“闯关式”教学法指导下的高中算法应用模块课程设计

杨溢博，吴虬，刘涛，许靖宇

（天津师范大学教育学部，天津 300000）

1 研究背景

《普通高中信息技术课程标准》（2017 年版2020修订版）（以下简称“新课标”）指出：普通高中信息技术课程是一门旨在全面提升学生信息素养，帮助学生掌握信息技术基础知识与技能、增强信息意识、发展计算思维、提高数字化学习与创新能力、树立正确的信息社会价值观和责任感的基础课程。

计算思维作为信息技术课程新标准中重要的核心素养，是21世纪公民的必备能力之一。高中生作为新一代的“数字土著”，利用信息技术进行主动学习，锻炼提出问题、分析问题、解决问题的能力十分重要[1]。而随着新课标的全面推进，多数教材已不适应新课标中的理念，主要原因有二：一是大多数教材基于工具或经验，对学科思维理解不明确。二是对单一指向的核心素养培养的缺失，而并非课程教材的项目推进教学。特别是针对算法应用模块的设计，大部分教材只是单纯进行知识的讲解，忽略了应用这一重要模块[2]。

算法的设计与分析是计算机科学的核心问题之一。通过学习,学生可以掌握算法设计的常用方法，以便利用这些方法去独立设计解决各类实际问题。由于算法抽象性高、逻辑性极强，因此要求学生具有较高的抽象思维能力,导致学生在算法学习中往往存在很大的难度，也给教学提出了较高要求。

探究式教学是学生通过教师指导而进行自主探究学习的方法，让学生在掌握知识的同时，经历科学探究、自主学习的过程。探究式教学通过加大逻辑思维探究而提高学生解决问题的能力。这种教学模式非常适用于算法教学，教师根据教学内容,通过设置问题情境,引导、辅助学生去自主探究算法的设计、实现直至优化。

“闯关式”教学法中，教师需要将一个实训项目分解形成关卡，并为每个关卡配上相应的闯关提示。学生在教师的引导下根据闯关提示进行闯关。随着一个个关卡的完成，学生的成就感也会增强。而且先前关卡的完成情况还会影响后续关卡的进行，迫使学生主动探索知识。“闯关式”教学法下的算法应用模块课程，能让学生充分融入课堂，有效改善课堂沉闷的状况[3]。

对分课堂教学模式是由复旦大学心理系教授张学新提出的教学模式，以课上先由教师讲授，课下学生自主内化，再隔堂讨论为主要特征，学生由教师引导进行有方向、有目的地自主学习[4]。对分课堂教学模式下的算法应用模块课程中，教师作为学生学习的引导者与推进者，能很好地把控教学进度与教学方向；学生作为学习的主体，在小组合作与讨论中充分发挥自身特长，在讨论中主动进行对知识的建构，全面把握算法知识。

2 计算思维技能培养课程开展现状

高中信息技术课程包含理论基础知识和实践操作学习两个方面。在传统教学模式下的信息技术课堂注重教师课上讲授，重理论而轻实践，难以达到教学目标，不能培养学生的自主学习以及创新能力[4]。

同时，信息技术课程中算法应用模块缺少系统性的单元课程设计，学生在学习时无法体会算法的综合运用，也无法将所学的知识形成紧密的知识网络。

孙增国、文珊珊[4]提出对分课堂教学模式，将传统讲授法和讨论法有机结合，并融入自主内化吸收，强调过程性评价，有效改善了信息技术课程中实践操作的教学效果和课堂现状。

刘艳松等学者指出，理论与实践分开授课，没有实现理论与实践的有机融合，教学形式呆板，不便于学生对知识技能的掌握。

基于此，上述学者提出了课程教学内容改革和线上、线下混合式教学实践，创新了以学生为中心，以案例为载体，以任务驱动为主线，融理论、实践、专业化、创新、德育为一体的混合式教学模式[5]。

知名学者Tak Yeon Lee等研究者依照儿童的技能与兴趣开发了一个游戏系统，以特别的方法来助力他们更加准确地表达算法思维。美国学者Cagin Kazimoglu等人[6]阐释了一种新型游戏模式，即通过数字游戏来培养计算思维。该团队以设计游戏框架、分析游戏如何支持不同的计算思维概念以及这些概念是如何被设计成建构程序来鼓励基于学习的引导式计算思维。

毛如进[7]认为教师的指导引领是学生进行自主学习探索的必备前提，学生在教学过程中利用的教学媒体正是有效实现自主学习的辅助工具，而进行游戏化教学可以发挥闯关游戏、教师的主导作用和学习者的主体作用。高娇[8]也同样主张将游戏与教学相结合，用创新性的教学方法来培养学生的计算思维。

然而，多数游戏化教学的开展只针对解决单一问题，对于系统性的计算思维培养比较缺失。计算思维培养也存在着一些效果并不明显、学习者通过学习带来的效益不显著问题。

3 高中生计算思维技能培养课程设计内容

3.1 课程内容概述

本课程在新课标的指导下，以CTACK（计算思维-活动-学科知识）框架为基础，明晰信息技术课程计算思维结构，从抽象、程序化、分解、评估、概括五个方面解构计算思维技能这一信息技术学科核心素养[9]，并基于此对课程进行设计。

本文以项目组所开发课程的算法应用模块为例进行章节教学设计。本章节从排列组合、概率、余数的运用以及递归的实际应用出发，通过回顾先前所学的算法知识，而后解决实际问题，夯实计算思维技能在设计课程时，本团队将章节内容进行整合，学生需要通过综合使用先前所学知识进而解决问题，有助于将先前所学习的零散的知识形成整体性、系统性的知识体系，帮助学生对课程整体内容进行把握。

3.2 课程内容改革

在算法应用这一模块的课程实施中，本项目组从学科思维的视角搭建学科核心素养架构，将计算思维作为其主要导向标。并且从教材结构设计层面出发，为使其更具指向性与可操作性，能够在教学实践中充分体现出计算思维、活动与学科知识三者之间相辅相成、互为依托的培育意识，能够在教学应用中致力于证明课程与教学论观点的自洽逻辑，本团队基于核心素养“三层结构”，围绕CTACK关系框架，完成课程内容的设置。

在本章节的课程内容设置中，教材从具体的学科知识出发，结合不同的具体教学活动进行内容整合与改革。比如第三节：网络传输奇偶校验——余数的应用中，就联系教材第二章第三节：有效分组的余数等基础学科知识内容，设置网络传输的生活应用情境，帮助学生进行知识的总结和迁移复习。

在本章节的课程教学设计中，本项目组基于完整性原则与分层接受原则，设计丰富多彩、趣味性强、学生能接受的难关，并通过合理安排分组（高低搭配、组内异质、组间同质），在高度兴奋中积极主动地完成教学项目、真正学到知识，从而夯实算法知识[7]。

在本章节的课程准备中，对分课堂教学模式与基于闯关游戏的游戏化教学课堂对教师有更加严格和细致的要求，但教师只需将教学重点聚焦于解决教材相关内容、完成既定的教学目标即可。教师可采取课下与学生交流探讨的方式解决更多的问题[4]。

在本章节的课程实施中，本项目组以行动导向为指导、以游戏闯关为指引、以学生为中心推进教学。教师作为学生学习的引导者，教学重点在传授学习方法，并给予学生帮助与鼓励[7]。

在本章节的课程评价中，教师与学生处于平等地位，两者均为评价主体，本项目组关注于个体差异，并将评价过程、终结性评价与发展性评价相结合，力图将评价内容综合化、评价标准层次化。

3.3 章节教学设计

1）学情分析

本章课程面对的对象为高一年级的学生，以下对学生的基本学情展开分析。

信息技术学科知识储备：学生通过对算法知识的学习，提高了分析问题与解决问题的能力，能根据不同的问题情境选择合适算法以解决问题。但是在先前学习中，只是对算法知识以及计算思维技能进行简单的基础应用，先前学习的零散知识点未在学生脑中形成有条理的知识体系。

其他学科知识储备：学生在数学学科中已经形成了稳固的计算概念，为学生在算法的应用与实践中奠定基础。但是学生可能会将数学学科中的计算方法与信息技术学科中的算法概念相混淆，会对学生利用算法解决问题造成影响。

生活知识储备：学生在生活中有丰富的有关排序、递归等算法的感性经验，并能从贴近生活的问题情境中抽象出题目模型，进而利用适合于问题情境的算法解决问题。

学生一般风格、能力：高一年级学生具备辩证思维与抽象思维，但以上思维尚未成熟。同时高一年级学生在信息技术课程的学习上不仅依据个人偏好，还具有一定目的。

2）章节教学目标

第一，学生通过体验闯关游戏的游戏化教学方法，实现对先前知识的综合性运用，进一步夯实先前所学习的算法的相关知识，提升计算思维技能。

第二，学生通过解决闯关游戏中的问题，感悟算法思想与计算思维，体会算法的多样性及其在解决问题中的应用。

第三，通过学习本章知识，能主动利用算法知识与计算思维技能解决生活中的问题，提升分析与解决问题的能力。

最后，学生通过学习本章知识，提升信息素养，拓宽眼界。

3）教学策略、教学环境与教学资源

教学策略：为实现本章教学目标，有效突破教学重难点，本章教学将“闯关式”教学法与对分课堂教学模式结合。课前，学生自行回顾所学算法知识，并完成测评题目，教师根据测评结果进行课程的分层分组；课中，利用采用层层递进的闯关任务设计与学生自主学习的方式，并通过教师引导以及阶段性的总结与归纳作为问题解决的支架，助力学生将所学的算法知识与技能进行系统性地运用。在闯关过程中，教师通过引导学生进行小组合作与讨论，以提升学生的抽象辩证思维，促进学生将计算思维技能与算法知识内化；课后，教师布置分层闯关题目，方便学生在课后拓展提高[3]。

教学环境：信息技术课程侧重于动手实践与操作，因此设备的支持尤为重要。学生在信息技术课堂上可以使用机房电脑进行学习。此外，学生也可以在手机、平板等移动设备上进行灵活性更高的移动学习[4]。

教学资源：教师利用多种信息化的手段，为学生提供丰富的课内外教学资源。同时教师根据教学进程向学生发放不同的闯关题目，以提高教学效果。

4）教学过程

教师导入闯关情景：教师首先结合先前所学的知识以及闯关素材将学生引入游戏情景，激发学生的学习兴趣，每个大关卡内设置有难度层层递进的小关卡。教师依据课前的评估测试将学生进行分组，开设闯关主题（以排列组合为例，微课视频内的课前闯关题目如表1所示，课中闯关如表2所示），展示关卡：

表1 微课视频中闯关题目的设置

表2 课中闯关题目设置

第一关：用计算机破解密码。

第二关：用概率求π近似值。

第三关：用余数完成网络传输的校验。

第四关：用递归快速解决汉诺塔问题。

教师任务引导，学生探索闯关：教师把握教学节奏，控制好每一关卡的答题时间，并将限制的时间长度告知学生，告知学生任务要求，给予学生一定时间进行思考讨论。学生开始小组活动。

教师观察指导，学生完成闯关任务、数据记录和汇报：教师在学生进行小组讨论的时候进行巡视指导，对有问题的学生及时进行排疑解惑，随机点名，要求学生对讨论结果及解答报告进行一个简单的汇报。学生在小组内部积极讨论，做好记录，完成汇报。

教师进行评价、讲授和收集数据，学生巩固强化：教师对进行汇报的内容进行评价，讲述过关的正确思路，并收集学生的相关记录进行打分。学生认真听教师讲解正确思路，对照自己的解题思路，反思自己的解题方法，从而对知识点进行巩固和强化。

布置课后作业，学生完成对应的课后关卡：教师根据学生做好的记录得分进行分析，根据不同层次的小组布置对应难度的课后练习作业，课后作业也将设置成不同难度层次的闯关任务（以计算机破解密码为例，课后闯关如图1所示）：“入门闯关任务”“普通闯关任务”“提高闯关任务”。保证题目难度适合不同学习要求的学生[7]。

图1 课后闯关题目层次设计

5）教学评价

在设计本章节教学评价的相关内容时，需结合实际情况设计学生自评表、小组评价表和教师评价表。

学生自评表从学生在课上的表现、态度、能力等维度出发，来对其自身进行评价，学生根据每个维度的具体行为表现的描述为自己评分，在一定程度上也起到了自己监督的作用；小组评价表是根据组员在小组活动中的表现进行评价，以提升学生合作学习的能力；教师评价表则体现学生的整体学习状况，主要评价学生的作业，以督促学生自主学习[4]。

4 结束语

本项目组基于高中信息技术课堂中算法应用模块课程现状，结合高一年级学生的特点，将“闯关式”教学法与对分课堂教学模式结合，对算法应用模块内容进行章节设计，将原本零散的算法应用模块的知识内容进行归纳整合，让学生在闯关中做到综合运用算法知识，充分发挥学生学习的主动性，能在一定程度上改善高中信息技术课程的现状。