指向計算思維的高中信息技術(shù)學業(yè)水平試題教學啟示

摘要：本文聚焦指向計算思維的高中信息技術(shù)學業(yè)水平試題，在對“計算思維”的概念內(nèi)涵和高中信息技術(shù)學業(yè)水平考試要求全面深入研究的基礎(chǔ)上，展開教學案例設(shè)計與課堂實踐，同時，立足于教學實際，提出高中信息技術(shù)教學可以從實施項目教學、設(shè)置情境問題、跨學科融合設(shè)計發(fā)散性任務等方面進行教學訓練，以提高學生的計算思維水平。關(guān)鍵詞：計算思維；學業(yè)水平考試；教學策略《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）提出要發(fā)展學生的計算思維，并鼓勵學生在不同的問題情境中，運用計算思維形成解決問題的方案。[1]同時，新課標指出要鼓勵學生通過自主探究解決項目中的問題，在解決問題的過程中整合知識，促進思維發(fā)展，引導學生在“嘗試—驗證—修正”的“試錯”過程中，發(fā)展計算思維。[2]新課標不僅在知識內(nèi)容和技能掌握方面對教師提出了更高的要求，更是對學生的思維發(fā)展提出了更深層次的期許，同時對學生的學習提供了強有力的指導。因此，如何讓學生在知識學習與技能習得的同時達成思維訓練，如何考查學生思維能力的提升，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題。計算思維的特征與考查方式新課標中明確指出：計算思維是指個體運用計算機科學領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動。[3]國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）與計算機科學教師協(xié)會（CSTA）從操作的角度，定義計算思維是一個問題解決的過程，該過程包括問題闡釋、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、問題解決方案的遷移應用等。[4]在實際教學過程中，對計算思維水平進行評測是一個比較系統(tǒng)復雜的工作，對問題解決的過程，可以從對問題的抽象概述、對數(shù)據(jù)的組織與合理利用、對結(jié)構(gòu)模型的抽象等角度進行評估考查。不同的角度選擇的考查評估方式應有所不同，對不同層次學生的計算思維水平評測的方法也應有所區(qū)別。關(guān)于計算思維水平的評估，國內(nèi)外的很多專家學者進行過研究，比較典型的就是基于試題的評價工具，以試卷測試題的形式進行客觀的測量。對于有一定計算機編程基礎(chǔ)的學生，還可以設(shè)計不同層次類型的編程類習題，基于編程對學生計算思維水平進行考查。此外，還可以觀察記錄學生解決問題的過程，并形成過程性評價。高中信息技術(shù)學業(yè)水平考試的要求高中信息技術(shù)學業(yè)水平考試是一項合格性考試，是面向全體高中生的考試，相較于高考這種選拔性考試，學業(yè)水平考試更加側(cè)重對信息技術(shù)學科基礎(chǔ)知識和技能掌握情況的考查，強調(diào)知識的覆蓋面，強調(diào)試題的普適性，注重考查學生學習的廣度，而非深度。高中信息技術(shù)學業(yè)水平考試以學業(yè)質(zhì)量水平2為依據(jù)，以高中階段的兩個必修課程模塊為內(nèi)容載體，以當?shù)貙W生的學習情況為參考進行命題考查。筆者所在省的學業(yè)水平考試采用的是上機測試的形式（40分的基礎(chǔ)知識選擇題，還有60分的操作題），在全面考查學生的基礎(chǔ)知識水平和技能操作水平的同時，還需要根據(jù)學科核心素養(yǎng)水平表現(xiàn)考查學生的關(guān)鍵能力。新課標將計算思維劃分為4個水平，各個水平之間有一定的層次關(guān)系，落實到學業(yè)水平考試的試題考查中，不僅需要考慮學業(yè)質(zhì)量水平，還需要梳理其與核心素養(yǎng)各級水平之間的關(guān)系?；诖?，筆者所在省的高中信息技術(shù)學業(yè)水平考試在綜合考慮學業(yè)質(zhì)量水平和計算思維的水平劃分與描述后，將計算思維的考查落腳于程序設(shè)計單元，考查學生運用Python程序設(shè)計語言編寫計算機程序解決問題的能力。對比分析2023年1月的學業(yè)水平考試和2024年1月的學業(yè)水平考試中的Python程序設(shè)計題，考查的知識點基本一樣，但題目的設(shè)計變化較大。例如，在兩道考查if條件分支語句的題目中，2023年的題目要求學生寫出除輸入語句以外的所有代碼，2024年的題目代碼結(jié)構(gòu)完整，只讓學生補充填空。初看2024年的題目的難度要比2023年的題目大得多，但仔細分析就會發(fā)現(xiàn)，2024年的題目更加注重學生抽象問題、界定問題、分析問題的能力，只需梳理清楚變量之間的關(guān)系，問題就會迎刃而解。新課標、新教材施行三年來，筆者所在省高中信息技術(shù)學業(yè)水平考試的試題對學生計算思維水平的考查越來越具象化，也越來越靈活，不僅考查學生程序設(shè)計語句的基礎(chǔ)知識，更注重考查學生對數(shù)據(jù)的識別組織能力和對問題的分析能力、抽象概括能力。指向計算思維的高中信息技術(shù)學業(yè)水平試題的教學策略1.實施項目教學，建構(gòu)知識體系指向計算思維的學業(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具備的基礎(chǔ)知識是固定的，運用計算機領(lǐng)域的思想方法解決問題的思路是可以經(jīng)過訓練習得的。在算法與程序設(shè)計章節(jié)，教師可以基于學生的真實學習生活，展開項目活動設(shè)計。例如，在while循環(huán)語句這一節(jié)中，教師設(shè)計了隨機點名程序項目活動，并設(shè)置層層遞進的探究任務，讓學生在探究操作的過程中建構(gòu)起while循環(huán)語句的結(jié)構(gòu)體系，并在項目推進中了解列表、隨機函數(shù)等相關(guān)內(nèi)容，學生在項目不斷拓展的過程中了解程序軟件的設(shè)計思路與過程，在自己設(shè)計制作小程序的真實體驗中逐步建立起程序設(shè)計的物化思維，達成知識建構(gòu)與思維訓練。2.設(shè)置情境問題，培養(yǎng)關(guān)鍵能力計算思維作為一種復雜的思維方式，是學生在分析、思考、實踐問題的過程中逐步形成的，指向計算思維的學業(yè)水平考試題主要考查的是學生的計算思維能力，而無論是選擇題還是操作題，都需要學生具備解讀題目、抽象概括題目問題、分析問題、合理利用數(shù)據(jù)和資源、調(diào)用知識、闡釋解決問題的能力。以2024年1月學業(yè)水平考試中的“for循環(huán)語句”題目為例，學生首先需要讀懂題目所給的樣例，分析樣例中涉及的兩個數(shù)據(jù)變量，分析梳理出這兩個數(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是用for循環(huán)調(diào)用range（）函數(shù)來實現(xiàn)，哪一個是在程序循環(huán)中需要自己寫語句來實現(xiàn)；最后，需要看懂樣例中的表達式是如何通過程序?qū)崿F(xiàn)打印出來的（包括標點符號以及變量的前后位置）。這一過程，需要學生有讀題、析題、運用形式化方法熟悉問題、運用計算機程序設(shè)計的相關(guān)知識編寫補充代碼實現(xiàn)問題解決的能力。因此，教師在日常教學過程中需要多關(guān)注問題的情境，設(shè)置復雜的情境、具有挑戰(zhàn)性的任務，讓學生在情境任務中通過經(jīng)歷思考分析、數(shù)據(jù)組織、資源調(diào)用、實踐演練、反饋調(diào)整的過程逐步形成計算思維。3.跨學科融合，培養(yǎng)發(fā)散思維（1）引入跨學科案例，引導學生抽象界定問題為了讓學生更容易讀懂題目，抽象出問題的模型，教師可以引入跨學科案例，讓學生利用多學科知識、綜合各種信息資源，設(shè)計出解決問題的算法模型，運用計算機領(lǐng)域的思想方法與知識內(nèi)容解決問題，并將解決問題的方案遷移應用于其他問題中。例如，在體驗程序解決問題的題目中，可以引入如體育學科中IBM計算與判斷、運動心率的測試驗證等案例，讓學生通過跨學科融合抽象出算法模型，更好地理解計算機程序算法的思想方法。（2）通過典型習題檢驗和鞏固學生的發(fā)散思維為了不斷鞏固學習效果，教學過程中教師可以適時引入一些典型習題，以訓練學生的發(fā)散思維。在學完程序的基礎(chǔ)語句和三種基本結(jié)構(gòu)之后，教師可以將典型問題做一些變形，以充分調(diào)動學生的主觀能動性。例如，針對學生熟知的概念“因數(shù)”，教師可以讓學生設(shè)計算法編寫代碼以實現(xiàn)求任意一個正整數(shù)的因數(shù)。先引導學生了解因數(shù)的概念——假如三個整數(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c的個數(shù)就是c的因數(shù)（如右圖），即可實現(xiàn)這個題目的求解。經(jīng)過教師的引導，學生利用數(shù)學知識進一步優(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，還有學生會進一步修改為c的開平方+1，又一次提高程序效率。同時，教師也可以進行進一步拓展：求c的因數(shù)的個數(shù)、因數(shù)的和、判斷c是否為素數(shù)等。一道題目多角度發(fā)散，打破學科知識、模塊知識的常規(guī)界限，讓學生在探究任務的過程中建立起知識之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，達到思維訓練的目的。（3）在學科實踐中提升學生的創(chuàng)新能力指向計算思維的學業(yè)水平考試具有多樣性和不確定性，僅僅依靠典型習題對學生的發(fā)散思維進行訓練是遠遠不夠的，還需要從日常的學科實踐入手，讓學生經(jīng)歷真實的問題解決過程，在學科實踐活動中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。例如，在科技節(jié)活動中開展編程挑戰(zhàn)，如編寫小游戲、制作簡單的網(wǎng)頁或APP等，幫助學生掌握編程語言和技能，同時激發(fā)他們的創(chuàng)新思維和解決問題的能