教育信息技术 2021年第4期
稞索与实我
计算思维视域下的高中Python
校本课程建设与实践$
梁丽霞\林育珊2
(1•广东省广州市南海中学，广东广州510170; 2.广东省广州市汇龙小学，广东广州510170)
【摘要】计算思维是高中信息技术课程核心素养之一，越来越多的中小学教育工作者关注学生计算思维的培养。 随着人工智能时代的到来，学生问题解决能力的重要性曰益凸显。目前国内针对在高中信息技术课程中计算思维培养 的理论和实践研究都处于探索阶段，而程序设计类课程是培养学生计算思维的重要着力点.文章选取适合培养高中生 计算思维的Python语言，依据课程开发理论，结合Python知识体系和学校、学生需求，通过对比、分析和整合，设 计与开发了 Python校本课程，结果表明，该课程在一定程度上有利于学生计算思维的培养。
【关键词】计算思维；Python；校本课程
一、研究背景
(一） 计算思维成为教育研宄热点
关于计算思维，最早可追溯至1980年麻省理工学 院人工智能先驱西蒙•派珀特（Seymour PaPert)[1]。 2006年在A C M 会议上，周以真教授首次正式提出计算 思维概念，引发了一场关于计算思维全球研究热潮。随 后，美国、英国、澳大利亚、新加坡、芬兰、新西兰等 国家将计算思维纳入到中小学课程培养方案中。国内外 许多的学者己开展了关于计算思维内涵、教学策略、课 程建设、计算思维测量等方面的研究，计算思维已成为 全球计算机和信息技术领域研究热点问题。
(二）
培养计算思维是人工智能时代提升学生信息 素养的重要举措
在我国，最先关注计算思维是大学计算机领域，曾 先后多次召开针对计算思维诸多方面的深入研究与探 讨，2010年首届“九校联盟”会议上提出大学计算机 的任务核心是“培养学生的计算思维能力”。[2]近年来, 越来越多的学者也意识到，青少年时期是计算思维发展 的黄金时期，呼吁在中小学应该抓住时机，培养学生的 计算思维。2018年1月，教育部颁布了《普通高中信
息技术课程标准（2017版）》（以下简称“新课标”）中 将计算思维纳入信息技术学科的核心素养。人
工智能时 代，以往在信息技术课程中对学生重工具使用的教学己 经无法适应现今时代发展对人才的需求，思维能力和信 息素养的培养才是顺应当今社会发展对人才的需求，这 标志着计算思维渐渐成为信息技术能力水平的重要标准 之一。
(三）Python课程有助于培养学生的计算思维程序设计是信息技术学科培养学生计算思维的重 要着力点，现今中小学信息技术课程中主要的语言工 具，分别是 App Inventor 和 Python，App Inventor
使用积木式编程方式，对于学生的抽象能力要求较低，
符合小学生和初中生的思维方式[3]。而Python语言 在培养高中生的计算思维方面的优势在于：1.相对于 App Inventor更加抽象，较适合高中学生的思维方式,2. Python更加接近自然语言，可以让学生将注意力集 中在问题分析、算法设计，尽量少的去思考存储空间、 内存等计算机系统方面的知识，而计算思维的本质就是 抽象和自动化。因此，Python在培养学生的计算思维 方面具有独特的优势。
*本文系广东省教育技术中心教育信息化应用融合创新课题“基于计算思维培养的Python项目式教学策略研究”（课题立项号：19JX06001)的研宄成果
探索与实我2021年第4期教育信息技木
二、相关研究现状
(一） 计算思维的内涵发展
对计算思维内涵的正确理解是设计课程、教学流 程、教学策略等的重要依据。否则容易把计算思维培养 等同于编程教育或否认编程教育是计算思维培养的重要 载体，这显然都是不可取的。
2006年周以真教授提出计算思维概念时，她认为 计算思维是运用计算机科学的基础概念，求解问题、设 计系统和理解人类行为的一系列思维活动，其本质是抽 象和自动化W。2011年，她对计算思维进行重新定义，认为“计算思维是一种解决问题的思维过程，能够清晰、抽象地将问题和解决方案用信息处理代理（机器或人）所能有效执行的方式表述出来”。[5]
2011年国际教育技术协会（ISTE)与美国计算机 科学教师协会（CSTA)给出•个操作性定义：计算思维 是一个问题解决过程，这个过程包括确定问题、数据分 析、数据抽象、算法设计、整合有效方案、推广求解方 法这六个要素[6]。
2 016年英国皇家科学院将计算思维定义为“识别 我们周围世界中有哪些方面具有可计算性，并运用计算 机科学领域的工具和技术来理解和解释自然系统、人工 系统进程的过程”。[7]
国内学者任友教授等认为计算思维是一种独特的 解决问题的过程[8]。2017年新课标指出计算思维指能 够采用计算机领域的学科方法界定问题、抽象特征、建 立结构模型、合理组织数据；通过判断、分
析与综合各 种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案；总 结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相 关的其他问题解决过程中[9]。
计算思维内涵的发展经历了从混沌到逐步明晰的一 个过程，ISTE和CS T A与高中信息技术课程标准中对计 算思维的定义具有异曲同工之处，操作性更强，本文采 用此定义开展研究。
(二） 中小学Python课程研究现状
Python具有语法简洁、简单易学、功能强大的特点。2017年新课标中Python取代Visual Basic成为新的 编程语言，同年，国务院颁布了《新一代人工智能发展 规划的通知》，在通知中明确提出“广泛开展人工智能 科普活动，义务教育阶段教师可以对学生讲授人工智能 方面的知识。2018年浙江省把Python的相关知识引入到高考试卷中。随着Python逐步进入到中小学，开始 有一部分Python的研宄。
截止到2020年4月，在中国知网以“Python”为 主题，摘要并含“中学”进行检索，剔除不相关文献，共12篇文献。如赵福生等人分析了 Python的特点，认 为Python适合中学学生[w]。杨帆以目标模式为课程开 发模式的依据，结合学校理念、Python特点和学生的 兴趣，设计Python编程课程结构体系，并对该课程进 行全面评价[11]。林赛雅等人用Jupyter和Ipyturtle，实现了用网画画学习Python知识。李灏为了培养学生 编程能力以项目为导向，以任务为驱动，开发了《Python 语言程序》中职校本课程，验证了 Python课程开发的 有效性[12]。万为妹以极域软件应用到Python课程中，设计Python互动式教学，
提高课堂效率[13]。刘承林以 问题驱动教学模式为依据，融合计算思维的抽象、算法、归纳、分解、评价五个维度，构建了计算思维培养的高 中Python教学模式等。
从文献分析来看，中小学Python教学研究正处于 起步阶段，大多数是Python教学实践的探索，有且仅 有两篇文献关注学生计算思维的发展，因此计算思维视 域下Python课程开发的进一步研宄是有必要且紧迫的。
三、Python课程设计与开发
1949年现代课程理论之父泰勒指出课程开发的四 个步骤：确立课程目标、选择学习经验、课程组织内 容、课程评价，这四个问题后来被称为“泰勒原理” [14]，后来英国的学者斐勒将课程开发直线型改成了圆形结合 斐勒课程设计模型，强调课程开发是一个不断改进的过 程。笔者结合泰勒、斐勒课程设计流程及教学设计十要 素，将高中Python校本课程建设的过程分为五个阶段 十二环节：课程需求分析、确立课程目标、编制课程内 容、课程实施、课程评价阶段（如图1)，在校本课程 实施过程中发现各个阶段存在的不足，通过不断的修订 与改进后，让课程开发达到尽可能好的效果。
图1P y t h o n校本课程设计与开发流程
(一）课程需求分析
通过问卷调查了解学生实际需求，以保障课程开发 的实用性和价值。问卷共15题，调查对象是本校高一 年级八个班的320位学生，以无记名方式进行，有效份 数为315份，回收率达98. 4%。本问卷的克朗巴哈a系
58
教育信息技术2021年第4期
数a =0.704，表明本问卷的信度良好，本问卷参考很 多专注于校本课程开发的研宄者进行编制，另外在问卷 设计前期、中期和后期都是通过与一线教师和专家多次 探讨和修改最终得出的，具有较高效度（如表1)。
表1学生需求问卷调查情况表
题号调査内容调查结果
1开设校本课程态度有79. 68%学生感兴趣，15. 56%没什么 兴趣，4. 76%的学生没兴趣
2> 3对图形化编程的掌
握程度、以及对编
程语言和编程课程
的了解和学习情况
有90. 69%学生有了解过A p p I n v e n t o r
这一图形化编程，31. 11%掌握得比较
好，有53. 02%学生掌握一般，能模仿
课上的案例，完成类似功能的作品，对
编程语言了解P y t h o n语言占比最高，
有35. 24%，还有C++、C语言和J a v a
语言分别占30. 16%, 22. 9%和22. 7%
4> 5对技术给社会带来
巨大变化的了解情
况及对P y t h o n校本
课程支持度
几乎所有的学生都意识到编程思维对学
习和生活的重要作用，且有87. 93%学
生认为有学习一门编程语言的必要性
6. 7对课程时间和上课
形式的需求
有97. 14%学生认为学习一门编程语言
比较有难度，且有93. 65%学生认为每
周一节课不能满足他们学习编程语言的
需求
8-13了解所开发的课程
内容、上课形式和
涉及领域的需求
有80. 32%学生喜欢游戏类、工具类和
生活使用类作品。有39. 37%学生希望
教师提供资源自主学习与研究，遇到不
懂再与教师探讨，有34. 44%学生喜欢
小组合作探宂学习方式
14、15了解学生对P y t h o n
校本课程的期待和
想法
88. 89%学生希望可以利用P y t h o n将自
己的创意变为现实
从表1的调查结果可以看出，学生具有一定的图形 化编程的基础，为开设Python校本课程搭建了知识桥 梁，学生也比较支持开设Python校本课程。在Python 课程内容与形式上，学生倾向工具类和游戏类的编程内 容，在允许的情况下加一些数据分析、人工智能的编程，最大程度的满足学生的需求，学生喜欢更加自主的课堂 教学等。这些为确立教学目标、选择教学内容、实施教 学方式的重要参考依据。
(二） 课程目标确立
设计与开发的课程为学校的特课程，因此，除了 考虑学生基础及需求外，还要结合学校的育人目标。本 校教育目标是培养“有责任感的人”和“适应未来社会 的人”，结合问卷调查结果、学校教育目标
和一线教师 讨论，确立校本课程的总目标为：通过Python校本课 程的学习，在真实体验与实践应用中发展学生利用信息 技术思考与解决问题的能力，提高学生的计算思维，促 进学生信息素养提升，培养适应人工智能时代的人才。
(三） 确立课程内容框架
稞索与实我
根据Python自身的知识体系结构、问卷调查结果 和课程培养目标，按照一个学期18个课时设计，分为 基本语法知识、进阶部分和数据分析、网络爬虫、人工 智能初体验、综合运用挑战四大部分。
(四）课程资源的设计与开发
设计的课程资源主要包括：课程讲义、导学案、课 程微视频和课程配套练习题。
1.课程讲义的设计与开发
本文所指的课程讲义是供学生学习Python知识的 文档资源，课程讲义的设计主要遵循学生的计算思维发 生过程来组织安排的。知识点讲解主要是对本节课所学 的知识点进行逐一讲解，每个知识点会结合生活中的问 题实例展开，让学生在实例中感受编程的魅力；知识迁 移模块是根据前面所讲的知识点为
学生编制一个生活情 景中会遇到的问题，让学生在模拟真实情景中解决问题，将解决问题方法进行迁移；知识卡是对本节课的知识要 点以图片的形式进行整理，学生可以保存照片，方便知 识点的回顾与整理。
2.学生导学案
导学案的设计主要是为指导学生进行主动的知识建 构而编制的学习方案，根据计算思维的发生过程引导学 生思维发展，主要包括问题分析、抽象概括、设计算法、知识迁移等部分。
3.课程微视频的设计
课程微视频主要作用是配合每节课的重点和难点 知识，教师通过声音、图片和文字等形式对本节课所 需要掌握的知识用视频的形式进行讲解。视频主要用 Camtasia进行制作，包括四个步骤：脚本设计、制作 PPT、录制视频、利用C S合成与剪辑。
4.课程配套练习题的设计
课程配套练习题主要根据每节课所学的知识点进行 设计，每一节课由两道以上的选择题和一道编程题组成，学生通过Moodle平台在线完成，做完即出成绩，及时 了解知识点的掌握情况。
四、Python课程实施与效果评价
Python校本课程属于学校的校本特课程，研究 对象是本校高一年级选修Python校本课程的50位学生，教师将所有教学资源放在Moodle平台上供学生使用，教学内容完成后，对教学效果进行效果检测与分析。
(一）案例分析
这里以“数据可视化表达一Python之文本词云分析”一节为例，分析校本课程的实施过程。该案例围绕的面
2021年第4期 教育信息技术
对大量文字时，如何快速读取到文中的重点这一现实问 题，通过Python编程生产词云来解决这个问题，体会 Python在数据可视化、数据分析方面的强大功能。本节 课的教学环节包括：时事引入，激发兴趣—
—初步感知，问题引导—
—自主学习，实践体验—
—知识迁移，合作 探究—
—课堂小结，提升主题，具体的教学环节流程如 表2。
(二）课程效果评价
对课程的评价方案主要包括两方面：一是课程目标 达成度，二是学生对课程的评价。对于计算思维的评价，国内尚未有权威的K12阶段计算思维的评价工具，许多 研宄也建议采用多种方法多个角度来评价。本文课程目 标达成度采用计算思维能力水平测量与计算思维知识性 测试，其中计算思维能力水平测量采用Korkmaz等人设 计与开发的检测K12阶段学生计算思维的量表，该量表 采用李克特5级量表，包括5个部分：创造力、合作能 力、算法思维、批判性思维、问题解决能力共21项指 标[15]。国内学者白雪梅己验证了在中国K12阶段的量 表适用性，并在根据国内情况修改完善，删除了 1项，共21项目[16]。
python 爬虫教学1•计算思维能力水平调查
采用单组前后测的实验方法，实验对象为选修了 Python校本课程的50位学生，在课程学习前后通过问 卷星发放C T量表（注：问题解决能力维度为反向题），对前后检测数据进行配对样本T检验，从表3可以看出，从均分上，这5个维度均有提升，除了批判性思维外，其余sig (双尾）值为0.00，存在显著差异。其中算法 思维能力和合作能力是提升幅度最大的，批判性思维方 面前后测的差异不显著，提升幅度有限。
2.基于计算思维的Python知识性测试卷调查
基于计算思维的Python知识性测试题参考计算思 维竞赛方式设计的题目，考查在新的问题情境下的问题 解决能力与知识迁移能力。
基于计算思维的Python知识性测试题的形式分为 选择题和填空题，第1题考查学生对Python应用领域 的了解，第2、3、6、7属于语法题，11、15、14、17、18、20题属于算法题，其他题均是编程题，测试题共 100分。通过问卷星发放测试题，测试成绩和各分数段
表2《Python之文本词云分析》教学活动流程
教学环节教师活动学生活动设计意图计算思维
时事引入激发兴趣(3分钟〉1.让学生用2分钟阅读2019年政府工作报告，并且回答今年政
府工作报告的重点（不少于3个）
2.可视化表达的特点及日常数据可视化表达的常见的形式
3.引入教学主题：运用P y t h o n第三库进行文本词云分析
阅读2019年政府工作报告并提取关键字
回答问题
感受文本数据可视化的
直观价值，激发学生的
求知欲
确定问题
初步感知
问题引导(15分钟）1.教师讲解什么是第三方库
2.教师提问：文本数据生成词云原理是什么？需要解决哪些问题
学生根据教师提问填入导学案相应的部分
通过教师讲解，学生分
析问题，抽象概括，培
养学生的良好思维习惯
分析问题
抽象概括
自主学习 实践体验(15分钟）1.教师提供微课《P y t h o n之文本词云分析》
2.引导学生画出算法流程图
3.提供需要完善的程序，让学生通过完善，体验词云生产
4.教师巡堂，个别指导
观看微课
学生设计算法
完善程序
让学生掌握通过设计程
序解决现实问题的过程
与方法
设计算法
建立模型
知识迁移合作探宄(10分钟)1.教师布置任务：通过文本词云分析西游记到底谁是真正第一主
角？孙悟空o r唐僧
2.两人一组，进行合作探宂
3.教师巡堂，个别辅导
4.选取小组进行汇报，优秀的可加分
让学生査看导学案，明确探究任务要求
让学生学会面对新问题
是，将己有知识进行迁
移应用的能力
调试/评估
推广方法
课堂小结提升主题(2分钟）1.教师和学生共同进行课堂知识总结
2.引导学生想一想，数据可视化表达真正价值在哪里？可以进一
步进行数据分析，进而优化决策
3.引导学生査看数据分析的案例
学生总结
学生思考
课后上网査关于智慧医疗的案例
教师总结知识点，大数
据时代，从数据可视化
表达到数据分析与挖掘
的重要价值
计算意识
表3个维度前后测配对样本T检验结果
成对样本检验
成对差分
t d f
S i g.
(双侧）
均值标准差
均值的
标准误
差分的95%置信区间
下限上限
对1创造力前测-创造力后测-1.52000  2. 33203.32980-2. 18276-.85724-4. 60949.000对2算法思维能力前测-算法思维能力后测-3. 28000  2. 30386.32581-3. 93475-2. 62525-10.06749.000对3合作能力前测-合作能力后测-2.72000  3. 06421.43334-3. 59084-1.84916-6. 27749.000对4批判性思维前测-批判性思维后测-.50000  1.41782.20051-.90294-.09706-2. 49449.016对5问题解决能力前测-问题解决能力后测  2. 44000  1.92894.27279  1.89180  2. 988208.94449.000
60
教育信息技术2021年第4期探索与实我
分布表分别如表4和图2所不:
表4测试成绩统计
参考人数平均分最高分最低分及格率优秀率5074.41004888%24%
人数50 平均分74. 4/100
分数段
图2基于计算思维的P ython知识性测试成绩分布
从图2可以看出，测试成绩近似呈正态分布，可以 看出本课程测试卷的制定较为合理。从测试结果来看，从 另一方面验证了学生在课程学习后计算思维得到了发展。
3.学生对Python课程的评价调查
通过问卷调查50位学生对课程的评价，有80. 85% 表示喜欢校本课程，91. 43%的学生认为课程资源没有 错误的知识内容，88. 06%的学生认为课程内容设计（语 言特点、内容编排、模块设定）符合自身的学习特点，有82. 14%的学生认为自己的逻辑思维有所提升，对其 它学科的学习有所帮助，86. 5
3%的学生认为Python语 言功能非常强大，并想通过提高自己的编程能力创新作 品，为人工智能时代贡献自己的力量。
五、研究结论
从计算思维培养的角度出发设计与开发的Python 校本课程，从实验结果表明学生算法思维、合作能力、问题解决能力有显著提升，但是创造力和批判性思维提 升幅度不大，其中可能的原因是国内的学生长期处于 被动接受知识的状态，仅仅通过校本课程学习是很难 有较大的改变。根据课程设计与应用效果分析的结果，高中Python课程开发融入计算思维具有积极的现实价 值。也可以看到研宄的不足之处，例如Python校本课 程的应用范围是否可以进一步应用到同类水平学校的校 本课程，效果如何，这都是要进一步研究的。计算思维 也不仅仅是信息技术领域独特的思维方式，几乎存在于 每一门学科，希望更多的学科教师参与到计算思维的培 养中，培养学生跨学科、综合应用学科知识解决问题的 能力。参考文献：
[1] Papert, S.Mindstorms: Children, computers, and powerful ideas [M].New York: Basic Books, 1980.
[2] 何钦铭，陆汉权，冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计 算思维能力的培养—
—《九校联盟（C9)计算机基础教学发展战 略联合声明》解读[J].中国大学教学，2010, (09):5-9.
[3] 方海光，汪时冲，张鸽，刘嘉琪.面向三种典型程序语言 的中小学计算思维课堂设计研究[J].中小学信息技术教育，2018, (11): 57-60.
[4] Wing, J.M.Computational Thinking[J]. Communications of the AQl, 2006,（03): 33 - 35.
[5] Wing, J.M. (2011). Computational thinking: What and Why? [DB/OL]. (2017-09-05). https: //www. cs. emu. edu/Comp-Think/ resources/TheLinkWing. pdf.
[6]ISTE & CSTA(2011). Operational Definition of Computational Thinking for K-12 Education. [EB/OL]. (2017-07-01). http//www. /docs/ct-documents/computational-thinking-operational- definition-flyer, pdf ? sfvrsn=2.
[7] Royal Society. Shut down or restart: The way forward for computing in UK schools. [DB/OL]. (2014-06-20). royal society, org/education/policy/computing-in-schools/ report/.
[8] 任友，隋丰蔚等.数字土著何以可能？—也谈计算思维 进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育，2016, (01): 1-8.
[9] 郁晓华，肖敏，王美玲，等.基于可视化编程的计算思维培 养模式研究—
—兼论信息技术课堂中计算思维的培养[J].远程教育杂志，2017, (06):12-20.
[10][11]赵福生，刘力.Python在中小学教学中的应用[J]•电脑知识与术，2018, 14(17): 190-191.
[12] 李灏.中职《Python语言程序〉〉校本课程开发与实践研究[D].广州：广东技术师范大学，2019.
[13] 万为妹.程序设计类课程互动式教学设计与实践研究[D].武汉华中师范大学，2019.
[14] (美）泰勒（Tyler，Ralph W.).课程与教学的基本原理[M].黄炳煌，译.桂冠图书股份有限公司.1981.
[15] 0zgen Korkmaz, Recep (^akir,M. Ya§ar Ozden. A validity and reliability study of the Computational Thinking Scales (CTS) [M]. Computers in Human Behavior,2017.
[16] 白雪梅，顾小清.K12阶段学生计算思维评价工具构建与应 用[J].中国电化教育，2019, (10):83-90.
责任编辑：赵婉霞
61

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。