基于計算思維的項目式教學實踐

摘要：立足計算思維核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，對項目式教學進行探索，可以進一步提高高中信息技術學科教學的質(zhì)量。在高中信息技術學科教學中，教師基于計算思維運用項目式教學方法進行教學實踐，可通過實施項目設計、計劃制訂、實施過程、學生自評、展示交流、綜合評價等六個步驟，有效落實學生計算思維核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。關鍵詞：計算思維；項目式教學；“設計算法實現(xiàn)用數(shù)學公式計算”《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）明確了高中信息技術學科核心素養(yǎng)包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任等四個核心內(nèi)容，信息技術學科核心素養(yǎng)是學生在接受信息技術教育過程中逐步形成的信息技術基本知識、關鍵能力和方法、情感態(tài)度和價值觀等方面的綜合表現(xiàn)?！墩n程標準》修訂過程中，“計算思維”被引入信息技術學科核心素養(yǎng)中。隨著教育改革的不斷深入，如何利用有效教育方法提升學生的計算思維，是目前高中信息技術教育需要重點思考的問題之一。為此，筆者以上?？萍冀逃霭嫔缧畔⒓夹g教材必修1《數(shù)據(jù)與計算》“項目七——設計簡單數(shù)值數(shù)據(jù)算法”第一節(jié)“設計算法實現(xiàn)用數(shù)學公式計算”教學為例，探索立足學生計算思維培養(yǎng)的高中信息技術學科項目式教學。一、計算思維和項目式教學概述（一）計算思維“計算思維”最先由美籍華人計算機科學家周以真教授提出，《課程標準》對“計算思維”這一核心內(nèi)容做出了明確的界定，即計算思維是指個體運用計算科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動，具體表現(xiàn)為解決問題過程的“形式化”“模型化”“自動化”“系統(tǒng)化”。相關文獻顯示，計算思維的重要核心在于計算科學，是通過計算科學概念的有效運用對相關問題進行有效設計和求證，從而幫助學習者理解相關知識內(nèi)容，是一種維度較為寬廣的思維活動方式［1］。計算思維在教育教學中發(fā)揮著越來越重要的作用，將成為日后學生所需要具備的基礎技能之一，它與理論思維和實驗思維一樣，是新時代推動科學技術不斷發(fā)展的重要思維方式，也是促進人類社會文明不斷進步的重要動力?！墩n程標準》將計算思維作為信息技術學科的四大核心素養(yǎng)之一，根據(jù)計算機解決問題的過程和方法抽象出所要解決問題的特征，構建出計算機解決問題的結(jié)構模型，并對模型數(shù)據(jù)進行分析演算，最終形成數(shù)字化解決問題的方案，并在實踐中不斷優(yōu)化和完善。（二）項目式教學項目式教學是一種全新的教學方式，由教師帶領學生根據(jù)具體項目目標開展教學活動，是目前教學實踐中應用最為廣泛的方式之一。項目式教學作為一種現(xiàn)代教育理論，具有建構主義的基本特點，同時也充分體現(xiàn)了多元智能理論等全新的教育思想和學習理論，與傳統(tǒng)的教育教學方法存在顯著不同［2］，其主要可以分為起始階段、主體階段、項目收尾階段等三個階段。在起始階段，由教師和學生一起制訂項目任務計劃和項目工作內(nèi)容；在主體階段，由學生小組進行各項目工作內(nèi)容的分工與落實；在項目收尾階段，小組成員在全班同學面前分享與交流項目成果。項目式教學法強調(diào)學生在學習中的主體地位，要求教師在教學過程中扮演好引導者的角色，幫助學生通過合作、探究等方式順利獲得更多的知識和經(jīng)驗。在項目式教學中，教師的主要任務不再是將知識灌輸給學生，而是為學生營造良好的學習環(huán)境和學習氛圍，引導學生根據(jù)項目任務的內(nèi)容循序漸進地學習。因此，項目式教學法為學生設計了更加真實的工作環(huán)境，學生通過項目工程的任務驅(qū)動進行自主學習，并在此過程中充分調(diào)動已有知識解決遇到的問題，不斷提升實踐技能?？梢姡椖渴浇虒W法給予學生一定的學習自主性，讓學生能夠在相應的時間內(nèi)自主安排學習時間和學習計劃，并且能夠在項目完成時切實體會到學習的成果，有利于進一步提高學生的學習積極性［3］。二、基于計算思維的項目式教學法實施策略“Python程序設計”是目前中小學信息技術課程中的一項重要內(nèi)容，該語言語法簡潔清晰，提供大量內(nèi)置對象和內(nèi)置函數(shù)，編程模式非常符合人類的思維方式和習慣。與C語言系列和Java等語言相比，Python更加容易學習和使用，但這并不意味著學生可以輕松地掌握Python。學生要熟練掌握和運用Python仍需要通過大量的練習來鍛煉自己的計算思維和熟悉Python編程模式。在“Pyton程序設計”中運用計算思維，能夠充分體現(xiàn)該程序設計語言計算思維的本質(zhì)特點，幫助學生更好地拓展計算思維能力。因此，教師可根據(jù)課程的具體要求和特點，并結(jié)合學生的實際學習能力，在這一課程教學中利用項目式教學方法開展教學活動，將教學階段分為三個環(huán)節(jié)。首先，開展示范項目教學。由教師向?qū)W生展示相關知識點和程序設計方法，與學生共同完成項目任務的設計與規(guī)劃。其次，完成練習項目內(nèi)容。該環(huán)節(jié)讓學生根據(jù)實驗指導書的相關步驟指示自主完成練習內(nèi)容。最后，開展實訓項目。該環(huán)節(jié)讓學生自主選擇項目課題，按照項目式教學法的基本步驟完成相應的項目任務。在前兩個階段，教師除了教授學生相應的知識點和技能，還應該通過實際案例向?qū)W生展示計算思維的使用方法和原則，以便學生在后續(xù)的實訓項目中更好地利用計算思維開展項目任務。根據(jù)以上項目式教學法的基本步驟，筆者以“設計算法實現(xiàn)用數(shù)學公式計算”教學為例，將項目式教學環(huán)節(jié)分為六個步驟，并在教學過程中充分融入計算思維的基本原理。（一）設計項目在項目設計階段，筆者要求小組成員通過多種方式采集與整理信息，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息與教師進行溝通交流，最終選定自己的項目課題，并制訂項目課題所需要完成的任務目標。在這一過程中，筆者引導學生利用計算思維進行推理和演算，理解所要解決的問題的特征，構建計算機解決問題的結(jié)構模型，同時根據(jù)文獻和網(wǎng)絡中的相關技術資料以及學生在實際學習和生活中的相關經(jīng)驗，探討項目課題的設計是否具有意義、項目任務的實踐是否可行，再通過不斷自主提問開拓思維，循序漸進地分析和對比，選定最終的項目課題，將抽象的方法進行簡化，并對項目目標進行有效規(guī)劃和提煉，幫助學生明確項目任務的整體內(nèi)容。如在“設計算法實現(xiàn)用數(shù)學公式計算”這節(jié)課的教學中，筆者通過介紹數(shù)學家歐拉引出求解圓周率的歐拉公式，引導學生思考、討論求解過程，并把求解過程的通項公式寫在導學案上，再請一名學生在黑板上寫出自己的推導過程。這樣教學，學生可以在自主探究過程中敏銳地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的規(guī)律，構建計算思維的結(jié)構模型，全面提升數(shù)學推導能力。（二）制訂計劃在項目教學法實施過程中，制訂計劃是一個非常重要的環(huán)節(jié)。制訂明確的計劃可以幫助組織者和參與者更好地了解項目的目標和任務，明確工作方向和步驟、合理分配資源，有助于減少項目實施過程中出現(xiàn)混亂的機率，提高工作效率。為了確保人力、物力、時間等資源得到合理分配和利用，學生需要自主制訂項目計劃并組織實施，從而鍛煉自己的計劃能力和組織能力，為未來的職業(yè)發(fā)展打下基礎。在計劃制訂階段，學生通過小組交流的方式對項目內(nèi)容進行明確劃分，制訂項目內(nèi)容的實施步驟、進度計劃表、小組成員分工計劃，并以此為依據(jù)完成項目實施計劃書。在這一階段中，筆者引導學生充分利用計算思維中關注點分離的原則，對小組內(nèi)的不同成員進行科學分工指導，并根據(jù)現(xiàn)實中軟件公司的項目管理方式將小組成員分為設計小組、實施小組和測試小組三個部分，讓每個小組成員都能夠明確自己負責的項目內(nèi)容，以確保后續(xù)項目的順利實施。例如，在“設計算法實現(xiàn)用數(shù)學公式計算”這節(jié)課教學前，筆者通過導學案引導學生在小組內(nèi)進行人員分工，并制訂完成這節(jié)課任務內(nèi)容的計劃書、進度表等，做到有的放矢。有了課前的精心準備，課中小組合作探究進展比較順利，為最后取得項目成果打下了堅實的基礎。（三）實施過程根據(jù)計劃書內(nèi)容，各小組成員嚴格按照分工和項目步驟推進項目的實施。在項目實施過程中，學生常常會遇到各種細節(jié)問題，解決這些問題的過程往往有助于培養(yǎng)學生的計算思維。例如，在進行系統(tǒng)設計時，學生需要充分利用關注點分離的方式將抽象的系統(tǒng)總目錄形成具體的設計方案，并根據(jù)設計要求構建不同的功能模塊。此外，通過組內(nèi)分工的方式處理各項項目任務，也充分體現(xiàn)了計算思維的運行原則，能夠進一步提高團隊工作效率，讓每一名學生都能在規(guī)定的時間內(nèi)完成自己負責的項目內(nèi)容。在項目實施過程中，筆者參與各小組的討論、制作和解決問題全過程，關注各小組的完成度，督促、鼓勵個別落后的小組及時跟進，提醒問題的關鍵點，使得整個團體順利完成項目。如在“設計算法實現(xiàn)用數(shù)學公式計算”這節(jié)課的教學中，數(shù)學公式是計算思維的基礎，這節(jié)課的關鍵點之一在于引導學生抽象出相關的數(shù)學模型，以確立合理的計算機算法。因此，筆者引導學生思考歐拉公式中可以重復計算的規(guī)律，進一步推導用計算機循環(huán)結(jié)構解決重復計算的問題。在此過程中，學生初步形成了用計算思維解決實際問題的能力。（四）學生自評學生自評是自我認知和自我發(fā)展的重要途徑。學生通過自我評價，可以更加清楚地了解自己的學習狀況、優(yōu)點和不足，從而有針對性地制訂學習計劃，提高學習效率。當然，自我評價是建立在有效的自我反思的基礎上的，因此自我評價有助于培養(yǎng)學生的自我反思和自我調(diào)整能力，促進其全面發(fā)展。在進行自我評價階段，學生應根據(jù)自己完成的初步項目模型不斷進行優(yōu)化和升級，一方面對系統(tǒng)中存在的各種功能性錯誤進行有效糾正，另一方面借助計算思維的方式，對計算機的恢復系統(tǒng)進行升級，以此不斷優(yōu)化項目的呈現(xiàn)效果，從而得到更加優(yōu)質(zhì)的系統(tǒng)成果，為后續(xù)的項目展示奠定良好的基礎。在“設計算法實現(xiàn)用數(shù)學公式計算”這節(jié)課的教學中，筆者先引導學生在小組內(nèi)充分討論，讓學生通過激烈的爭辯逐步發(fā)現(xiàn)不足之處，再將自己的問題羅列出來，在展示環(huán)節(jié)進行自評，從而清晰地了解自己對本節(jié)課學習內(nèi)容的掌握情況，進而取長補短。這樣教學，學生的自我發(fā)展能力和自我認知能力能夠得到有效提高，自我評價能力和社會責任感也能得到增強。（五）展示交流展示交流環(huán)節(jié)是教育教學過程中的一個重要環(huán)節(jié)，為學生提供反饋和評估機會，有助于學生展示自己的學習成果、交流學習經(jīng)驗和思想，促進自主思考、相互學習和共同進步，同時提高學生的表達能力和自信心，促進相互學習和共同進步。這個環(huán)節(jié)是學生主體性的重要體現(xiàn)，也是激發(fā)學生學習欲望的有效措施。展示交流環(huán)節(jié)建立在學生深入自主學習的基礎上，通過學生持續(xù)深入自主學習，為展示交流儲備知識和設置問題，這樣的展示交流才有深度、有廣度、有熱度。學生在課堂中積極展示交流，贏得師生的肯定和贊譽，享受成功的喜悅，從而以更大的熱情投入到自主學習中，可見，展示交流和自主學習環(huán)節(jié)兩者是相輔相成的關系。例如，在“設計算法實現(xiàn)用數(shù)學公式計算”這節(jié)課的教學中，項目式教學進入項目收尾階段時，筆者要求每個小組推選一名成員講述項目的實施過程，并要求其他小組提出問題，讓小組成員針對具體問題提出自己的解決思路。這樣一來，小組成員能夠更好地厘清自己在完成項目過程中的知識習得途徑和思維方式，也能夠更加準確地用語言展現(xiàn)自己的思維過程，為其他小組的學習提供有效借鑒，進一步拓寬班級學生的思維，不斷提升計算思維，也為下一步的綜合評價打下基礎。在完成自評之后，每個組的成員在全班同學面前展示自己的項目成果，并說明在進行系統(tǒng)設計過程中出現(xiàn)了什么問題、小組成員通過什么方式解決問題。筆者和其他小組成員再針對性地提出自己的疑問，讓展示小組的成員針對問題做出回答。在本節(jié)課的展示交流環(huán)節(jié)，筆者鼓勵學生大膽分享自己的學習經(jīng)驗和思維方式，同時提出自己的問題和困惑，并尋求他人的幫助和解答。在這樣的展示交流中，學生實現(xiàn)了思維碰撞，能夠更加深刻地理解知識點，進而全面提高自己的計算思維。（六）綜合評價綜合評價可以讓學生更加全面地了解自己的學習情況，從而有針對性地改進學習策略。當然，綜合評價需要客觀、公正地進行評價，避免主觀因素的影響，有助于促進教育公平。在教學環(huán)節(jié)結(jié)束后，教師應當詳實記錄學生在項目完成過程中的細節(jié)和表現(xiàn)，同時要求學生對自己的任務完成過程進行客觀評價，并對小組中其他成員的表現(xiàn)進行評價，這樣才能充分體現(xiàn)項目式教學法中的過程性評價要求。評價不應局限于小組成員的學習結(jié)果，還要充分考慮小組成員展示出的計算思維能力、合作能力等，最終通過多元評價的方式完成對學生的最終評價，確保學生的評價結(jié)果客觀、全面、真實。在本節(jié)課的綜合評價環(huán)節(jié)，筆者進行了量化記錄，制訂了專門的量化記錄表格，包括問題解決能力、算法設計能力、數(shù)據(jù)處理能力、團隊協(xié)作能力等，每個評價項目都有相應的評價標準和評分范圍。這種量化表格得到了學生的認可，便于學生根據(jù)量化要求進一步規(guī)范學習過程。此外，這樣的量化記錄為筆者進行過程性評價積累了客觀詳實的材料，提升了綜合評價的效果。三、基于計算思維的項目式教學法在實踐中的注意事項（一）要引導學生理解計算思維的基本原理教師向?qū)W生教授適量而準確的知識，能夠幫助學生將無意識的學習轉(zhuǎn)化為有意識的學習，將潛在的學習能力轉(zhuǎn)化為技術技能，進一步提高學習質(zhì)量和學習效率。教師通過分解項目任務、細化項目任務，再逐一根據(jù)項目任務展開探究、合作、反復訓練，不僅可以加深學生對計算思維的理解，而且可以讓學生將計算思維能力逐漸內(nèi)化成自主學習能力，幫助學生在日后的學習和工作中更加靈活地運用技能，有效提升學生的綜合素養(yǎng)。如在“設計算法實現(xiàn)用數(shù)學公式計算”這節(jié)課教學中，筆者把知識點分解并細化，以導學案為綱，引導學生一步一步深入理解循環(huán)結(jié)構，易于學生接受、理解；同時，通過對問題的自主探究、合作探究，體驗算法計算速度和效率，使學生形成了計算機程序控制結(jié)構的概念，在一定程度上具備了運用核心知識解決問題的能力。（二）要為學生創(chuàng)造良好的計算思維環(huán)境要培養(yǎng)學生的計算思維，不能只是依靠教師傳授計算思維的原理、原則和方法，還需要教師為學生設立良好的學習情境，以進一步加深學生對計算思維的理解，使學生真正實現(xiàn)計算思維的內(nèi)化吸收。例如，筆者在教學過程中，一是通過各種媒介為學生展示豐富的教學案例，讓學生對案例進行深入探索，逐漸認識了計算思維的基本圖形；二是將學生帶入真實的工作環(huán)境中，讓學生在真實的工作環(huán)境中解決實際問題，逐漸掌握計算思維的應用方式；三是為學生創(chuàng)設更加輕松、更加民主、更加和諧的學習環(huán)境，創(chuàng)造獨立思考的空間，使學生能夠針對教師提出的問題進行深入探究，充分調(diào)動學生的學習積極性和主動性，進一步活躍學生的思維。（三）要建立多元評價體系在落實項目式教學法過程中，教師通常會選擇具有一定復雜性和一定規(guī)