深度學習理論下基于計算思維培養(yǎng)的中學程序設計教學研究

一、問題提出2022年版義務教育《信息科技課程標準》闡述了信息科技學科核心素養(yǎng)，其中計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法涉及等思維活動。具備計算思維的學生，能對問題進行抽象、分解、建模，并通過涉及算法形成解決方案；能嘗試模擬、仿真、驗證解決問題的過程，反思、優(yōu)化解決問題方案，并將其遷移運用于解決其他問題[1]。中學信息技術程序設計教學能有效培養(yǎng)學生計算思維，但實踐教學中往往容易出現(xiàn)以下問題：學生學習了程序設計后，遷移應用能力差，遺忘率高。根據(jù)深度學習的理論，深度學習是在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心的參與，體驗成功、獲得發(fā)展的學習過程。如何讓學生積極參與程序設計的學習，全身心投入，獲得有意義的學習的同時提高計算思維能力？作者在深度學習的理論指導下，開展相關研究。二、深度學習理論下的中學信息技術程序設計教學（一）深度學習內(nèi)涵與特征郭華[2]認為深度學習是在教學中，學生積極參與、全身心投入、獲得健康發(fā)展的、有意義的學習過程。在這個過程中，學生在素養(yǎng)導向?qū)W習目標的引領下、聚焦引領性學習主題、展開有挑戰(zhàn)性的學習任務與活動，掌握學科基礎知識與基本方法、體會學科基本思想、建構(gòu)知識結(jié)構(gòu)、理解并評判學習內(nèi)容與過程；能夠綜合運用知識和方法創(chuàng)造性地解決問題，形成積極的內(nèi)在學習動機、高級的社會性情感和正確的價值觀，成為既有扎實學識基礎、又有獨立思考能力，善于合作、有社會責任感、具備創(chuàng)新精神和實踐能力、能夠創(chuàng)造美好未來的社會實踐的主人。在此基礎上，郭華總結(jié)提煉了深度學習的五個特征：活動與體驗、聯(lián)想與結(jié)構(gòu)、本質(zhì)與變式、遷移與創(chuàng)造、價值與評判。（二）指向深度學習的中學信息技術程序設計教學特征計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計、理解人類行為等一系列思維活動[3]。其本質(zhì)就是自動化和抽象，它是一種運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類的行為，涵蓋了反應計算機科學廣泛性的一系列思維活動[4]。將抽象和自動化與程序設計結(jié)合起來開展教學是培養(yǎng)計算思維的很好途徑。指向深度學習的中學信息技術程序設計教學是高效的學生主動參與學習的課堂，學習的結(jié)果不僅包括信息技術知識技能、操作的過程與方法，還包括學生積極運用計算機科學的基礎概念去求解問題的習慣和態(tài)度養(yǎng)成。結(jié)合深度學習的五個特征，筆者提出中學信息技術程序設計具有以下特征：1.創(chuàng)設生活化學習情景，建立程序設計學習與學生經(jīng)驗的關聯(lián)“聯(lián)想與結(jié)構(gòu)”特征處理的是外在知識與學生經(jīng)驗之間的轉(zhuǎn)化問題，強調(diào)當下的學習內(nèi)容與已有的經(jīng)驗建立起結(jié)構(gòu)性的關聯(lián)，從而使知識轉(zhuǎn)化為與學生個體有關聯(lián)的、能夠操作和思考的內(nèi)容（對象）。（郭華，2021）中學學生思維從具體形象思維逐步向以抽象邏輯思維發(fā)展，但他們的抽象邏輯思維仍然在很大程度上受感性經(jīng)驗的影響。因此，教師應該設置恰當?shù)纳罨榫?，其一可以激發(fā)學生利用信息技術解決問題的熱情，其二可以引導學生在真實情境中發(fā)現(xiàn)問題，提取問題的基本特征，對問題進行抽象、分解、建模、制定方案，培養(yǎng)他們利用信息技術解決問題的交互性思維能力。2.強化流程圖設計和算法比較，突顯問題解決過程的抽象化和方法多樣性“本質(zhì)與變式”特征強調(diào)教學要著眼學科的基本思想和基本方法。（郭華，2021）抽象是計算思維的本質(zhì)之一，教師應引導學生學會把實際問題抽象化處理。流程圖是實現(xiàn)問題抽查處理的關鍵，有利于學生自我構(gòu)建知識，提升能力。由于中學學生認知水平比較低，還處于發(fā)展階段，教師需要在程序設計過程中“給學生扶一把”，加強學生程序設計方法的指導，特別是利用流程圖來提高對程序的認識。在此階段，教師將時間交給了學生，學生可以以自己的學習方式，結(jié)合教師提供的學習資源進行自主探究，設計程序運行的流程圖。在自主學習中，學生可以邊做邊學，可以先學后做，也可以先做后學，遇到學習疑難可以查閱課堂相應章節(jié)內(nèi)容知識，也可以觀看教師在學習平臺上提供的學習微視頻。這些微視頻都是教師依據(jù)先進教育理念，精心設計的，能直觀形象地幫助學生掌握信息技術方法步驟原理等知識。教師可以讓學生養(yǎng)成查閱課本、觀看微課、請教同學等這些學習方法，從而良好的求知習慣。在描述算法的時候，教師允許不同學生有不同的解題思路，并充分開展討論，比較不同算法的優(yōu)越性。教師指導學生時候注意，強調(diào)算法不是單一的，解決問題的辦法有很多，需要采取最合適的方法。并對數(shù)學方法和信息技術解決問題的方法進行比較，充分領會信息技術解決問題的靈活性。3.以項目貫穿教學，在問題解決中培養(yǎng)計算思維單一的程序設計語言學習往往知識內(nèi)容比較多，也比較枯燥，學生學了程序設計不能應用，因此總是處于被動學習的狀態(tài)。而計算思維的培養(yǎng)，要求學生要主動探究問題解決方案，分析問題，形成解決方案。“活動與體驗”是指向深度學習的教學的根本特征。這一特征強調(diào)學生作為主體的主動活動，讓學習真正發(fā)生。（郭華，2021）為了讓學生作為主體全部身心投入程序設計活動中，教師可以通過項目式教學：首先是項目式學習是源于真實問題的，學生更有興趣利用所學的知識去解決問題；其次，通過項目式學習活動，學生主動去分析問題，解決問題，養(yǎng)成合作學習的習慣；項目式學習屬于開放型任務，任務自由度高，學生發(fā)揮空間較大，對學生的能力提升有很大幫助。教師充當項目式學習的指導者，保證項目式學習活動有序進行。當出現(xiàn)大家都不能解決的問題時，教師及時點撥提示；當學生表現(xiàn)良好時，教師及時表揚激勵，以保證學生有充足和持續(xù)的學習興趣，驅(qū)動學生繼續(xù)向前學習，保證學習活動順利進行。每一個項目活動結(jié)束后，鼓勵學生進行學習成果展示，并介紹自己學習過程；讓學生提出自主學習過程中遇到的疑難問題，并讓大家對這些問題就行討論，發(fā)表自己的意見。教師將課堂還給學生，只是作為課堂活動的監(jiān)督者和學生學習的引導者，在學生探索前進遇到困難時，教師需要及時發(fā)現(xiàn)并提供有效的指導和幫助，對他們進行啟發(fā)和誘導，致使其朝著正確的方向探尋合適的辦法解決問題。4.優(yōu)化評價機制，實現(xiàn)教學評一體化深度學習指出評價目標與要求的設計應該先于教學實施，與教學設計一體化進行。程序設計教學要求學習任務應該與評價任務整合，過程評價和結(jié)果評價并重。目前，已經(jīng)有多個地區(qū)開展了中學信息技術學業(yè)水平考試。從評價的角度看，除了結(jié)果評價，教師還要重視過程性評價。建立良好的課堂評價和作業(yè)評價機制，對學生學習表現(xiàn)、學習過程及學習成果及時評價，激發(fā)學生不斷上進的動力，增強學生自主學習的信心。運用自評、互評、他評的多維評價，技能增強評價效果，又能培養(yǎng)學生學習評價的能力，提高元認知的能力。評價情境要貼近學生學習和生活，反應真實問題。評價主體體現(xiàn)多元性，鼓勵教師、學生和家長一起參與，學生參與評價結(jié)果的判斷和解釋過程。評價內(nèi)容應體現(xiàn)全面性，注重學生思維過程、情感態(tài)度等發(fā)展狀況。如每一個項目活動結(jié)束后，鼓勵學生進行學習成果展示，并介紹自己學習過程；其他同學可以對其成果進行點評、質(zhì)疑，提出修改意見等。教師充當項目交流展示活動的組織者，保證討論交流有序進行。當出現(xiàn)大家都不能解決的問題時，教師及時點撥提示；當學生表現(xiàn)良好時，教師及時表揚激勵，以保證學生有充足和持續(xù)的學習興趣，驅(qū)動學生繼續(xù)向前學習。（三）指向深度學習的中學信息技術程序設計教學中計算思維的培養(yǎng)因此，指向深度學習的中學信息技術程序設計教學中計算思維的培養(yǎng)，是指在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的程序設計主題，全身心的參與，體驗成功，培養(yǎng)計算思維能力的程序?qū)W習過程。在這個過程中，學生掌握計算科學的核心知識，培養(yǎng)計算思維能力，形成積極的學習態(tài)度，正確的價值觀，成為未來社會所需要的人才。三、基于計算機思維培養(yǎng)的中學程序設計教學策略在深度學習理論指導下，中學的程序設計課堂要關注學生有沒有在教師引領下，“圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學習主題”，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展?；谝陨蠈χ袑W信息技術課堂的認知，在程序設計教學策略的設計中應該更重視學生計算思維的培養(yǎng)，重視過程性評價，重視學生的自主學習能力的培養(yǎng)?；谟嬎銠C思維培養(yǎng)的中學程序設計教學策略流程如左圖所示。教學流程分為六部分，每一步都是圍繞深度學習的目標，開展學習。第一步，創(chuàng)設情境，需求分析。創(chuàng)設生活化問題情境，提出問題，分析利用信息技術解決問題的方案。第二步，抽象描述，算法設計。把生活化問題抽象出來，分析問題解決的思路和步驟，并描述算法。第三步，交流算法，設計流程。教師引導學生開展討論，交流算法。在深入理解算法后，畫出程序的流程圖。前三步都充分考慮到設置生活化學習情境，引導學生利用程序解決實際生活中問題；考慮到學生思維的進階性，充分開展分析和討論交流。第四步，解決問題，編程實現(xiàn)。學生在教師的引導下編寫程序，調(diào)試運行并解決問題，教師巡查解答學生存在的問題。第五步，成果展示，交流評價。教師展示學生的程序，學生開展討論和評價。通過互相評價，進一步完善程序。第六步，課堂小結(jié)，拓展延伸。教師小結(jié)這節(jié)課的內(nèi)容，并布置課堂練習給學生進行拓展訓練。后面三步根據(jù)深度學習需要，考慮到學生學習個性特點以及學生參與課堂的主動性要求，給與學生更多的自主編程實現(xiàn)的時間和開展互助評價時間。按照教學流程，基于深度學習的程序設計課堂，學生在教師指導下全身心的參與程序教學活動中，通過自主學習合作學習，有效培養(yǎng)計算思維能力，獲得全面發(fā)展的信息技術核心素養(yǎng)。一部分對計算機程序設計有偏好的學生將脫穎而出，促進學生個性發(fā)展。四、案例分析下文以中學程序設計中分支語句教學為例，對應用該策略培養(yǎng)學生的計算思維能力進行具體的分析，具體的教學流程如上表所示。通過以上例子可以看到，教師在深度學習的理論指導下，通過選擇貼近學生生活中的程序問題來激發(fā)學生探究的興趣。在教學過程中教師引導學生利用計算科學的概念來解決問題，開展思路分析，算法分析，制作問題解決的流程圖。通過課堂過程性記錄和評價，激發(fā)學生積極參與思考過程?！皣@著具有挑戰(zhàn)性的學習主題”，學生全身心積極參與、體驗成功、計算思維獲得發(fā)展。五、結(jié)語時代飛速發(fā)展，信息