标开展教学活动，是目前教学实践中应用最为广泛的方式之一。项目式教学作为一种现代教育理论，具有建构主义的基本特点，同时也充分体现了多元智能理论等全新的教育思想和学习理论，与传统的教育教学方法存在显著不同［2］，其主要可以分为起始阶段、主体阶段、项目收尾阶段等三个阶段。在起始阶段，由教师和学生一起制订项目任务计划和项目工作内容；在主体阶段，由学生小组进行各项目工作内容的分工与落实；在项目收尾阶段，小组成员在全班同学面前分享与交流项目成果。项目式教学法强调学生在学习中的主体地位，要求教师在教学过程中扮演好引导者的角色，帮助学生通过合作、探究等方式顺利获得更多的知识和经验。在项目式教学中，教师的主要任务不再是将知识灌输给学生，而是为学生营造良好的学习环境和学习氛围，引导学生根据项目任务的内容循序渐进地学习。因此，项目式教学法为学生设计了更加真实的工作环境，学生通过项目工程的任务驱动进行自主学习，并在此过程中充分调动已有知识解决遇到的问题，不断提升实践技能。可见，项目式教学法给予学生一定的学习自主性，让学生能够在相应的时间内自主安排学习时间和学习计划，并且能够在项目完成时切实体会到学习的成果，有利于进一步提高学生的学习积极性［3］。二、基于计算思维的项目式教学法实施策略“Python程序设计”是目前中小学信息技术课程中的一项重要内容，该语言语法简洁清晰，提供大量内置对象和内置函数，编程模式非常符合人类的思维方式和习惯。与C语言系列和Java等语言相比，Python更加容易学习和使用，但这并不意味着学生可以轻松地掌握Python。学生要熟练掌握和运用Python仍需要通过大量的练习来锻炼自己的计算思维和熟悉Python编程模式。在“Pyton程序设计”中运用计算思维，能够充分体现该程序设计语言计算思维的本质特点，帮助学生更好地拓展计算思维能力。因此，教师可根据课程的具体要求和特点，并结合学生的实际学习能力，在这一课程教学中利用项目式教学方法开展教学活动，将教学阶段分为三个环节。首先，开展示范项目教学。由教师向学生展示相关知识点和程序设计方法，与学生共同完成项目任务的设计与规划。其次，完成练习项目内容。该环节让学生根据实验指导书的相关步骤指示自主完成练习内容。最后，开展实训项目。该环节让学生自主选择项目课题，按照项目式教学法的基本步骤完成相应的项目任务。在前两个阶段，教师除了教授学生相应的知识点和技能，还应该通过实际案例向学生展示计算思维的使用方法和原则，以便学生在后续的实训项目中更好地利用计算思维开展项目任务。根据以上项目式教学法的基本步骤，笔者以“设计算法实现用数学公式计算”教学为例，将项目式教学环节分为六个步骤，并在教学过程中充分融入计算思维的基本原理。（一）设计项目在项目设计阶段，笔者要求小组成员通过多种方式采集与整理信息，并根據采集到的数据信息与教师进行沟通交流，最终选定自己的项目课题，并制订项目课题所需要完成的任务目标。在这一过程中，笔者引导学生利用计算思维进行推理和演算，理解所要解决的问题的特征，构建计算机解决问题的结构模型，同时根据文献和网络中的相关技术资料以及学生在实际学习和生活中的相关经验，探讨项目课题的设计是否具有意义、项目任务的实践是否可行，再通过不断自主提问开拓思维，循序渐进地分析和对比，选定最终的项目课题，将抽象的方法进行简化，并对项目目标进行有效规划和提炼，帮助学生明确项目任务的整体内容。如在“设计算法实现用数学公式计算”这节课的教学中，笔者通过介绍数学家欧拉引出求解圆周率的欧拉公式，引导学生思考、讨论求解过程，并把求解过程的通项公式写在导学案上，再请一名学生在黑板上写出自己的推导过程。这样教学，学生可以在自主探究过程中敏锐地发现数据中的规律，构建计算思维的结构模型，全面提升数学推导能力。（二）制订计划在项目教学法实施过程中，制订计划是一个非常重要的环节。制订明确的计划可以帮助组织者和参与者更好地了解项目的目标和任务，明确工作方向和步骤、合理分配资源，有助于减少项目实施过程中出现混乱的机率，提高工作效率。为了确保人力、物力、时间等资源得到合理分配和利用，学生需要自主制订项目计划并组织实施，从而锻炼自己的计划能力和组织能力，为未来的职业发展打下基础。在计划制订阶段，学生通过小组交流的方式对项目内容进行明确划分，制订项目内容的实施步骤、进度计划表、小组成员分工计划，并以此为依据完成项目实施计划书。在这一阶段中，笔者引导学生充分利用计算思维中关注点分离的原则，对小组内的不同成员进行科学分工指导，并根据现实中软件公司的项目管理方式将小组成员分为设计小组、实施小组和测试小组三个部分，让每个小组成员都能够明确自己负责的项目内容，以确保后续项目的顺利实施。例如，在“设计算法实现用数学公式计算”这节课教学前，笔者通过导学案引导学生在小组内进行人员分工，并制订完成这节课任务内容的计划书、进度表等，做到有的放矢。有了课前的精心准备，课中小组合作探究进展比较顺利，为最后取得项目成果打下了坚实的基础。（三）实施过程根据计划书内容，各小组成员严格按照分工和项目步驟推进项目的实施。在项目实施过程中，学生常常会遇到各种细节问题，解决这些问题的过程往往有助于培养学生的计算思维。例如，在进行系统设计时，学生需要充分利用关注点分离的方式将抽象的系统总目录形成具体的设计方案，并根据设计要求构建不同的功能模块。此外，通过组内分工的方式处理各项项目任务，也充分体现了计算思维的运行原则，能够进一步提高团队工作效率，让每一名学生都能在规定的时间内完成自己负责的项目内容。在项目实施过程中，笔者参与各小组的讨论、制作和解决问题全过程，关注各小组的完成度，督促、鼓励个别落后的小组及时跟进，提醒问题的关键点，使得整个团体顺利完成项目。如在“设计算法实现用数学公式计算”这节课的教学中，数学公式是计算思维的基础，这节课的关键点之一在于引导学生抽象出相关的数学模型，以确立合理的计算机算法。因此，笔者引导学生思考欧拉公式中可以重复计算的规律，进一步推导用计算机循环结构解决重复计算的问题。在此过程中，学生初步形成了用计算思维解决实际问题的能力。（四）学生自评学生自评是自我认知和自我发展的重要途径。学生通过自我评价，可以更加清楚地了解自己的学习状况、优点和不足，从而有针对性地制订学习计划，提高学习效率。当然，自我评价是建立在有效的自我反思的基础上的，因此自我评价有助于培养学生的自我反思和自我调整能力，促进其全面发展。在进行自我评价阶段，学生应根据自己完成的初步项目模型不断进行优化和升级，一方面对系统中存在的各种功能性错误进行有效纠正，另一方面借助计算思维的方式，对计算机的恢复系统进行升级，以此不断优化项目的呈现效果，从而得到更加优质的系统成果，为后续的项目展示奠定良好的基础。在“设计算法实现用数学公式计算”这节课的教学中，笔者先引导学生在小组内充分讨论，让学生通过激烈的争辩逐步发现不足之处，再将自己的问题罗列出来，在展示环节进行自评，从而清晰地了解自己对本节课学习内容的掌握情况，进而取长补短。这样教学，学生的自我发展能力和自我认知能力能够得到有效提高，自我评价能力和社会责任感也能得到增强。（五）展示交流展示交流环节是教育教学过程中的一个重要环节，为学生提供反馈和评估机会，有助于学生展示自己的学习成果、交流学习经验和思想，促进自主思考、相互学习和共同进步，同时提高学生的表达能力和自信心，促进相互学习和共同进步。这个环节是学生主体性的重要体现，也是激发学生学习欲望的有效措施。展示交流环节建立在学生深入自主学习的基础上，通过学生持续深入自主学习，为展示交流储备知识和设置问题，这样的展示交流才有深度、有广度、有热度。学生在课堂中积极展示交流，赢得师生的肯定和赞誉，享受成功的喜悦，从而以更大的热情投入到自主学习中，可见，展示交流和自主学习环节两者是相辅相成的关系。例如，在“设计算法实现用数学公式计算”这节课的教学中，项目式教学进入项目收尾阶段时，笔者要求每个小组推选一名成员讲述项目的实施过程，并要求其他小组提出问题，让小组成员针对具体问题提出自己的解决思路。这样一来，小组成员能够更好地厘清自己在完成项目过程中的知识习得途径和思维方式，也能够更加准确地用语言展现自己的思维过程，为其他小组的学习提供有效借鉴，进一步拓宽班级学生的思维，不断提升计算思维，也为下一步的综合评价打下基础。在完成自评之后，每个组的成员在全班同学面前展示自己的项目成果，并说明在进行系统设计过程中出现了什么问题、小组成员通过什么方式解决问题。笔者和其他小组成员再针对性地提出自己的疑问，让展示小组的成员针对问题做出回答。在本节课的展示交流环节，笔者鼓励学生大胆分享自己的学习经验和思维方式，同时提出自己的问题和困惑，并寻求他人的帮助和解答。在这样的展示交流中，学生实现了思维碰撞，能够更加深刻地理解知识点，进而全面提高自己的计算思维。（六）综合评价综合评价可以让学生更加全面地了解自己的学习情况，从而有针对性地改进学习策略。当然，综合评价需要客观、公正地进行评价，避免主观因素的影响，有助于促进教育公平。在教学环节结束后，教师应当详实记录学生在项目完成过程中的细节和表现，同时要求学生对自己的任务完成过程进行客观评价，并对小组中其他成员的表现进行评价，这样才能充分体现项目式教学法中的过程性评价要求。评价不应局限于小组成员的学习结果，还要充分考虑小组成员展示出的计算思维能力、合作能力等，最终通过多元评价的方式完成对学生的最终评价，确保学生的评价结果客观、全面、真实。在本节课的综合评价环节，笔者进行了量化记录，制订了专门的量化记录表格，包括问题解决能力、算法设计能力、数据处理能力、团队协作能力等，每个评价项目都有相应的评价标准和评分范围。这种量化表格得到了学生的认可，便于学生根据量化要求进一步规范学习过程。此外，这样的量化记录为笔者进行过程性评价积累了客观详实的材料，提升了综合评价的效果。三、基于计算思维的项目式教学法在实践中的注意事项（一）要引导学生理解计算思维的基本原理教师向学生教授适量而准确的知识，能够帮助学生将无意识的学习转化为有意识的学习，将潜在的学习能力转化为技术技能，进一步提高学习质量和学习效率。教师通过分解项目任务、细化项目任务，再逐一根据项目任务展开探究、合作、反复训练，不仅可以加深学生对计算思维的理解，而且可以让学生将计算思维能力逐渐内化成自主学习能力，帮助学生在日后的学习和工作中更加灵活地运用技能，有效提升学生的综合素养。如在“设计算法实现用数学公式计算”这节课教学中，笔者把知识点分解并细化，以导学案为纲，引导学生一步一步深入理解循环结构，易于学生接受、理解；同时，通过对问题的自主探究、合作探究，体验算法计算速度和效率，使学生形成了计算机程序控制结构的概念，在一定程度上具备了运用核心知识解决问题的能力。（二）要为学生创造良好的计算思维环境要培养学生的计算思维，不能只是依靠教师传授计算思维的原理、原则和方法，还需要教师为学生设立良好的学习情境，以进一步加深学生对计算思维的理解，使学生真正实现计算思维的内化吸收。例如，笔者在教学过程中，一是通过各种媒介为学生展示丰富的教学案例，让学生对案例进行深入探索，逐渐认识了计算思维的基本图形；二是将学生带入真实的工作环境中，让学生在真实的工作环境中解决实际问题，逐渐掌握计算思维的应用方式；三是为学生创设更加轻松、更加民主、更加和谐的学习环境，创造独立思考的空间，使学生能够针对教师提出的问题进行深入探究，充分调动学生的学习积极性和主动性，进一步活跃学生的思维。（三）要建立多元评价体系在落实项目式教学法过程中，教师通常会选择具有一定复杂性和一定规