指向計(jì)算思維的高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平試題教學(xué)啟示

摘要：本文聚焦指向計(jì)算思維的高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平試題，在對(duì)“計(jì)算思維”的概念內(nèi)涵和高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平考試要求全面深入研究的基礎(chǔ)上，展開(kāi)教學(xué)案例設(shè)計(jì)與課堂實(shí)踐，同時(shí)，立足于教學(xué)實(shí)際，提出高中信息技術(shù)教學(xué)可以從實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)、設(shè)置情境問(wèn)題、跨學(xué)科融合設(shè)計(jì)發(fā)散性任務(wù)等方面進(jìn)行教學(xué)訓(xùn)練，以提高學(xué)生的計(jì)算思維水平。關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；學(xué)業(yè)水平考試；教學(xué)策略《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）提出要發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，并鼓勵(lì)學(xué)生在不同的問(wèn)題情境中，運(yùn)用計(jì)算思維形成解決問(wèn)題的方案。[1]同時(shí)，新課標(biāo)指出要鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)自主探究解決項(xiàng)目中的問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中整合知識(shí)，促進(jìn)思維發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生在“嘗試—驗(yàn)證—修正”的“試錯(cuò)”過(guò)程中，發(fā)展計(jì)算思維。[2]新課標(biāo)不僅在知識(shí)內(nèi)容和技能掌握方面對(duì)教師提出了更高的要求，更是對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展提出了更深層次的期許，同時(shí)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了強(qiáng)有力的指導(dǎo)。因此，如何讓學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)與技能習(xí)得的同時(shí)達(dá)成思維訓(xùn)練，如何考查學(xué)生思維能力的提升，是一線教師以及教育考試院的命題專家不斷探索思考的問(wèn)題。計(jì)算思維的特征與考查方式新課標(biāo)中明確指出：計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。[3]國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）與計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）從操作的角度，定義計(jì)算思維是一個(gè)問(wèn)題解決的過(guò)程，該過(guò)程包括問(wèn)題闡釋、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、解決方案的制訂、資源的最有效利用與整合、問(wèn)題解決方案的遷移應(yīng)用等。[4]在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，對(duì)計(jì)算思維水平進(jìn)行評(píng)測(cè)是一個(gè)比較系統(tǒng)復(fù)雜的工作，對(duì)問(wèn)題解決的過(guò)程，可以從對(duì)問(wèn)題的抽象概述、對(duì)數(shù)據(jù)的組織與合理利用、對(duì)結(jié)構(gòu)模型的抽象等角度進(jìn)行評(píng)估考查。不同的角度選擇的考查評(píng)估方式應(yīng)有所不同，對(duì)不同層次學(xué)生的計(jì)算思維水平評(píng)測(cè)的方法也應(yīng)有所區(qū)別。關(guān)于計(jì)算思維水平的評(píng)估，國(guó)內(nèi)外的很多專家學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究，比較典型的就是基于試題的評(píng)價(jià)工具，以試卷測(cè)試題的形式進(jìn)行客觀的測(cè)量。對(duì)于有一定計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)的學(xué)生，還可以設(shè)計(jì)不同層次類型的編程類習(xí)題，基于編程對(duì)學(xué)生計(jì)算思維水平進(jìn)行考查。此外，還可以觀察記錄學(xué)生解決問(wèn)題的過(guò)程，并形成過(guò)程性評(píng)價(jià)。高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平考試的要求高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平考試是一項(xiàng)合格性考試，是面向全體高中生的考試，相較于高考這種選拔性考試，學(xué)業(yè)水平考試更加側(cè)重對(duì)信息技術(shù)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和技能掌握情況的考查，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的覆蓋面，強(qiáng)調(diào)試題的普適性，注重考查學(xué)生學(xué)習(xí)的廣度，而非深度。高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平考試以學(xué)業(yè)質(zhì)量水平2為依據(jù)，以高中階段的兩個(gè)必修課程模塊為內(nèi)容載體，以當(dāng)?shù)貙W(xué)生的學(xué)習(xí)情況為參考進(jìn)行命題考查。筆者所在省的學(xué)業(yè)水平考試采用的是上機(jī)測(cè)試的形式（40分的基礎(chǔ)知識(shí)選擇題，還有60分的操作題），在全面考查學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)水平和技能操作水平的同時(shí)，還需要根據(jù)學(xué)科核心素養(yǎng)水平表現(xiàn)考查學(xué)生的關(guān)鍵能力。新課標(biāo)將計(jì)算思維劃分為4個(gè)水平，各個(gè)水平之間有一定的層次關(guān)系，落實(shí)到學(xué)業(yè)水平考試的試題考查中，不僅需要考慮學(xué)業(yè)質(zhì)量水平，還需要梳理其與核心素養(yǎng)各級(jí)水平之間的關(guān)系?；诖?，筆者所在省的高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平考試在綜合考慮學(xué)業(yè)質(zhì)量水平和計(jì)算思維的水平劃分與描述后，將計(jì)算思維的考查落腳于程序設(shè)計(jì)單元，考查學(xué)生運(yùn)用Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫計(jì)算機(jī)程序解決問(wèn)題的能力。對(duì)比分析2023年1月的學(xué)業(yè)水平考試和2024年1月的學(xué)業(yè)水平考試中的Python程序設(shè)計(jì)題，考查的知識(shí)點(diǎn)基本一樣，但題目的設(shè)計(jì)變化較大。例如，在兩道考查if條件分支語(yǔ)句的題目中，2023年的題目要求學(xué)生寫出除輸入語(yǔ)句以外的所有代碼，2024年的題目代碼結(jié)構(gòu)完整，只讓學(xué)生補(bǔ)充填空。初看2024年的題目的難度要比2023年的題目大得多，但仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，2024年的題目更加注重學(xué)生抽象問(wèn)題、界定問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力，只需梳理清楚變量之間的關(guān)系，問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。新課標(biāo)、新教材施行三年來(lái)，筆者所在省高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平考試的試題對(duì)學(xué)生計(jì)算思維水平的考查越來(lái)越具象化，也越來(lái)越靈活，不僅考查學(xué)生程序設(shè)計(jì)語(yǔ)句的基礎(chǔ)知識(shí)，更注重考查學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的識(shí)別組織能力和對(duì)問(wèn)題的分析能力、抽象概括能力。指向計(jì)算思維的高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平試題的教學(xué)策略1.實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)，建構(gòu)知識(shí)體系指向計(jì)算思維的學(xué)業(yè)水平考試題雖然在不斷變換形式、題型，但是完成這些題目應(yīng)具備的基礎(chǔ)知識(shí)是固定的，運(yùn)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的思想方法解決問(wèn)題的思路是可以經(jīng)過(guò)訓(xùn)練習(xí)得的。在算法與程序設(shè)計(jì)章節(jié)，教師可以基于學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)生活，展開(kāi)項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)。例如，在while循環(huán)語(yǔ)句這一節(jié)中，教師設(shè)計(jì)了隨機(jī)點(diǎn)名程序項(xiàng)目活動(dòng)，并設(shè)置層層遞進(jìn)的探究任務(wù)，讓學(xué)生在探究操作的過(guò)程中建構(gòu)起while循環(huán)語(yǔ)句的結(jié)構(gòu)體系，并在項(xiàng)目推進(jìn)中了解列表、隨機(jī)函數(shù)等相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生在項(xiàng)目不斷拓展的過(guò)程中了解程序軟件的設(shè)計(jì)思路與過(guò)程，在自己設(shè)計(jì)制作小程序的真實(shí)體驗(yàn)中逐步建立起程序設(shè)計(jì)的物化思維，達(dá)成知識(shí)建構(gòu)與思維訓(xùn)練。2.設(shè)置情境問(wèn)題，培養(yǎng)關(guān)鍵能力計(jì)算思維作為一種復(fù)雜的思維方式，是學(xué)生在分析、思考、實(shí)踐問(wèn)題的過(guò)程中逐步形成的，指向計(jì)算思維的學(xué)業(yè)水平考試題主要考查的是學(xué)生的計(jì)算思維能力，而無(wú)論是選擇題還是操作題，都需要學(xué)生具備解讀題目、抽象概括題目問(wèn)題、分析問(wèn)題、合理利用數(shù)據(jù)和資源、調(diào)用知識(shí)、闡釋解決問(wèn)題的能力。以2024年1月學(xué)業(yè)水平考試中的“for循環(huán)語(yǔ)句”題目為例，學(xué)生首先需要讀懂題目所給的樣例，分析樣例中涉及的兩個(gè)數(shù)據(jù)變量，分析梳理出這兩個(gè)數(shù)據(jù)變量的變化規(guī)律；其次，讀懂題目已經(jīng)給出的部分代碼，分析代碼中所給的變量哪一個(gè)是用for循環(huán)調(diào)用range（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，哪一個(gè)是在程序循環(huán)中需要自己寫語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)；最后，需要看懂樣例中的表達(dá)式是如何通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)打印出來(lái)的（包括標(biāo)點(diǎn)符號(hào)以及變量的前后位置）。這一過(guò)程，需要學(xué)生有讀題、析題、運(yùn)用形式化方法熟悉問(wèn)題、運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)編寫補(bǔ)充代碼實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決的能力。因此，教師在日常教學(xué)過(guò)程中需要多關(guān)注問(wèn)題的情境，設(shè)置復(fù)雜的情境、具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，讓學(xué)生在情境任務(wù)中通過(guò)經(jīng)歷思考分析、數(shù)據(jù)組織、資源調(diào)用、實(shí)踐演練、反饋調(diào)整的過(guò)程逐步形成計(jì)算思維。3.跨學(xué)科融合，培養(yǎng)發(fā)散思維（1）引入跨學(xué)科案例，引導(dǎo)學(xué)生抽象界定問(wèn)題為了讓學(xué)生更容易讀懂題目，抽象出問(wèn)題的模型，教師可以引入跨學(xué)科案例，讓學(xué)生利用多學(xué)科知識(shí)、綜合各種信息資源，設(shè)計(jì)出解決問(wèn)題的算法模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的思想方法與知識(shí)內(nèi)容解決問(wèn)題，并將解決問(wèn)題的方案遷移應(yīng)用于其他問(wèn)題中。例如，在體驗(yàn)程序解決問(wèn)題的題目中，可以引入如體育學(xué)科中IBM計(jì)算與判斷、運(yùn)動(dòng)心率的測(cè)試驗(yàn)證等案例，讓學(xué)生通過(guò)跨學(xué)科融合抽象出算法模型，更好地理解計(jì)算機(jī)程序算法的思想方法。（2）通過(guò)典型習(xí)題檢驗(yàn)和鞏固學(xué)生的發(fā)散思維為了不斷鞏固學(xué)習(xí)效果，教學(xué)過(guò)程中教師可以適時(shí)引入一些典型習(xí)題，以訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散思維。在學(xué)完程序的基礎(chǔ)語(yǔ)句和三種基本結(jié)構(gòu)之后，教師可以將典型問(wèn)題做一些變形，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。例如，針對(duì)學(xué)生熟知的概念“因數(shù)”，教師可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)算法編寫代碼以實(shí)現(xiàn)求任意一個(gè)正整數(shù)的因數(shù)。先引導(dǎo)學(xué)生了解因數(shù)的概念——假如三個(gè)整數(shù)a、b、c，使a*b=c，則稱a和b就是c的因數(shù)，題目的要求是從c入手去找a和b，只要c能整除a，a是c的因數(shù)，同時(shí)b也是c的因數(shù)，a和b的取值范圍就是1到c本身，a和b可能是同一個(gè)數(shù)字，可以想到，求c可以采用枚舉的算法一次判斷1到c，這個(gè)c的個(gè)數(shù)就是c的因數(shù)（如右圖），即可實(shí)現(xiàn)這個(gè)題目的求解。經(jīng)過(guò)教師的引導(dǎo)，學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)一步優(yōu)化程序，修改range（1，c/2+1）程序的執(zhí)行次數(shù)可縮減一半，還有學(xué)生會(huì)進(jìn)一步修改為c的開(kāi)平方+1，又一次提高程序效率。同時(shí)，教師也可以進(jìn)行進(jìn)一步拓展：求c的因數(shù)的個(gè)數(shù)、因數(shù)的和、判斷c是否為素?cái)?shù)等。一道題目多角度發(fā)散，打破學(xué)科知識(shí)、模塊知識(shí)的常規(guī)界限，讓學(xué)生在探究任務(wù)的過(guò)程中建立起知識(shí)之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，達(dá)到思維訓(xùn)練的目的。（3）在學(xué)科實(shí)踐中提升學(xué)生的創(chuàng)新能力指向計(jì)算思維的學(xué)業(yè)水平考試具有多樣性和不確定性，僅僅依靠典型習(xí)題對(duì)學(xué)生的發(fā)散思維進(jìn)行訓(xùn)練是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要從日常的學(xué)科實(shí)踐入手，讓學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)的問(wèn)題解決過(guò)程，在學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。例如，在科技節(jié)活動(dòng)中開(kāi)展編程挑戰(zhàn)，如編寫小游戲、制作簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)或APP等，幫助學(xué)生掌握編程語(yǔ)言和技能，同時(shí)激發(fā)他們的創(chuàng)新思維和解決問(wèn)題的能