培养计算思维能力的项目式学习设计架构

摘要

新课标倡导基于项目化的学习方式，计算思维是信息科技学科素养的核心组成元素之一，如何在教学中开展项目式学习并逐步培养学生的计算思维能力，使其适应终身发展和社会发展的需求，是每位信息科技教师在开展教学时需重视且重点落实的学科素养。通过阐释计算思维的实质和项目式学习的内涵，分析在项目式学习中培养学生计算思维的可行性，探究基于计算思维能力培养的项目式学习的设计架构。

关键词

计算思维 / 项目式学习 / 密码安全问题 / 设计架构

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）将计算思维定义为：个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题的解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动^［1］。要想正确理解计算思维，首先要理解计算思维本质上研究的是“计算”，而且是人机分离的计算。人的“计算”主要表现为：当我们需要利用计算思维来解决具体问题时，通常需要将问题抽象成可计算模型，用语言描述问题的核心关系，并以此为基础设计算法，最终通过编程或者其他数字化工具“计算”得到所需的结果，可以说计算思维的本质是抽象化和自动化的。在新课标的背景下，信息课堂常常以项目式学习的方式开展。笔者基于计算思维能力培养的项目式学习设计构架，提出一套系统化、科学化、规范化的设计框架，旨在为一线教师提供可借鉴、可操作的实践指南，推动计算思维能力培养在基础教育中深入实施。

1 项目式学习的内涵

美国巴克教育研究所将项目化学习定义为：学生在一段时间内通过研究并对应一个真实的、有吸引力的和复杂的问题、课题或挑战，从而掌握重点知识和技能。项目化学习的重点是学生的学习目标，包括基于标准的内容以及批判性思维、问题解决、合作和自我管理等技能^［2］。

2 在项目式学习中培养计算思维的可行性

项目式学习主要包含提出问题、规划方案、解决问题、评价反思4个关键环节。而计算思维作为一种思维方式，具体表现为用计算机可处理的方式来界定问题、抽象特征、建立模型、组织数据、形成方案、解决问题，并能对方案进行有效评估。

通过对比发现，项目式学习和用计算思维解决问题的各个环节存在着必然的联系。首先，项目式学习中的“提出问题”环节与计算思维中的“界定问题”环节均需要学生明确项目需求，能够采用计算机领域的学科方法界定问题等；项目式学习中的“规划方案、解决问题”环节与计算思维中的“抽象特征、建立模型、组织数据、形成方案、解决问题”环节均需要学生将问题抽象成可计算模型，运用合理的算法形成解决问题的方案，通过计算机“计算”得到结果；项目式学习中的“评价反思”环节与计算思维中的“方案评估”环节均需要学生分享、交流项目成果，并反馈方案执行过程中出现的各种问题及对应的解决措施。因此，项目式学习可以帮助学生养成利用计算思维解决问题的习惯，有效培养学生的计算思维能力。

3 基于计算思维培养的项目式学习构架设计

完整的项目式学习构架由项目简介、项目分析、项目对象、项目目标、项目教学策略、项目评价和项目实施几个部分组成。如何在构架设计的各个环节发展学生的计算思维，是其能否在项目学习中有效落实的关键。因此，教师在教学设计时，应着眼将计算思维作为学生项目学习的内在隐线，融入项目学习设计的各个环节。笔者以基于“枚举算法”模块开发的“密码安全问题”项目为例，具体阐述如何在项目式学习设计的几个核心架构中渗透计算思维能力的培养。

3.1 项目分析

项目分析需要教师以项目设计师的视角从国家、社会、个人层面剖析项目的价值属性，即整个项目的顶层设计，它主要包含项目来源、核心知识和项目问题几个模块。其中项目可以源于书本、生活和学习等学生熟悉的领域；核心知识主要包含课程标准、教材等资料中所要求的基础知识技能、学科关键概念或能力和信息科技核心素养；项目问题包括项目的核心问题、基于核心问题分解得到的驱动问题和对应的驱动任务。

项目式学习以问题为载体，引发学生对核心知识的探索和思考。因此，笔者在设计时以核心知识为基础，分析并提炼项目的核心问题——“如何设定密码可以提高密码的安全性”。考虑到核心问题不能直接指向项目的核心知识，因此笔者将其分解并转换成两个不同的驱动性问题和任务，任务之间相互联系且层层递进，帮助学生在探究、解决问题的同时反复亲历计算思维的全过程。项目分析设计实例如下。

先进行项目分析，密码安全是当今信息社会中每个人都会面对但又容易忽略的一个问题。本项目利用“枚举算法”破译不同规则的密码，通过分析比较不同长度、不同复杂度的密码的破译效率，进一步引发学生的高阶思维，探究验证如何设置密码才能加强密码安全性，从而体现了密码安全设置的社会价值属性。

其次确定项目主题内容，其核心知识包括：①项目涉及的主要知识点：选择语句（if）和循环语句（for）；枚举算法的基本概念及用枚举算法设计算法的基本过程；能够根据具体问题的要求，设计枚举算法，编写程序求解问题。②学科关键概念是算法，关键点是能解决抽象问题、能进行决策分析、确定模型算法、实现过程自动化。③核心素养表现：能够利用计算机科学领域的思想方法界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据。

最后确定项目中的问题。核心问题：如何设定密码可以提高密码的安全性？驱动问题1：密码长度和密码安全性高低有何关系？任务：比较3位密码和4位密码的平均破译次数。驱动问题2：密码复杂度和密码安全性高低有何关系？任务1：破解3位纯数字密码锁。任务2：破解包含大写字母的3位密码锁。

3.2 项目对象、项目目标和教学策略

项目对象分析需要结合学生原有知识储备和项目涉及的社会经验储备，预设学生在项目实施过程中可能会遇到的问题；而项目目标则需要从知识技能、关键能力等方面描述具体的素养目标、课标要求等；教学策略既包含了问题解决、决策、实验、系统分析等高阶认知策略，又囊括了信息收集、组织存储等低阶认知策略。在项目设计过程中，应该注意高低阶认知策略合理搭配，让学生在获得知识技能的同时产生高阶思维碰撞，使得整个项目既有深度又有广度。密码安全问题项目的设计主要落实了“算法”的概念，通过对破译不同规则的密码进行具体剖析，完成问题抽象建模（问题解决方案）、设计算法、程序自动化实现流程，引导学生在学会利用计算机解决问题的同时培养学生的计算思维。整个项目都围绕“如何设计安全性较高的密码”为问题解决的核心，通过将核心问题分解成相应的项目驱动问题，并以“枚举算法”为背景架构知识，通过比较、分析、抽象、推理逐一论证和解决3个驱动问题，从而实现高低阶认知策略的合理搭配。

3.3 项目实施

项目实施是整个项目设计中学生体验探究、交流合作学习、提升学科核心素养的中枢。因此，笔者在设计该环节时采用了问题解决和思维培养并重的策略。笔者以项目第2个驱动问题“密码复杂度和密码安全性高低有何关系？”为例阐述问题的解决过程。

（1） 分析问题。因为“密码复杂度和密码安全性有何关系？”这一驱动问题无法直接指向项目核心知识“枚举算法”，所以笔者将其转换为更容易被学生理解的驱动任务：破解用3位纯数字密码锁和包含大写字母的3位密码锁，通过破译次数的差别来论证密码复杂度和密码破译次数的关系。

（2） 抽象建模。如何引导学生利用“枚举算法”来提取问题的本质、建立解决问题的有效模型是此环节的关键因素。学生可以借助手动破译一位数字密码锁进行任务衔接，引发学生思考常用的破译方式，引出破译的规则：将满足规则的所有密码一一列举出来并进行逐一比较，直到找到所有满足条件的密码为止。

对于3位数字密码锁，学生容易确定其密码的有效范围“000～999”，即将3位密码作为一个整体，利用单循环枚举；而包含大写字母的3位密码锁设定密码的规则发生了改变。因此，可以引导学生改变思路，从枚举整个密码的范围转换成枚举每一位密码的范围［0-9，A-Z］，共36个字符。教师可以引导学生借助数学里的排列组合来分析并抽取出问题的本质：3位密码，每位密码有36个字符，在第一位密码确定的情况下，第二位有36种组合，在前两位都确定的情况下，第三位有36种组合，即对每一位密码进行单独枚举，并利用多循环实现。

（3）设计算法。通过对不同规则下密码破译问题的抽象与建模，利用枚举算法破解3位纯数字密码锁和包含大写字母的3位密码锁的算法描述如下。针对3位纯数字密码锁逐一列举所有可能的密码，如果当前枚举的密码是正确密码，输出正确密码和破译次数。针对包含大写字母的3位密码锁：逐一列举第1位密码，逐一列举第2位密码，逐一列举第3位密码；将3位密码进行组合，如果组合得到的密码是正确密码，输出正确密码和破译次数。

（4）程序设计与优化。教师在项目学习设计时需要对学生可能会出现的错误进行预设，根据实际情况进行个别指导或者全班演示，让学生在纠错的过程中加深对代码的理解。对于部分学有余力的学生，教师可以进一步引导他们增强密码的复杂度，改变学生对枚举范围和条件的整体认知，完善学生的算法思想，强化学生的计算思维。

3.4 项目评价

评价的主要目的是促进学生的学习，改善教师的教学，完善课程方案的设计。项目式学习的评价设计应该贯穿项目设计实施的各个环节，注重过程性评价和总结性评价相结合。其中，过程性评价需要关注项目核心知识与素养、驱动问题及项目开展过程中得到的阶段性成果；总结性评价则更多关注项目的最终成果和项目各个环节的评价量规。

4 结语

基于计算思维培养的项目式学习设计是在项目设计和实施的各个环节中融入计算思维的训练。作为一种“项目引领、问题驱动、思维内化”的渗透式教学，它让学生在问题的抽象建模过程中理清思路，在问题的算法设计和代码编写过程中训练思维，在程序的调试反馈中强化思维，实现学科教学和思维训练的统一。

大单元视角下初中信息科技课程项目化教学设计是一种新型的教学方式，能够有效提高学生的学习积极性和主动性，培养学生的创新能力和实践能力。通过对大单元知识体系的构建、基于真实问题的大单元项目情境创设、分课时项目化教学方案设计技巧、项目化教学活动实践、素养导向的多元化评价等方面进行探究，可以更好地将大单元视角下项目化教学应用于初中信息科技课程中，从而为培养具有创新精神和实践能力的青少年提供有力支持。

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] 美国巴克教育研究所.项目学习教师指南：21世纪的中学教学法［M］.任伟，译.第2版.北京：教育科学出版社，2008. （上接第131页）

[3] 采用多种评价方式。采用多种评价方式可以更加客观、全面地评估学生的学习情况。例如，可以采用小组讨论、团队竞赛等方式了解学生的互动能力和协作能力；通过实践任务和实践作业的完成情况，了解学生的实际操作能力和解决问题的能力。

[4] 及时给予反馈和指导。及时给予学生反馈和指导，可以帮助他们及时发现自己的不足并加以改进。教师可以通过课堂互动、小组讨论等方式及时了解学生的学习情况和反馈信息，并给予相应的指导和帮助，同时还可以根据学生的不同需求进行个性化辅导，从而更好地促进学生的学习和发展。

[5] 结语

基金资助

2024年度福建省教育科学规划常规课题“实践育人多元协同：航天科创特色教育体系建构与实践研究”(FJJKZX24-228)

海沧区教育科学“十四五”规划2024年度课题“五育融合视域下航天主题资源融入信息科技校本课程开发的研究”(G2024258)

福建省教育科学“十四五”规划2023年度课题“基于人工智能的中学信息科技教育数字化转型研究”(FJJKZX23-477)