面向计算思维培养的Python编程课程项目式学习实践——以“选择结构：智能抗疫小助手”一课为例.pdf

.计算思维培养专题面向计算思维培养的Python 编程课程项目式学习实践一以“选择结构：智能抗疫小助手”一课为例张鸣上海对外经贸大学附属松江实验学校花园分校上海2 0 16 9 9摘要：计算思维在中小学阶段的重要性日益凸显。本文提出面向计算思维培养的项目式学习模型：内容层以编程知识为主导，通过设计核心问题链驱动教与学；教学层融合计算思维的五大要素，构建项目式学习流程框架；目标层以计算思维培养为主要目标，具体包括分解、抽象、算法、评估及概括。在理论模型的指导下开展教学实践，结果显示该理论模型可有效提升学生的计算思维。研究发现，通过设计核心问题链驱动教与学，促进学生问题分解思维、抽象思维的发展；用分步骤支架教学策略，促进学生算法思维的发展；注重合作与反思教学策略，促进学生评估思维、概括思维的发展。关键词：计算思维；Python教学；项目式学习；编程教学中图分类号：G633.67文献标识码：A文章编号：16 7 2-0 2 45（2 0 2 3）0 3-0 0 2 1-0 9一、引信为适应新时代，义务教育信息科技课程逐步改革，将编程教育纳人课堂。现已明确，计算思维是学生在中小学阶段应具备的核心素养之一。国务院2 0 17 年颁布的新一代人工智能发展规划明确指出在中小学阶段逐步推广编程教育【1)。义务教育信息科技课程标准（2 0 2 2年版）（以下简称“新课标”）明确将计算思维定为中小学信息科技学科的核心素养。然而，一线教师在具体实施过程中仍存在很多问题，如教学方法单一、不重视计算思维的培养等，在中小学的编程课堂中，如何对学生的计算思维进行有效的培养成为广大学者研究的问题二、项目式学习与计算思维培养的适切性计算思维是解决问题过程中多种思维技能的交互，其中蕴含不同的思维要素。新课标指出，计算思维作为核心素养之一，是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的分解、抽象、建模、算法设计等思维活动。本文结合新课标和塞尔比（Selby）等人提出的标准【2】，认为计算思维应包括分解、抽象、算法、评估和概括这五个要素。其中，一是分解，即学生能够将复杂的问题分解为一个个可操作的子问题；二是抽象，即学生能够找到解决问题的关键；三是算法，即学生能够将解决问题的步骤用流程图、自然语言等进行描述，并具体验证；四是评估，即学生能够对算法或问题解决方法进行判断与估测，从中选出最优策略；五是概括，即学生能够对问题进行感知与思考，与已有的经验建立联系，并能将其迁移应用。新课标要求下计算思维的构成要素如图1所示。期第年技术育传播教echnologyOmiLcucatlona理解问题的含义，能够将复杂分的问题分解为一个个可以操作的问题抽象把复杂的问题与思想简单化，新课标计算思维要求能对问题进行抽象、分解、建模，找到解决问题的关键计算思维的构成并通过设计算法形成解决方案用某种形式制定一系列有序的算法步骤，比如流程图、自然语言能尝试模拟、仿真、验证解决问思维导图等，并让计算机实现题的过程能够对算法或问题解决方法进能反思、优化解决问题的方案，评行判断与估测，从中选出最优并将其迁移应用于解决其他问题估策略，以便问题能够得到更好的解决即学生能够对问题进行感知与思考，与已有的经验建立联系，并能将其迁移应用图1新课标要求下计算思维的构成要素怎样将计算思维的培养融人编程课堂？胡卫平指出，面向思维培养的课堂应更加注重引发学生思考，引导学生积极探究、合作交流等，进而加速学生的认知过程3。项目式学习是一种强调以学生为中心，学科交叉、协作学习、自主探究，与生活实际相联系的学习模式4,学习者可以在项目实践活动中主动探究与构建知识，其实施的基本流程主要分为以下六个环节(图2)。6.总结评价1.主题确定5.成果交流2.制定计划4.作品制作3.活动探究图2项目式学习实施的基本环节项目式学习的构成要素有项目情境、项目内容、项目活动以及项目结果5，而计算思维的培养强调学习情境、问题链的设计、实践活动，以及迁移应用6 。两者都是强调通过创设学习情境，关注问题解决过程，设计实践活动，以更好地帮助学生的学习，存在一定的契合点，如图3 所示。两者契合点项目学习创设情境设计实践活动计算思维培养学生的学关注问题解决过程图3计算思维与项目式学习的契合点因此，本研究在计算思维以及项目式学习理论的指导下，结合七年级学情、教学环境等具体情况，设计并实践了面向计算思维培养的项目式学习，旨在为在初中Python课程教学中培养学生的计算思维提供参考。三、面向计算思维培养的项目式学习模式设计关于计算思维的教学模式主要分为插电模式和不插电模式。插电模式即利用各类计算机技术开展教学，在学习环境中利用丰富的编程工具将计算思维融人。不插电模式即很少使用或不使用各类计算机技术开展教学活动7 。本文在研究插电模式的基础上，探究在编程课程中结合项目式学习与计算思维培养之间的契合点来设计教学模式。计算思维培养专题本研究以建构主义学习理论和“做中学”理论为依据，以项目式学习的基本流程为参考，以Python知识为具体教学内容，构建面向计算思维培养的项目式学习模式。具体来说，主要分为三层：内容层以问题链为主，强调运用Python编程知识解决实际生活中的问题；教学层构建“三阶段五环节”的编程教学基本流程；目标层是计算思维的培养。（一）内容层教学内容是Python编程课程中培养学生计算思维以及顺利开展教学的基本依据。具体的教学内容应包含学习主题的确定、学习者分析、问题链的设计、教学重难点内容的设计。本研究以Python编程课程中的“选择结构”为具体教学内容，并结合学生实际，设计层层递进的问题链，旨在培养学生利用Python编程知识解决实际问题的能力，从而培养学生的计算思维。（二）教学层教学层是培养学生计算思维的重要途径，主要包括教学模式的构建、教学基本流程的搭建，以及教学过程中教学方法与策略的选择等。本研究结合项目式学习的基本流程，构建“三阶段五环节”教学基本流程。三个阶段分别为项目前期、项目开展期、项目后期。五个环节具体如下：“创设情境，引出项目主题”环节，教师引导学生发现实际问题，激发其兴趣，从而引出项目式学习的具体内容；“制定项目计划”环节，学生在小组内分析项目，以更好地理解项目，并进一步制定计划；“活动探究，制作项目作品”环节，教师引导学生进行角色分析、通过流程图建立数学模型，并结合模型设计优化算法；“活动拓展，升级项目作品”环节，教师引导学生运用所学的算法知识升级作品，实现对知识的综合运用；“作品评价，反思项目流程”环节，教师引导学生交流评价，反思创作的过程。（三）目标层目标层是指学生应具备的计算思维要素本研究结合新课标、塞尔比等人提出的标准8,认为计算思维应包括分解、抽象、算法、评估和概括。计算思维的评价是在科尔克马兹（K o r k m a z）等人的计算思维量表基础上设计问卷，并对问卷题目进行信效度的分析。面向计算思维培养的项目式学习模式，具体如图4所示。问题分解内容层项目前教学层创设情境，引出项目主题制定项目计划抽象Python问目标层题活动拓展，升级项目作品活动探究，制作项目作品估项目开展期算法图4面向计算思维培养的项目式学习模式四、面向计算思维培养的项目式学习案例本研究以“选择结构：智能抗疫小助手”一课为例，在实践教学中落实面向计算思维培养的项目式学习（一）内容设计1.项目主题分析与问题设计项目式学习主题来源于浙教版Python课程中的“选择结构”。本研究在课堂导人环节以视频形式引导学生思考：“新冠疫情期间看病存在什么问题？”以此引出主题，即制作“智能抗疫小助手”。接下来设计“基础的智能抗疫小助手应能判断患者的什么病情？”“怎样利用流程图构建出功能实现的过程？”“怎样24期第年利用Python知识在软件中实现此功能？”等一系列问题，形成核心问题链，引导学生在解决问题的过程中研究新知，探究出实际问题中的未知条件、已知条件及受限的条件。2.学情分析七年级学生在心理特征方面能够自觉地根据教学要求知觉有关事物，其抽象思维开始具有优势，但理性思维的发展还很有限，问题解决能力有待加强。学生在学习Python编程时，需要思考分析并找出解决方法，与之前传统信息课程的学习相比，存在着很大的不同。学生因而容易在学习中产生放弃的想法。在知识准备方面，七年级学生已经掌握了常用的数据类型、输入输出函数、顺序结构。在此基础上，学生更容易理解本节课所学的选择结构。不过，学生利用选择结构程序语言解决生活中问题的能力还有待加强3.教学内容分析本节课学生须掌握的主要知识点是选择结构的含义以及分类、格式要求等，分析如表1所示。本节课的重点内容是引导学生理解并使用选择结构的单分支if语句、双分支if语句，以及多分支if.elif.else语句的一般格式及使用方法。难点内容是学生要能够利用选择语句解决生活中的实际问题。为突破重难点内容，通过联系生活实际，设计面向计算思维培养的项目式学习，帮助学生分析问题和解决问题，提高学生解决复杂问题的信心。表1选择结构知识点分析教学模块知识点重难点选择结构的含义选择结构在生活中的应用选择结构的分类：重点单分支结构；双分支结构；if语句的嵌套；多分支结构选择结构选择结构语句的格式要求：双分支结构：if.else语句重点多分支结构：if.elif.else语句利用选择结构描述问题的求解难点(二）教学流程设计与实施本案例教学环节细分为“创设情境，引出教师行为项目前期学生行为课前准备：教学内从问题出发，共同确定项目问题分解思维容分析、学情分析引出项目主题明确项目计划抽象思维创设问题情境、引导指定项目计划学生了解项目主题引导学生制定项目角色分析根据反馈指导新项目活动的开展计划建模，画流程图引导学生分析角色问题分解思维项目开展期学习新知，抽象思维讲授新知，提供学活动探究，制设计算法算法思维习支架作项目作品评估思维调试优化概括思维引导学生制作项目活动拓展，升程序算法作品级项目作品算法迁移应用：项目后期升级项目作品组织学生作品评价作品评价，反评估思维作品评价交流项目活动反思思项目流程概括思维图5面向计算思维的项目式学习流程项目主题”“制定项目计划”“活动探究，制作项目作品”“活动拓展，升级项目作品”“作品评价，反思项目流程”。面向计算思维的项目式学习具体流程如图5所示1.创设情境，引出项目主题分解思维、抽象思维教师播放相关视频并启发学生思考：新冠疫情期间看病的烦恼有哪些？总结出两个主要问题：问题1为患者去医院前，若未提前在线上预约挂号，则需要花费大量时间到现场排队，付出的时间成本较高；问题2 为新冠疫情形势复杂多变，患者去医院担心被感染教师总结，引出项目主题：为解决新冠25计算思维培养专题疫情期间患者就医过程中存在的问题，学习Python知识，创建智能抗疫小助手。项目设计意图为：通过播放视频，引发学生思考新冠疫情期间就医存在的问题，引导学生利用所学的Python知识解决问题，激发其学习兴趣，培养学生的问题分解思维与抽象思维。2.活动探究，制作项目作品分解思维、抽象思维、算法思维、评估思维（1）活动一：角色分析学生完成项目活动一中的角色分析：一个最基础的智能抗疫小助手，首先应能判断患者的什么病情？判断的标准如何？讨论结果：它首先应能判断患者体温是否正常。一般体温高于3 5.9 摄氏度，低于3 7.2 摄氏度为正常，否则体温不正常。（2）活动二：建模，设计流程图教师提供单分支结构（图6）与双分支结构（图7）两种不同结构类型。学生在小组合作中选择不同结构类型，将智能抗疫小助手基础功能流程图补充完整。设计流程图，可引导学生理解智能抗疫小助手判断患者体温的这print（智能抗疫小助手小自为您服务，请您正确输入您的信息）T=float（i n p u t（请输入您的体温：）if35.9T37.2:print(体温不正常）ifT35.9:print(体温不正常)图8学生作品1一单分支结构程序（4）活动四：调试优化程序算法教师引导学生总结编码过程中的问题比如，input直接输人的是字符串类型的数据，要利用float进行数据的转换。要注意分支结构的格式，比如，每个分支结尾需要加冒号，else后面不能加语句本环节的设计意图旨在引导学生将复杂问题进行化简。先引导学生分析智能抗疫小助手的基础功能，完成对算法自然语言、流程图的描述。接着引导学生对常规问题的求解条件是语句A图6单分支结构一基础功能。在此过程中，教师可以引导学生用数学表达式描述判断温度的过程。否条件是语句A语句B图7双分支结构（3）活动三：结合模型设计算法学生完成流程图后，要思考怎样在Python中实现这个程序。教师鼓励学生讨论2 个问题。问题1：计算机怎样判断患者的不同温度？问题2：计算机如何根据不同的温度作出相应的提醒？教师提供学习资料包一一分支结构分类、语法规则。资料包括：单分支if语句及其语法规则、双分支if语句if.else语法规则、多分支结构if.elif.else语法规则。小组学生学完新知后，在软件中编写程序。学生代表讲解不同分支结构之间的异同点，教师总结。单分支结构程序和双分支结构程序的学生作品如图8、图9 所示。print（欢迎使用智能抗疫小助手，愿您身体健康！）T=float（i n p u t（请输入您的体温：）if35.9T=37.2:print(体温正常)else:print（体温不正常！）图9学生作品2 一双分支结构程序步骤模型抽象、对问题概括，最后归纳出类似于一般公式的样式。以这条主线为支架，小组学习设计Python程序，并能够比较不同结构模型之间的异同点，最终完成知识的自我建构。在这个过程中，进一步培养学生的问题分解思维、抽象思维、算法思维、评估思维。3.活动拓展，升级项目作品一问题分解思维、抽象思维、算法思维、评估思维、概括思维活动五：算法的迁移应用26期第年（续表ecnnoIooytducational教师提出新的探究问题，引导学生开展活动五。当体温高于3 7.2 摄氏度时，智能抗疫小助手应及时提醒用户到医院进行血液检测，并能够根据检测结果向用户提出不同的建议。学生进行小组合作，进一步完善流程图。教师鼓励学生讨论如下问题。问题1：新产生的这段选择结构应添加在已完成的程序的哪个部分？问题2：怎样表达血液检测的结果，才能让程序理解？小组讨论后，总结得出在患者发热的情况下需要验血来进一步查明情况，故而这一段新的选择结构应该在发热分支结构内，验血的结果可以通过输人字符串或者数字来表示。学生的算法作品升级版智能抗疫小一助手如图10 所示。设计意图为通过教师的鼓励，引导学生根据实际情况升级智能抗疫小助手的功能，并不断尝试利用Python语言实现。教师引导学生总结计算机解决问题的过程与方法，并将其迁移到类似问题的解决过程中，以培养学生的问题分解思维、抽象思维、算法思维、评估思维、概括思维。print（智能抗疫小助手小自为您服务，请您正确输入您的信息）T=float（i n p u t（请输入您的体温：)）if35.9T37.2:print（请到医院进行血液检测）slip=int(input(请输入血液检测的结果：l：细菌感染2：病毒感染3：)ifslip=l:print（“请吃抗生素类的药物，例如头孢等）elif slip=2:print（请吃抗病毒类的药物，例如蒲地蓝口服液等）elifslip=3:print(请到医院进一步检查）else:print(请正确输入体温！)图10学生作品一一升级版智能抗疫小助手4.作品评价，反思项目流程一评估思维、概括思维活动六：反思评价小组学生代表展示作品。展示的内容主要包括作品功能、本小组成员的分工、在制作作品的过程中遇到的困难及其解决措施，尝试说出作品目前存在的问题与未来改进的方法。各小组之间进行互评，教师依据各小组在课堂的表现评分并及时反馈学生作品存在的问题。作品评价表如表2 所示。表2作品评价表指标评分指标指标描述分值语言准确、概括性较高流程图设计20分思路清晰、内容完整算法设计符合逻辑算法设计40分算法简捷、运行流畅指标评分指标指标描述分值对问题理解透彻，符合实际，项目成果的能够满足需求20分创意构思巧妙、更加人性化组员分工明确、互相支持、配合默契团队意识20分组员之间及与外界交流、展示能力设计意图为通过各小组之间交流设计成果，学生在交流中取长补短，发现自己作品存在的问题并积极思考解决方法，在此过程中培养学生的评估思维、概括思维。最后，教师通过课堂总结思维导图（图11）引导学生总结所学的知识，并对思考过程进行反思。这是教师促进学生建构合理的知识体系、归纳知识方法的阶段。计算思维培养专题1.用户输人体温角色分析2.根据不同体温作出不同的判断基础版智能抗疫小助手流程图智能抗疫小助手1.设计算法升级版智能抗疫小助手流程图单分支结构程序设计if语句双分支结构2.编写程序if-else语句3.调试程序多分支结构if-elif-else语句图11课堂总结思维导图五、面向计算思维的项目式学习模式的效果检验及分析(一)1问卷设计及研究过程研究基于科尔克马兹等人的计算思维量表，从分解、抽象、算法、评估、概括五个维度来设计量表，每个维度4道题，最终确定问卷的题目为2 0 道。对问卷的信度进行了检验，得到分解、抽象、算法、评估、概括五个维度的克隆巴赫系数（Cronbachs）分别为0.7 2、0.75、0.7 1、0.8 0、0.7 4，有效作答问卷8 2 份，问卷总体的克隆巴赫系数为0.9 0，可见问卷具有良好的信度。本研究主要采用准实验研究法，选取上海某中学七年级两个班共8 2 名学生为研究对象，其中实验班42 人，对照班40 人。实验班采用面向计算思维培养的项目式学习模式与流程开展教学，对照班采用传统教学模式进行教学，两个班级的信息课程成绩水平相当，且由同一名信息教师进行教授。(二）实验结果分析在实验研究开始之前，对两个班级进行了一次计算思维的测试，结果显示两个班级的计算思维能力水平相当。在进行了一个学期的实验后，再次对两个班级的计算思维进行测试，结果显示实验班的学生在计算思维的五个维度上均有一定的提升，且整体得分均值73.42要高于对照组均值6 0.2 1，前后测具体结果如表3 所示。依据以下数据结果可得知，面向计算思维培养的项目式学习模式与流程可有效地提升学生的计算思维能力。表3 计算思维前后测数据计算思维构成要素分解抽象算法评估概括整体实验班均值12.5013.5212.6311.4810.2159.06前测对照班均值11.3811.9213.6411.6011.2556.55实验班均值14.2015.6015.5113.5014.3273.42后测对照班均值12.7012.8114.3212.6511.5660.21（三）研究结论与发现一是面向计算思维培养的项目学习模式与流程可有效提升学生的计算思维。本研究构建了面向计算思维培养的项目式学习模式。该理论模型包含内容层、教学层和目标层，三层之间相互关联，层层递进，更好地促进学生高阶思维能力的形成。内容层将编程教学与计算思维相融合。教学层构建了面向计算思28期第年维的项目式学习流程框架，在实践中提升学生的计算思维能力。通过编程内容的设计，到教学模式、流程的构建，最终指向学生计算思维能力到达目标层，目标层在理论模型的指导下开展具体案例的设计与实施。经数据分析，计算思维整体维度（p=0.0040.01），表明学生经过一个学期的项目式学习，计算思维得到显著提升。二是面向计算思维培养的项目式学习模式可有效提升学生的分解思维、抽象思维、算法思维、评估思维与概括思维。面向计算思维培养的项目式学习模式通过设计问题链与具体的项目活动，在学生解决问题、完成任务的过程中培养其分解思维、抽象思维与算法思维。经数据分析，分解思维（M1前测=12.50，M后测=14.2 0）、抽象思维（M前测=13.52，M后测=15.6）、算法思维（M前测=12.6 3，M后测=15.51）得到有效提升。在项目后期，引导学生对作品进行反思、评价、交流，进一步提升学生的评估思维与概括思维。经数据分析，评估思维（M前测=11.48，M后测=13.5）、概括思维（M前测=10.2 1,M后测=14.3 2）得到有效提升。六、总结与思考（一）通过设计核心问题链驱动教与学，促进学生问题分解思维、抽象思维的发展张蕾提出，应将问题的设计作为培养计算思维的WPBL模型的关键要素9 。本研究通过设计一系列问题来驱动学生的学，在注重知识传授的同时，更加注重学生思维的过程。在教学过程中设计一系列核心问题，与学生进行有效对话，在问答中引导学生将思维过程外化，启发学生将所学知识与已有知识建立联系，有效地促进学生问题分解思维、抽象思维的发展。（二）利用分步骤支架教学策略，促进学生算法思维的发展本研究注重编程知识从易到难，将教学分成不同的步骤，使学生经历算法的设计、描述、实现等过程，从而引导学生掌握利用算法知识描述问题的一般过程。例如，在“选择结构：智能抗疫小助手”一课中，根据学生的认知结构、教学重难点等分解教学，细化项目活动，引导学生掌握思维形成的过程。通过六个项目活动，为学生提供明确的学习任务，在建模、设计流程图的项目活动中，为学生提供分支结构学习资料包，学生在此基础上选择其中一种结构为智能抗疫小助手的功能设计流程图，将抽象的知识具体化。在优化算法过程中，利用Python软件进行可视化操作，通过一系列分解教学，引导学生在学习过程中逐步培养算法思维。（三）注重合作与反思教学策略，促进学生评估思维、概括思维的发展黎（Lye）等人10)指出学生在学习环境中与同伴合作、反思是培养学生计算思维的有效策略，教师应不断鼓励学生对合作过程中的表现进行审视。在本实践中，教师根据项目任务的不同，鼓励学生采取合作的方式完成较难的项目任务。在项目开展期，教师为学生提供学习支架，小组合作共同学习并完成智能抗疫小助手作品，并对其功能进行升级。在项目后期，各小组分享作品后开展交流活动，并反思作品创作过程中存在的不足。在此过程中，有效地培养了学生的评估思维和概括思维。本次的教学设计是面向计算思维培养的初中Python项目教学中的一次实践研究，在具体实践中还存在诸多不足之处。本次实践研究只是一次尝试，而信息技术学科核心素养中最关键的计算思维的培育并非通过几节课，或者哪个模块的教学内容就可以实现，养成一上接第2 0 页计算思维培养专题种稳定的思维习惯需要长期的过程。在本次教学的基础上，根据实践中存在的问题，作为一线教师，需要继续对学生计算思维的培养进行深人研究。根据学生实际情况，改进面向计算思维培养的项目教学设计，并延伸至其他编程类的教学内容。教师实现真正的教学相长，学生则从计算思维养成的角度出发，进而实现创新能力的培养。参考文献：1居晓波.开展STEAM项目式程序设计培养学生创新能力J.中小学信息技术教育，2 0 17(12):49-53.2 8 SELBY C.Relationships:computationalthinking,pedagogy of programming,and BloomsTaxonomy C /The 10th Workshop in Primary andSecondary Computing Education.New York:ACM,2015(1):80-87.3林崇德，胡卫平，思维型课堂教学的理论与实践J.北京师范大学学报（社会科学版），2 0 10(1):29-36.课教学活动设计与实践研究以Kittenblock编程为例D.上海：华东师范大学，2 0 2 1.5岳彦龙，张学军，梁屿藩.人工智能教学如何培养高中生的计算思维？一一基于人工智能案例驱动的Python编程教学的实证研究J.基础教育，2022,19(1):74-84.【6 段波.面向计算思维发展的中学人工智能课程活动设计J.天津师范大学学报（基础教育版），2022,23(1):53-58.【7 韩雪婧，汪基德，王孝培.编程教育对中小学生学习效果的影响一基于国内外36 项实验与准一实验研究的元分析J.数字教育，2 0 2 2，8（6）：7.9 张瑾，徐紫娟，朱珂，等.国际视阈下跨学科整合计算思维的课程模式研究J.现代教育技术，4鲁萍.基于PBL的师范生教育技术能力培训网络平台研究D.武汉：华中师范大学，2 0 0 75刘景福，钟志贤.基于项目的学习（PBL）模式研究J.外国教育研究，2 0 0 2（11）：18-2 2.6 丁世强，王平升，赵可云，等.面向计算思维能力发展的项目式教学研究【J.现代教育技术，2020(9):49-55.7 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