楊娟

摘要：隨著信息技術學科核心素養(yǎng)的提出，計算思維已然成為中小學信息技術課堂教學目標之一。但是對于計算思維是什么，如何在課堂教學中開展計算思維教育，以及如何基于可視化編程工具培養(yǎng)學生計算思維等問題，一線教師還存在一定的困惑。作者結合現(xiàn)狀，參照問題解決的一般流程，將計算思維的五大核心要素融入其中，構建了基于問題解決的計算思維培養(yǎng)模式，并以“水溫杯墊”一課為例，采用此模式開展課堂教學，以期能為中小學教師進行計算思維的培養(yǎng)提供一些思路。

關鍵詞：計算思維;培養(yǎng)模式;labplus

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2019）23-0053-05

● 引言

隨著信息技術學科核心素養(yǎng)的提出，計算思維的培養(yǎng)已經(jīng)成為中小學信息技術課程的重要目標指向。與此同時，可視化的編程工具（如Scratch、App Inventor、Micro：bit等）大量進入中小學信息技術日常教學。這些工具的引入雖然在很大程度上調動了學生的學習興趣與積極性，但是因為教師對這些工具背后所隱含的計算思維特征還缺乏一定的認識與理解，所以在日常的教學中教師仍采用一些相對單一的教學模式，過于重視知識與技能的學習，忽視對學生計算思維的培養(yǎng)。因此，作為計算思維培養(yǎng)主要陣地的信息技術課程，十分有必要重構原有的課堂教學模式，重新設計課堂教學環(huán)節(jié)，明確教育目標，并通過一系列的任務或項目，實現(xiàn)對學生計算思維的培養(yǎng)。本研究以小學信息技術課程為依托，借助可視化編程工具——labplus，構建了基于問題解決的計算思維培養(yǎng)模式，將抽象的計算思維培養(yǎng)融入到具體的教學活動中，希望能為一線的教育工作者們在日常教學中開展計算思維培養(yǎng)提供一些思路。

● 計算思維深度解析

計算思維這一名詞，早在20世紀五六十年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但由于那個時候深受將計算機教育等同于編程觀念的影響，人們都將計算思維等同于算法思維、程序思維。[1]2006年，周以真教授首次提出了“計算思維”這一概念，認為“計算思維就是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動”。[2]這一定義，明確了計算思維所指向的以計算機科學概念為工具的一系列思維活動，但由于此定義過于寬泛、抽象，對于一線教師來說更是缺乏實際的可操作性，所以現(xiàn)實中的計算思維教育難以展開。

2013年，英國南安普敦大學的Cynthia Selby和John Woollard兩位博士再次明確了基于計算思維進行問題解決的主要表現(xiàn)，具體包括[3]：①抽象：通過減少不必要的細節(jié)使事物更容易被理解的過程[4]，即屏蔽情境中重復、無用的信息，保留問題的關鍵部分;②分解：對已有的數(shù)據(jù)進行分析并能夠將一個復雜的問題分解成若干個已知的小問題;③概括：這是一種基于先前解決問題的方法，以原先的經(jīng)驗為基礎，快速解決問題的方式;④算法思維：將需要解決的問題用計算機語言或程序表達出來，以便計算機能夠自動執(zhí)行;⑤評估：對所編寫的代碼或應用按照一定的標準進行評價。由此可以看出，計算思維是指人類借助于計算機解決問題的思維，它描述了人們在解決問題的過程中所采取的主要方法與步驟，并且這些方式最終能夠借助計算機工具自動執(zhí)行。

● 基于參與的計算思維培養(yǎng)路徑

近年來，隨著對計算思維研究的不斷深入，對計算思維的理解出現(xiàn)了新的變化，如計算參與。計算參與是對計算思維的新解讀，也是計算思維教育發(fā)展的一種新范式。2012年，美國賓夕法尼亞大學教育研究生院的Yasmin B. Kafai教授指出，以“社會化轉向”為特征的計算參與將是培養(yǎng)學生計算思維的新范型，主張從編寫程序代碼轉向使用代碼創(chuàng)建應用，從使用代碼設計工具轉向促進在社區(qū)中交流代碼應用，從使用Scratch創(chuàng)作轉向在他人的作品上進行再修改和再創(chuàng)作，并將其視為K-12階段學生學習編碼的一種新范式。[5]計算參與的提出，不僅改變了傳統(tǒng)的計算思維教學中只是一味注重編程、算法學習的方式，更強調了設計有意義的、真實的應用程序去解決實際生活中的具體問題，改變了以往計算思維培養(yǎng)中，以獨立完成任務為主，過于強調學生在解決問題過程中的個體性，而忽視對學生的社會性和協(xié)作性的培養(yǎng)的方式。

基于參與的計算思維培養(yǎng)路徑，不是要全盤否定編程或忽視學生的編程能力，它更加注重學生從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題的全過程，更加注重應用的創(chuàng)建和在創(chuàng)建應用過程中學生之間的社會化交往，而編程僅僅是這個過程當中的一個重要環(huán)節(jié)。通過此培養(yǎng)路徑，學生可以基于現(xiàn)實需要或自己的想法創(chuàng)設有意義的各種應用，這不僅能夠將學生從枯燥乏味的代碼練習、晦澀難懂的算法學習中解放出來，而且能夠讓學生在創(chuàng)建應用的過程中進一步交流與合作。因此，在一定程度上可以說計算參與是培養(yǎng)計算思維的新方法，基于參與的計算思維培養(yǎng)路徑更注重計算思維的實踐性與社會性，使得計算思維教育更加全面，也為計算思維的“落地”提供了有力的保障。

● 基于問題解決的計算思維培養(yǎng)模式

目前，國內(nèi)對計算思維教育的研究還處于起步階段，現(xiàn)有的研究大多是從宏觀層面對計算思維融入教學活動進行闡述，而對計算思維究竟該如何培養(yǎng)、具體的方法或流程是什么很少涉及。當前學校的計算思維教育有的偏重于教編程或教算法，有的偏重于通過大量引進各種先進的工具培養(yǎng)學生動手能力，這一定程度上，反而忽視了思維的培養(yǎng)。因此，針對上述現(xiàn)象，本研究參照問題解決的一般流程，將Cynthia Selby和John Woollard兩位博士所提出的計算思維的五大核心要素與問題解決的一般流程相互對應，構建了基于問題解決的計算思維培養(yǎng)模式（如下頁圖1），從而將原先僅僅注重編程或算法的信息技術課堂教學轉向了注重應用創(chuàng)建、學生主動參與的探究性課堂。通過解決現(xiàn)實生活中常見的一個個問題，最終實現(xiàn)對學生計算思維的培養(yǎng)。

以問題為導向的教學在中小學課堂教學中十分普遍。圖1中的第一條脈絡就是信息技術課堂教學中最常用的方式之一，即：學生根據(jù)教師所創(chuàng)設的問題情境積極思考，實現(xiàn)新課的導入;教師適時進行新知的講授，并呈現(xiàn)一些具體的任務要求;鼓勵學生根據(jù)需求動手操作，在學生操作的過程中教師可以給予一定的幫助，最后由學生展示自己的作品，教師引導學生一起做課堂小結。而第二條脈絡是在第一條脈絡的基礎上融入了計算思維的五大核心要素和計算參與，將計算思維的各要素整合到課堂教學環(huán)節(jié)中，并始終圍繞應用創(chuàng)建和促進學生交流合作這一宗旨，在學生完成應用的同時能夠實現(xiàn)對學生的計算思維能力培養(yǎng)的目的。

基于問題解決的計算思維培養(yǎng)模式的主要活動介紹如下：

（1）抽象問題。課堂教學從具體問題引入，這一環(huán)節(jié)關鍵在于引導學生根據(jù)問題情境抽象出問題的本質，摒棄重復與無關信息，并能夠迅速定位出問題。

（2）問題分解與概括。針對上個環(huán)節(jié)中抽象出的問題，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)或信息試著對該問題的組成部分進行分解，將其分解成一個個已知的小問題，并引導學生運用流程圖、概念圖等方式勾勒問題的分解過程。而概括則是教師針對所出現(xiàn)的問題引導學生搜索先前解決問題的方法，若能夠找到則直接提取問題的解決方案，若沒有找到類似的問題則需引導學生回到問題本身，按照分解的方式進行問題分解，最后再將本次解決問題的思路進行歸納與總結，以便下次遇到類似問題能夠快速解決。

（3）設計算法。這是該模式的核心部分，在此過程中教師要引導學生將上述的分析思路運用計算機能夠理解的方式（如程序或代碼等），搭建應用所需要的主要代碼模塊，并不斷調試代碼模塊，直到能夠順利完成應用的創(chuàng)建。

（4）反思評估。這一般是課堂的最后環(huán)節(jié)，即學生展示作品的過程。在此過程中，引導學生用自己的語言去表述創(chuàng)作思路，講解作品。其他同學根據(jù)描述積極評價該應用的優(yōu)缺點，最后教師再做一個總結性評價。

● 基于問題解決的計算思維培養(yǎng)模式的教學實踐

下面，筆者基于labplus，以“水溫杯墊”為例，對課堂教學活動中所涉及的基于問題解決的計算思維培養(yǎng)的各個方面進行具體闡述。

1.根據(jù)情境，抽象問題

在開始正式上課之前，教師詢問學生是否還記得“烏鴉喝水”的故事，并與學生一起回憶故事的主要情節(jié)。隨后，教師適時在PPT上呈現(xiàn)兩幅不一樣的“烏鴉喝水”畫面：一幅是一杯熱氣騰騰的水和一只焦急等待的烏鴉;另一幅是水特別涼，烏鴉喝完后肚子很不舒服。就此情境引發(fā)學生想象，思考該如何幫助烏鴉解決問題，學生積極討論，開展頭腦風暴。最終在教師的引導下，學生發(fā)現(xiàn)烏鴉最大的麻煩在于“不知道水的溫度”，從而抽象出該情境的本質問題，這是問題解決的第一步——發(fā)現(xiàn)問題。這時，教師在PPT上呈現(xiàn)本節(jié)課的教學重點，即制作一款水溫杯墊來測試水的溫度。學生明晰本課的教學重點后，思索要實現(xiàn)水溫杯墊的功能，需要有能夠測試水溫的模塊和水溫控制模塊，然后就是水溫測試完畢該如何呈現(xiàn)。經(jīng)過梳理后，學生都能清晰地了解制作這一款水溫杯墊的應用，需要用到輸入模塊、控制模塊和輸出模塊三大模塊。

2.問題分解與概括

在學生建立起基于“輸入—控制—輸出”的整體思路后，引導學生分析具體的問題：當溫度大于36度時，LED燈長亮且蜂鳴器長叫;當溫度在32度到36度之間時，LED燈快速閃爍2次，蜂鳴器5秒后停止;當?shù)陀?2度時，LED燈不亮且蜂鳴器不叫。任務發(fā)布完后，教師引導學生回想以前是否解決過類似的問題，如果有就直接提取問題解決的方法，沒有則對問題進行分解。

本節(jié)課，采用了小組討論以及引導學生繪制流程圖的方式，幫助學生理解、分析問題。圖2為第二組學生繪制的簡易流程圖，從圖中可以看出，最大的難點在于對控制模塊的把握，該組學生采用了2組判斷語句，將上述任務分解成了3個小問題。

3.應用搭建

基于上述分析，各小組都能順利找出應用搭建所需要的模塊。在組裝模塊的過程中，有小組發(fā)現(xiàn)任務中需要同時實現(xiàn)LED燈閃爍、蜂鳴器長叫這兩種輸出。當學生疑惑該如何實現(xiàn)這兩種輸出時，教師及時引導學生回想上一節(jié)課留言盒中是如何實現(xiàn)兩個按鍵并聯(lián)的。在教師的提示下，學生找到了要實現(xiàn)兩路輸入/輸出信號合并/分離的分支模塊，完成了應用的搭建。與此同時，教師適時教導學生，學習中知識往往是零散的，要學會總結、歸納已經(jīng)學過的內(nèi)容，建構知識框架，從而實現(xiàn)有意義的學習。

4.設計算法，調試應用

要想使計算機能夠理解人的意圖與想法，就必須將問題的解決思路、方法與手段，運用計算機能夠理解的方式告訴它，讓計算機能夠按照人的指令去執(zhí)行任務。這種人與計算機之間交流的過程就是編程。而人們常說的算法即是編程中所運用的解決問題的一系列指令的集合，也是人與計算機進行交流的方式，它是編程的一個重要組成部分，也是計算思維的核心。在模塊組建完成后，接下來最重要的就是告訴模塊該如何實現(xiàn)上述功能，即如何運用labplus軟件去搭建程序、設計算法。通過前期分析，每個小組基本都能熟練運用選擇和循環(huán)語句搭建。

教師在巡視的過程中發(fā)現(xiàn)，各小組不僅完成了“水溫杯墊”應用的基本功能，而且一部分學生還在此基礎上對程序進行了進一步的構思與創(chuàng)新，如加入了燈帶的設計。通過燈帶閃爍的不同顏色來判斷水的溫度，既美化了杯墊應用，也更加富有個性化。當然，學生在編程遇到困難時還可以參考互動學習平臺上教師上傳的微課，進行視頻學習。

5.展示評估

在課堂最后環(huán)節(jié)，教師引導學生積極展示小組作品，并闡述是如何發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的。學生將自己的作品，通過拍照上傳的方式，上傳到互動學習平臺。每位學生選擇兩組同學的作品，進行評價，指出他們的優(yōu)點與不足，最后教師再根據(jù)學生們的評價做總結性的概括。課堂及時評價能夠讓學生及時獲得反饋、調整設計，而且學生在描述其創(chuàng)作過程時，可以將隱性的思維過程通過語言的方式較為完整地表述出來。這樣的展示交流能夠增強學生的信心，也符合現(xiàn)階段基礎教育階段對人才的培養(yǎng)要求。

課堂展示環(huán)節(jié)總是精彩而短暫的，那些未能在課上展示的學生或還未完成的學生，可以在課后將作品上傳到平臺，供教師和同伴查看、點評。在學習互動平臺，師生、生生之間可以及時地溝通和交流，從而將課堂教學活動延續(xù)至平臺，有效地實現(xiàn)了線上、線下的混合式學習。

● 小結

基于問題解決的計算思維培養(yǎng)模式，以問題為導向，將計算思維的核心要素融入到解決問題、構建應用的具體教學環(huán)節(jié)當中。在創(chuàng)設應用的過程中，學生之間相互協(xié)作、交流，改變了以往計算思維教育中片面地強調編程或算法學習的狀況。此模式并沒有完全顛覆原有的教學方式，只是在原有的基礎上進行了一些增改。教師只需在教學設計的各環(huán)節(jié)當中突出對計算思維五大核心要素的培養(yǎng)即可，其操作簡單、方便，在一定程度上滿足了現(xiàn)階段一線教師對學生計算思維培養(yǎng)的需求。

參考文獻：

[1]劉敏娜，張倩葦.國外計算思維教育研究進展[J].開放教育研究，2018，24（01）：41-53.

[2]Wing J M. Computational Thinking[J].Communication of the ACM，2006，49（03）：33-35.

[3]謝忠新，曹楊璐.中小學信息技術學科學生計算思維培養(yǎng)的策略與方法[J].中國電化教育，2015（11）：116-120.

[4]朱珂，賈彥玲，馮冬雪.歐洲義務教育階段發(fā)展計算思維的理論與實踐研究[J].電化教育研究，2019（09）：1-9.

[5]王旭卿.從計算思維到計算參與：美國中小學程序設計教學的社會化轉向與啟示[J].中國電化教育，2014（03）：97-100.