着力编程教育提升计算思维

摘"要：使用高中生计算思维评价量表了解常熟市三所农村高中学生计算思维能力总体情况，进一步深化对计算思维的认知与理解，系统把握计算思维中的各种因素，明确高中编程教育对培养学生计算思维的重要性和可实施性。积极探索基于计算思维培养的教学实施策略，形成高中段编程教育中基于问题解决的计算思维培养模式，真正促进学生计算思维的提升。关键词：计算思维；编程教育；信息技术学科0"引言近年来，大数据、云计算、移动通信技术的广泛应用和人工智能技术的快速发展催生了生活于数字化世界中的人们认知和解释世界的新思维——计算思维。《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》将计算思维定义为“个体运用计算机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”[1]。计算思维现已逐步发展成为人们在学科学习过程中培养出来的一种关键思维能力，这种能力使个体能够有效利用计算机科学领域的思想、方法和技术解决现实中的问题，成为在现代社会中生存和发展必备的重要思维品质。在信息时代，计算思维作为一种广泛适用且不可或缺的思维方式，其培养显得尤为重要，已成为学校教育中的关键环节。对学生而言，计算思维的培养是一个持续的、逐步发展的过程。小学和初中阶段可以视为计算思维的引入和成长阶段，而对高中生来说，进一步提升和强化计算思维能力已经成为一项基本的教学要求。编程是一种可以提升计算思维能力的高效训练方式，对计算思维的培养起着支撑作用。但编程教育尚未得到充分重视，部分人将其视为素质教育的一个辅助性课程，未能充分认识编程教育在培养学生思维方式和问题解决能力方面的关键作用。特别是，编程课程在农村高中开设的时间短、课时少。目前，在学校内部推进编程教育仍处于初步探索阶段，且受限于紧张的教学日程和有限的课时，教师在实施教学策略时面临诸多挑战。同时，教师在编程教育领域本身也是探索者，需要进一步提升自身的专业知识。1"数据来源1.1"调查对象与内容本次调查对象为江苏省苏州市常熟市农村区域的三所高中（常熟市浒浦高级中学、常熟市梅李高级中学、常熟市海虞高级中学）。为了解三所学校学生计算思维的整体情况，并以此作为开展教学项目的切入点和开展课堂教学的依据，推动、推广编程教育，笔者针对高一学生开展了在编程教育中培养学生计算思维可实施性的问卷调查。本次调查是非强制性的，参与的学生有1466人，其中男生占51.57%，女生占48.43%，这与三所学校的男女生比例相符，因此统计数据具有一定的参考价值。参与调查学生分布如表1所示。1.2"调查问卷说明在基于量表的评价方式中，土耳其学者柯尔克玛兹（Korkmaz）及其团队开发的针对学生计算思维能力的评估量表在学术界得到广泛的认可和应用。在对该量表进行设计和开发之前，柯尔克玛兹等研究人员对国际教育技术协会提出的计算思维理论框架进行了深入分析，并据此提出评估量表包含的五个维度：问题解决能力、合作技能、批判性思维、创造力因素和算法思维。国内学者对该量表进行了本土化，中文版的计算思维量表用于测量我国学生的计算思维能力。本次调查问卷借鉴中小学计算思维评价量表（CTS-K12），结合学生实际情况和信息技术学科特点对其进行调整。对三所学校高一学生计算思维能力的问卷调查分为两部分，第一部分为个人情况，第二部分包括问题解决能力、合作技能、批判性思维、创造力因素和算法思维五个模块，其中算法思维模块又由“计算概念”“计算实践”“计算观念”三个层次构成。本次问卷调查第一部分个人情况包含4个不计分题项。第二部分五个模块共44个题项，问题解决能力包含5个题项，合作技能包含5个题项，批判性思维包含5个题项，创造力因素包含5个题项。算法思维中的“计算概念”包含8个题项，“计算实践”包含10个题项，“计算观念”包含6个题项。量表采用李克特五点计分法进行测量，分别为非常同意、同意、不确定、不同意、非常不同意，分别记为5、4、3、2、1分。本次调查运用WPS表格软件进行数据处理。2"调查结果与分析2.1"计算思维总体情况本次调查对参与学生计算思维评价量表五个维度上的得分均值、标准差、最大值、最小值等进行了分析。参与调查学生计算思维能力总体情况如表2所示。分析结果显示，参与调查学生计算思维能力最低分为1.16，最高分为4.96，均分为3.48。可见，参与调查学生所展现的计算思维能力普遍位于中上水平区间。按照计算思维评价量表五个维度，学生的得分均值从高到低分别为合作技能、创造力因素、问题解决能力、批判性思维、算法思维。各个维度的标准差显示，在算法思维这个维度，学生个体间的差异最大。2.2"是否参加过编程和相关社团学生间计算思维能力对比此项数据来源于调查问卷第一部分个人情况。从校内外教育经历横向比较中发现，相较于市区高中学生，农村高中学生对编程技术、青少年人工智能（机器人）等知识的学习较少，参加过编程和相关社团的人数远远小于未参加过的人数（表3）。调查中发现，参加过编程和相关社团的学生计算思维能力高于未参加过的学生，且参加过编程和相关社团的学生在算法思维这一维度上个体间差距最大（表4）。2.3"学生对计算思维的认可度此项数据来源于调查问卷第一部分个人情况。参与调查学生认可计算思维的重要性，但对计算思维的认识往往停留在表面，缺乏对其深层含义和应用领域的全面理解。超过90%的学生渴望获得提升计算思维能力的机会（表5），超过70%的学生渴望通过编程学习提升自己的计算思维（表6）。2.4"调查结果分析参与调查学生的计算思维能力整体处于中等偏上水平。在计算思维评价量表五个维度上，算法思维得分最低，且在算法思维维度上学生间的个体差异最大。参加过编程和相关社团的学生计算思维能力高于未参加过的学生。技术的发展、社会的演变促使学生开始认知、解释和重视计算思维。随着Python语言被纳入高中信息技术教材，学生开始逐步意识到编程教育的重要性，渴望通过编程学习提升自己的计算思维。编程教育受到了学生的欢迎。编程教育的目标不仅是提升计算思维，更侧重于促进学生认知模式的成长。通过实践可知，编程教育着重增强了学生解决各种问题的能力。同时，计算思维的培养赋予了编程教育更为深远的目标和意义。3"基于计算思维培养的教学实施策略本次调查不仅了解了农村区域三所学校高一学生计算思维能力的总体情况，证实了在编程教育中培养学生计算思维的重要性和可实施性，还关注了教师在编程教学中对学生计算思维的培养模式。笔者尝试利用各种教学策略、教学工具等构建有效的计算思维学习环境，力求系统把握学生计算思维的各种影响因素，积极探索基于计算思维培养的教学实施策略，形成高中段编程教育中基于问题解决的计算思维培养模式。具体围绕以下三个方面展开研究。3.1"汇总新课标下高中段教材中涉及编程教学的模块，在教学实践中形成适合高中学生计算思维培养的教学模式有效的课堂教学模式是影响课程实施质量和学生计算思维能力形成、信息素养提升的关键要素。高中学生对能立即看到效果、在生活学习中立刻用得上、比较前沿的知识更感兴趣，如人工智能与信息系统的安全等模块。而对理论性强、抽象的知识板块，如编程计算、计算与问题解决，学生的兴趣度偏低，但这两章恰恰是编程教学的重点。学生更喜欢直观的、实际的、能看到效果的知识，但是计算思维是抽象的。因此，如何将其在课堂教学中具象化，是教师需要努力的地方。转变教学方式，尝试探索大单元教学，帮助学生从宏观上把握知识体系，理解不同知识点之间的联系。开展项目式、跨学科等综合性教学活动，在解决实际问题的过程中，运用多学科知识，培养跨学科思维，促进学生融会贯通，加强知识内在联系，促进知识结构化，切实提高学生的问题解决能力，确保课堂教学有意义、有效率、有生成性。3.2"通过开展社团活动、校本课程和竞赛活动，激发学生的创造力，培养其计算思维能力除了以信息技术学科课堂教学作为培养主线外，还要以创意编程、人工智能等社团活动和校本课程作为必要补充。在社团活动和校本课程中尝试进阶式培养学生的计算思维能力，在已有“Python高级程序设计语言编程”课程的基础上，添加了涵盖C++、机器人编程、物联网技术等方面的进阶内容。通过社团活动和校本课程的日常开展，鼓励学生积极参与信息素养、领航杯、省科模等竞赛，让学生在竞争中学习，在学习中竞争。这不仅可以提升学生的专业技能，还可以让其学会如何在团队中协作，如何在面对挑战时保持创新和解决问题的能力。这些经验对学生的全面发展具有重要意义，有助于他们在未来的学习和工作中更好地适应社会需求，成为具备较高信息素养的人才。3.3"根据高中学生个体差异，教师进行面向计算思维能力提升的个性化学习内容设计和实施借助学习平台，促进师生互动。教师借助学习平台完成课程构建，定制有助于提升计算思维的个性化学习内容。学生在平台上进行课前预习、课堂抢答、考试评价等。平台在师生互动环节能体现出更好的应用效果，实现了“零距离”教学，同时帮助教师更深入地了解每一位学生的学习情况。做好跟踪调查，关注学生日后发展情况。在学生结束高中段的学习生活后，通过多种渠道继续跟踪参加过编程和相关社团的学生情况，了解他们在大学中的表现，以及他们在此后不同阶段的变化和成长，以更好地评估教育效果和教学质量，为未来的编程