基于计算思维的高中信息技术校本课程设计与开发
武小龙 贾金元
摘? 要 从研究计算思维的内涵出发，对计算思维在高中阶段教育中的培养方式进行探讨，介绍培养计算思维的高中校本课程的设计理念与内容，阐述校本课程的教学流程，分析计算思维在解决实际问题环节的应用情况，并展示相关的实践成果。
关键词 高中信息技术;计算思维;校本课程;steam;人工智能
中图分类号：G633.67? ? 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）01-0044-03
1 前言
计算思维作为高中信息技术学科的核心素养之一，是基础教育阶段研究的一个热点。教育部在2018年1月印发的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中首次提出信息技术课程要树立“立德树人”的教育价值观，在课程的设置上要开设数据、算法、人工智能等同计算思维培养紧密相关的模块。计算思维的培养与人工智能的发展相辅相成，如何因地制宜地开发一门符合学校实际教学需求的高中信息技术方面的校本课程，让学生通过学习可以对实际项目进行建模，设计系统性的解决方案，是摆在高中信息技术和STEAM教师面前的一个新课题。
2 概念介绍
計算思维? 计算思维的概念是卡内基·梅隆大学的周以真教授在2006年正式提出的，他认为：“计算思维就是通过约减、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看起来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题。”[1]2009年，美国国家研究委员会组织了两场关于计算思维的研讨会，重点提及计算思维在教育领域应用的可能性及前景。2011年，美国国际教育技术协会和计算机科学教师协会共同提出计算思维的操作性定义：计算思维是一个问题解决过程，涉及问题的阐述，数据的组织、分析和呈现，解决方案的制订、识别、分析和实施以及问题解决过程的迁移[2]。
我国先后出台的一系列教育政策中，把计算思维的培养列为信息技术创新点的重要目标之一，特别是在人工智能教育新时代，计算思维作为人工智能的基础思维的重要性日益凸显，开发信息技术校本课程也成为STEAM教育样板课的刚性需要。
基于计算思维开发的高中信息技术校本课程? 2018年，教育部出台《普通高中信息技术课程标准（2017版）》。新课标提出“信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任”等学科核心素养，构建了包含“数据、算法、信息系统、信息社会”的信息技术学科大概念。对比2003年的信息技术课程标准，此次的新课标从广度、深度上对知识点进行了加强。同时大幅减少对常见软件的使用，大幅度提升在编程、计算思维、开源硬件、网络空间等方面的知识要求。数组、链表、二叉树等常见的数据结构，排序、查找、迭代、递归、搜索、贪心、分治、动态规划、回溯等基本算法，Python也开始进入浙江等地的高考选考科目。高中阶段信息技术教学从课程理念上发生很大变化，对应的教学和学习任务也都大幅增加。
高中生的抽象能力、数学分析能力都有了一定基础，并且思维水平已达到一定高度，具有向高阶思维发展的潜力。由于高中阶段信息技术课时量的限制，很多师生对信息技术课程不够重视，教学方式和教学内容比较随意，没有形成一个体系化的课程教学体系，因而研发培养计算思维的信息技术校本课程成为高中阶段计算思维培养的重要路径。如何在信息技术教学中渗透人工智能教育，展示人工智能的应用场景，为学生奠定人工智能的相关基础，促使学生具备数字化时代的创新素养，成为当前信息技术课程的重要挑战。
3 高中信息技术校本课程的设计
考虑到高中阶段的信息技术教学特点，本研究认为：思维培养类课程应优先于基础知识与能力课程的开展;综合类课程应优先于独立专项课程的开展;贴近实际的创新性问题应优先于传统算法问题的解决。为此，如何选择适当的教学载体便成为亟待解决的问题。C++是C语言的继承，它既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行以继承和多态为特点的面向对象的程序设计。因此，可以将C++语言作为计算思维培养的程序设计语言。
课程目标设计? 校本课程的实施对象是高一数学基础较好，但是尚未普遍具备编程基础的学生，在教学中通过问题驱动式、项目式学习等教学方式，多角度多方面引导学生主动思考与解决问题，培养计算思维意识，掌握计算思维方法，提升计算思维能力。
课程内容框架设计? 按照一学期40节课时的安排，校本课程内容分为程序设计语言和基础算法两部分，其内容框架设计如图1所示。
评价策略的设计? 在评价内容上，着重培养学生分析和解决问题的能力，不仅关注学生对知识的深度理解，还要注重学生的编程能力、人文积淀等素养。在评价方式上，要尽可能地采用随堂测试的真实性评价，鼓励学生一题多解，以消化知识点为目标，可以向同伴解释自己的编程思路，鼓励学生自评与互评。
4 培养计算思维的高中信息技术校本课程的教学与实施
校本课程的教学流程? 基于上述培养计算思维的高中信息技术校本课程的设计与开发，本研究综合教学的实施过程与计算思维的培养过程。这里举一个笔者给中学生设计的具体课程实例：爬楼梯。下面是教学过程。
1）问题导入：小明爬楼梯，他可以每次走1阶或者2阶，输入楼梯的级数，求不同的走法数。学生看到这个题目，感觉无从下手。先手动进行走法排列：1个台阶的时候有1种走法，2个台阶的时候有2种走法，3个台阶的时候有3种走法，……分别写出来后发现：1，1，2，3，5，8，13，
21，34，55，89，144，233，……也就是说，每次的台阶的上一次，要么就是从上一个台阶过来，要么就是从上两个台阶过来。
仔细观察，这是数学中的斐波那契数列，学生一般很快就找到了规律，可以很快写出递归式：f（n）=f（n-1）+f（n-2）。然后让学生寻找隐藏在该数列背后的数值：相邻的两个数相除，有什么规律？学生很快会发现商趋近于0.618，黄金分割值！
2）观察讨论。很多植物在生长过程中为了能最佳地利用空间（亿万年进化的结果），每片叶子和前一片叶子之间的角度是222.5°，这个角度被称为黄金角度，因为它和整个圆周360°之比是黄金分割值0.618。
3）如果一次可以上1阶、2阶或3阶，再到m阶，那么算法又该如何写呢？
4）总结一般式，推广，发现生活中的美。
校本课程实施的教学方式
1）基于问题解决理念的教学策略。教师在教学过程中要积极挖掘计算思维的内容，以生活中的实际问题及案例来展现这些内容;要勤于探索，以问题解决为教学理念，在讲授知识的同时让学生自己探究学习。
2）虚拟在线平台与社区。网络上有专门以计算思维为目标开设的编程网站，在這个平台中有具有共同兴趣和目标的人群，依托互联网环境以信息技术为交互媒介进行信息的交流，里面有详细的测试数据。
3）设置多种评价方式，进行有效评价。计算思维的学习评价不仅可以对学生的学习效果进行反馈，也会指导教师改进教学中出现的问题。可以采取多种评价方式，通过项目作品综合评价、前后测问卷、反馈性访谈以及学生课堂交互观察进行全程评估，对算法设计正确与否、代码的合理性及简洁性、问题解决等方面进行评价。
校本课程的实践成果? 本研究选取甘肃省重点高中的两个班级进行“计算思维与算法设计”校本课程的教学实践，其中实验班学生有55名，普通班学生有54名。经过两轮课程的教学实施，通过前测和后测，具体表现如下。
1）在作品生成方面，学生以小组形式自定主题开发程序，教师对作品进行评价，以此判断学生计算思维能力的提升情况;教师的评价显示，学生的作品较好地体现了计算思维的各个维度，并且相较于校本课程学习之前，学生的计算思维能力提升明显。同时，学生积极参加全国中小学电脑制作活动。
2）在访谈方面，笔者与三名在学习任务完成、自主学习管理和计算思维评分方面均有显著差异的学生代表进行访谈，他们纷纷表示参加校本课程学习后，对计算思维有了深刻认识，能从计算思维的角度尝试去分析、解决生活中的典型问题。
3）在考核测评方面，本研究设置了两项前后测试任务，要求学生在规定的时间内完成。统计结果显示，实验班前后测的完成率分别为82.6%、100%，而普通班的完成率分别为64.8%、83.3%，明显可以看出后测的完成率要高于前测。这说明参加校本课程学习之后，不同层次班级的学生均在一定程度上提升了计算思维能力。
5 结语
在人工智能时代大背景下，如何在高中信息技术校本课程教学中渗透计算思维，展示计算思维的应用场景，使学生具备基本的信息素养和创新素养，是当前信息技术课程必须应对的新挑战。而将计算思维融入高中信息技术及校本课程教学中，引导学生树立计算思维意识、掌握计算思维方法、提高计算思维能力，是信息技术教师义不容辞的责任。基于此，本研究介绍了培养计算思维的高中信息技术校本课程的设计与开发过程，后续研究将关注建立计算思维和创新思维之间的连接，以进一步提升学生的计算思维，推动信息技术与课程教学的深度融合。
参考文献
[1]Wing J M. Computational Thinking[J].Communication of the ACM，2006，49（3）：33-35.
[2]ISTE. Operational definition of computational thinking for K-12 education[DB/OL].http：//www.iste.
org/Libraries/PDFs/Operational_Definition_of_Compu-tational_Thinking.sflb.ashx.
