基于计算思维的信息科技学科实践设计与实施.pdf

27SEP.2023 NO教研视点义务教育信息科技课程标准（2022年版）（以下简称“义教新课标”）指出，义务教育信息科技课程具有基础性、实践性和综合性1，实践性作为信息科技课程性质之一，凸显了学科实践在落实信息科技学科育人价值中的重要性。从信息科技的学科实践视角来看，很多真实问题的解决过程或不同领域使用的软硬件产品或应用系统，都会融合科学原理、思维方法与处理过程，从而达到工程实现。因此，信息科技学科实践主要指向科学原理的探究及运用过程、运用学科思维解决问题的过程和信息处理与实现的过程等，驱动学生主动参与、积极实践与意义建构，促进学生对信息科技学科本质的理解，从而帮助学生逐步形成核心素养。基于计算思维的学科实践内涵计算思维是信息科技学科特有的学科思想，即用计算机科学领域的思想方法去进行问题求解。基于计算思维的学科实践，是具有信息科技学科特质的学科实践路径，其遵循计算思维特征及其过程要素，将学科知识包裹在问题情境中，以问题解决为主线，按照计算思维的学科思想，沿着问题界定、问题分析、问题求解、迁移应用的学习逻辑开展实践探究活动，培养学生的核心素养。基于计算思维的学科实践设计要点1.体现学科实践的目标计算思维是学生核心素养中的一个重要维度，在基于计算思维的学科实践设计中，教师要深入理解计算思维的特征及过程表现，运用计算思维开展实践探究学习，在真实且富有意义的问题探究与解决中深化对学科知识的理解、建构与迁移运用，有效培养学生的计算思维，并与核心素养的其他三个方面相互支持与渗透，共同促进学生核心素养的发展。2.促进学科理解的路径基于计算思维的学科实践，要注重育人目标的整体性，明确不同学段计算思维的发展目标；要明晰学习内容的适切性，针对不同学段的内容模块，选择适合运用计算思维开展学科实践的学习内容；要关注实践路径的多样性，针对不同学段素养目标与不同学习内容特征，设计相应的学科实践路径。基于计算思维的信息科技学科实践 设计与实施洪优萍 浙江省杭州市高新区（滨江）教育研究院摘要：基于计算思维的学科实践是具有信息科技学科特质的学科实践路径，是实现信息科技课程独特育人价值的突破口。作者在界定基于计算思维的信息科技学科实践内涵的基础上，提出了学科实践的设计要点，即关注育人目标的进阶性、学习内容的适切性和实践路径的多样性，并展开实践。关键词：计算思维；学科实践；信息科技中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2023）17-0027-04 28中国信息技术教育教研视点3.基于计算思维的线索运用计算思维解决问题的过程包含问题界定、抽象建模、算法设计、验证优化、迁移运用等关键要素。学科实践则是引导学生体会学科思想方法，经历发现问题、解决问题、建构知识、运用知识的过程。基于计算思维的学科实践，是以计算思维为引领，从而建构“问题界定抽象建模算法设计验证优化迁移运用”的学科实践线索。基于计算思维的学科实践实施策略1.厘清计算思维学段特征，明确实践目标依据义教新课标对计算思维学段特征、学段目标的阐述，可以明确计算思维在不同学段的具体发展目标，体现了计算思维的循序渐进和螺旋式发展。第一学段能用语言描述问题解决的过程；第二学段要针对实际问题或学习需求，将问题进行过程分解，能用图示或文字等方式描述问题解决的顺序；第三学段通过体验身边的算法，能对问题展开分析，用自然语言和流程图等方式描述算法，并验证或编程实现，然后对其进行优化；第四学段要能在真实情境中发现问题，提取问题特征，制订并执行解决方案，反思优化并迁移运用。如表1所示，在进行计算思维目标设计时，要依据不同学段特征，明确学科实践的进阶发展目标。2.立足计算思维问题情境，形成实践主题在进行基于计算思维的学科实践过程中，要以学科知识为基础，与现实生活中的真实问题相关联，依据计算思维学段目标，选择能用计算思维的实践路径来解决的问题情境，从而形成学科实践的探究主题，增强学生认识真实世界、解决真实问题的能力。例如，自动控制灯 案例源于信息科技课程第三学段的“过程与控制”模块。教师结合本模块的内容要求及学业要求，对本项目中的学科知识进行结构化梳理，本模块主要包含“系统与模块”“反馈与优化”“逻辑与运算”三个部分，具体如图1所示。为了更好地将学科知识与核心素养融合，笔者设计了本案例的学习目标（如下页表2），将其与核心素养相对应。围绕学习目标，教师首先尝试将学科知识与学生经验、现实生活、表1 学段模块案例计算思维进阶目标第二学段在线学习与生活网络安全宣传员能根据需要选用合适的数字设备解决问题，并简单说明理由。在简单问题的解决过程中，有意识地把问题划分为多个可解决的小问题，通过解决各个小问题，实现整体问题的解决第三学段身边的算法亚运知识问答器能抽象学习与生活中简单问题的基本特征，依据相关功能进行问题分解，对于给定的任务，能将其分解为一系列的实施步骤，使用顺序、分支、循环三种基本控制结构简单描述实施过程，并通过程序编写实现，形成解决问题的方案第四学段物联网实践与探索自动灌溉系统能根据需求，设计和搭建简单的物联系统原型，体验其中数据处理和应用的方法与过程。知道网络中信息编码、传输和呈现的原理。能通过软件与硬件相结合的项目活动采集、分析和呈现数据图1“过程与控制”内容模块知识结构29SEP.2023 NO教研视点社会实践链接，依据学生的认知经验与学习基础，选择生活中常见的控制系统，以“自动控制灯”为应用场景，提出驱动性问题：“生活中的灯有时无法满足我们的需求，如何使用控制系统来解决这些问题？”接着，根据计算思维的实践路径，将驱动性问题拆解为六个子问题：“生活中的灯存在哪些问题？”“如何让灯从手动控制转变为自控制或让自动控制更加精准？”“该怎样从控制系统的环节入手进行设计？”“如何实现一个仿真的控制系统？”“小组实现的自动控制灯存在哪些值得改进的地方？”“控制系统还可以来解决哪些问题？”通过子问题的解决来解决大问题，以此推动实践线索的设计。3.基于计算思维过程要素，设计实践线索在基于计算思维的学科实践中，教师可以依据计算思维的过程要素，沿着“问题界定抽象建模算法设计验证优化迁移运用”的流程设计实践线索。问题界定是解决问题的第一步，明确当前问题可以用计算思维来解决，运用化繁为简、化大为小的思想，将问题分解为多个可以解决的小问题或者小模块。抽象建模是从具象到抽象的过程，抓住问题的核心，提取关键要素，得到问题的形式化表达，构建真实问题自动化求解的模型，为下一步计算机自动化求解做准备。算法设计是将求解问题进行分步骤解决方案的描述，可以运用算法的三种基本结构来进行表述，并转变为计算机能够理解的语言。验证优化是验证解决问题的过程，以此来反思并优化问题解决的方案。迁移运用是在解决一个具体问题后进行的总结归纳，形成解决问题的方法，并将其迁移运用到其他问题求解中。例如，亚运知识问答器 一课是立足学校开展的社会实践活动，教师可以以“如何设计一款亚运知识问答器”为问题驱动，以其中一个子活动“如何设计具有基本功能的知识问答器”为例，聚焦核心概念分支结构，让学生通过经历基于计算思维的实践线索解决问题，具体过程如表3所示。4.遵循计算思维发展规律，调整实践进程计算思维在不同学段有相应的特征与目标，在开展基于计算思维的学科实践活动中，要依据不同学段的具体要求，动态调整实践进程。第一学段和第二学段的要求相对较低，能用语言、图示或文字等方式描述问题解决的过程，则可以将实践路径调整为：问题界定抽象建模算法设计。第三学段能对问题展开分析，用自然语言和流程图等方式描述算法，并验证或编程实表2 核心素养学习目标信息意识能认识到过程与控制系统普遍存在于日常生活中计算思维能发现大的系统可以由小的系统组成，不同的系统中存在相似的组成部分；能识别系统中的输入、计算、输出环节，能理解反馈在系统中的作用，能分辨输入与输出环节中的数据是开关量还是连续量，并能运用逻辑和数值运算设计简单的处理环节数字化学习与创新能利用在线平台和工具寻找生活中的过程与控制场景，能设计用计算机实现过程与控制的方案，并在实验系统中通过编程等手段加以验证信息社会责任能理解用计算机实现过程与控制时存在的安全问题，了解自主可控的系统在解决安全问题时的重要性表3 实践线索学习内容问题界定通过观看 一站到底 视频片段，感悟人与人之间询问交互的方式，通过调用已有的认知经验，引发学生思考：如何确保人人都能参与亚运知识问答竞赛抽象建模聚焦问题，明确关键功能（提问、回答、判断对错），提取关键要素（问题、回答、答案），并进行文字形式化表达，建立模型算法设计根据抽象建模的结果，合作探究，设计算法并填写流程图，归纳询问交互算法属于分支结构，明确分支结构的输入、执行和输出流程验证优化根据算法，编写询问交互脚本，进一步分析利用“侦测”模块中的“询问”积木块实现提问，利用“回答”来保存输入信息，利用“如果那么否则”积木块来实现“判断对错”，学生在实践中深刻理解分支结构的执行过程迁移应用讨论“我的知识问答器还有哪些地方可以优化”？根据优化创新思路，对需求分析、角色功能进行补充，从而明白程序项目的设计流程就是在“设计优化再设计再优化”的迭代中不断完善30中国信息技术教育教研视点现，再对其进行优化，则可以将实践路径调整为：问题界定抽象建模算法设计验证优化。第四学段能提取问题特征，制订并执行解决方案，反思优化并迁移运用，则实践路径为：问题界定抽象建模算法设计验证优化迁移运用。在学科实践活动中，教师也要关注学科实践的实际学习进程，根据学生计算思维的发展情况，对学科实践路径进行动态调整。在解决较为复杂的情境问题时，运用模块化思想，将大问题分解成小问题，运用计算思维的实践线索逐个解决小问题，以此实现问题的整体解决。基于计算思维的学科实践实施成效1.立足学科思维，形成多维实践路径在设计与实施的过程中，教师可以依据不同学段学生的认知规律以及课程内容模块的性质，动态选择计算思维的过程要素，形成多样化的学习线索（如图2）。不同的问题情境有不同的复杂度，针对简单的问题，教师可以围绕计算思维的过程要素进行解决。针对较为复杂的问题情境，就需要通过模块化思想来设计与实践。如图3所示，以问题解决为逻辑线，遵循模块化思想，将计算思维线融入其中，通过自顶向下设计、自下而上实现的实践路径，实现问题解决。2.基于学科实践，助力学教方式转变在实践研究中，基于学科实践特征，能够形成基于计算思维的学科实践新路径，助力学教方式的转变，从而实现了从知识为本转向素养为本，真正为学生的核心素养发展服务，同时促进了学习内容的转向，实现了素养导向的课堂建构。3.促进学科理解，发展学生核心素养基于计算思维的学科实践，是具有学科特质的实践路径，它以问题情境为驱动，引导学生经历计算思维发展的全过程，实现知识的建构与应用，提升问题解决能力，促进学科理解，逐步发展学生核心素养。结束语基于计算思维的学科实践，是具有信息科技学科特质的学科实践路径。教师在设计时，不仅要理解基于计算思维的学科实践内涵，而且要关注育人目标的进阶性、学习内容的适切性和实践路径的多样性。在实施过程中，教师应遵循计算思维的过程要素、学段特征和发展规律等来设计学科实践路径，开展学科实践活动，助力学生核心素养的发展，实现信息科技课程的独特育人价值。参考文献：1中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）S.北京：北京师范大学出版社，2022.2中华人民共和国教育部.义务教育课程方案（2022年版）S.北京：北京师范大学出版社，2022.图2 基于计算思维的多维实践线索图3 基于模块化思想的实践线索