在編程教學(xué)中培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維力的探索與實踐

張廬

摘要： 中小學(xué)生處于思維發(fā)展的關(guān)鍵期，其中計算思維的發(fā)展尤為重要。本研究旨在探索在編程教學(xué)中培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維的新型教學(xué)模式，通過編寫適用于培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維的教學(xué)案例集，開發(fā)編程課例和科技創(chuàng)新校本課程，營造科技創(chuàng)新的校園文化氛圍，為區(qū)域內(nèi)的信息技術(shù)教育提供有效范例。

關(guān)鍵詞： 編程? 計算思維? 課程模型? 評價

一、國內(nèi)外計算思維培養(yǎng)研究現(xiàn)狀

計算思維在國外以應(yīng)用研究為主，主要集中在K-12階段。我國在高等教育階段研究計算思維較多，但計算思維的培養(yǎng)需要很長的時間，無法在高校一蹴而就，故而越來越多的學(xué)者將注意力集中到九年義務(wù)階段中小學(xué)生計算思維的培養(yǎng)上。

很多學(xué)者將編程教育和技術(shù)產(chǎn)品相結(jié)合，研究如何激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生計算思維力。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將計算思維列為四大核心素養(yǎng)之一，突出了在中小學(xué)推廣編程教育的重要性;而中小學(xué)信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)也將編程教育納入中小學(xué)信息技術(shù)課程體系中。從實踐的角度來看，在我國中小學(xué)階段，利用編程教學(xué)提升中小學(xué)生計算思維的研究時間較短，教學(xué)效果不穩(wěn)定，普及性還需要在教學(xué)實踐中檢驗。

二、計算思維的概念

計算思維的概念在中國最早是由周以真教授提出的。計算思維在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中的定義是：在信息技術(shù)教學(xué)過程中，針對問題抽象出相同的特征，把問題概念化，建立解決問題的模型，應(yīng)用此模型解決其他相似的問題。

三、中小學(xué)生思維發(fā)展的特點

思維是“人腦內(nèi)部顯示的客觀世界的狀態(tài)，是人腦對客觀事物的反映”。兒童思維發(fā)展有以下幾個階段的特點：

上表顯示，小學(xué)高年級以及初中階段的學(xué)生思維已經(jīng)發(fā)展到可以抽象出事物本質(zhì)，將事物概念化，并且可以通過邏輯推理的形式思考問題，這個階段是思維發(fā)展的關(guān)鍵期。小學(xué)高年級階段可以教授學(xué)生基本的計算機知識、計算機編程基礎(chǔ)，讓學(xué)生體驗程序控制的技術(shù)，初步培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。中學(xué)階段計算思維的培養(yǎng)目標(biāo)主要表現(xiàn)為積極運用計算機的基本知識和技能來解決現(xiàn)實問題，能夠做出推理判斷，合理分析問題，總結(jié)提煉出主要問題，利用事物之間的聯(lián)系來處理問題，培養(yǎng)堅持不懈的探究精神。

四、在編程教學(xué)中培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維的研究背景及意義

在信息時代背景下，世界上很多國家將少兒編程納入中小學(xué)課程體系，給出了教育政策導(dǎo)向，為編程教學(xué)的課程實施提供了有力依據(jù)。但我國義務(wù)教育階段信息學(xué)科的新課程標(biāo)準(zhǔn)并未明確這方面，學(xué)校的編程教育處于一片空白。很多中小學(xué)信息技術(shù)教師都不了解計算思維的含義，在課堂上注重理論知識的傳授、知識技能的提升，缺乏對學(xué)生思維意識的鍛煉，在課程教學(xué)中沒有關(guān)注到學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。因此，我們在中小學(xué)開展這項研究。此項研究具有多方面的意義。首先，引領(lǐng)教師專業(yè)成長。教師在研究過程中，學(xué)習(xí)理解學(xué)生計算思維的要素，設(shè)計出與計算思維要素相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容并融入課堂教學(xué)中，成長為符合時代發(fā)展要求的優(yōu)秀導(dǎo)師。其次，要完善計算思維培養(yǎng)的課程體系建設(shè)。

深入研究和分析課程模型的構(gòu)建，在編程教學(xué)中，運用自主探究的學(xué)習(xí)方法，引導(dǎo)學(xué)生運用計算思維處理問題，提出解決問題的有效方案。在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，觀察學(xué)生的情緒狀態(tài)是否積極，思考問題的習(xí)慣是否改變，思維能力測評是否達到預(yù)期效果，再根據(jù)實際情況對教學(xué)活動進行合理的調(diào)整及改進，形成可供參考的教學(xué)實踐案例，研發(fā)培養(yǎng)計算思維的課程模型，在區(qū)域內(nèi)起到示范、引領(lǐng)的作用，為國內(nèi)的編程教學(xué)提供一個可借鑒的參考模式。

五、基于計算思維培養(yǎng)的編程教學(xué)實踐研究

（一）研究方法

1.文獻分析法：以計算思維和編程教學(xué)為關(guān)鍵詞搜索國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，了解國內(nèi)外對計算思維的理論研究和基于學(xué)生計算思維培養(yǎng)的編程教學(xué)實踐研究。

2.行動研究法：集體研討教案，在教學(xué)實踐中，分析合肥市高新區(qū)被試學(xué)生情況，根據(jù)學(xué)情及時調(diào)整研究方案，再次進行實踐并將相關(guān)記錄和經(jīng)驗總結(jié)形成文字材料。

3.實驗法：立足實驗對象，對比實驗前、實驗后對合肥市夢園小學(xué)、高新創(chuàng)新實驗小學(xué)、高新創(chuàng)新實驗中學(xué)學(xué)生計算思維量表數(shù)據(jù)，找到適合學(xué)生計算思維培養(yǎng)的方案。

（二）在編程教學(xué)及科技創(chuàng)新大賽中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的探索實踐

教學(xué)對象來自合肥市夢園小學(xué)、高新創(chuàng)新實驗小學(xué)、高新創(chuàng)新實驗中學(xué)。教學(xué)內(nèi)容分為三類：小學(xué)以Scratch可視化編程為主，中學(xué)以C++語言編程為主，還有一類是以圖形化編程linkboy和VJC軟件編程為工具進行科技創(chuàng)新。具體流程如下：

1.在合肥市夢園小學(xué)、高新創(chuàng)新實驗小學(xué)4—6年級，高新創(chuàng)新實驗中學(xué)七年級、八年級開展編程教育必修課和社團課。必修課整合教材的拓展內(nèi)容，主要包括Scratch初級創(chuàng)意編程;社團課涉及信息學(xué)競賽（C++編程）、STEAM教育、機器人社團、科技創(chuàng)新大賽，利用課余時間，打造一批科技創(chuàng)新型學(xué)生團體。以社團課程為立足點，設(shè)計教學(xué)目標(biāo)，將培養(yǎng)學(xué)生計算思維貫徹教學(xué)過程，指導(dǎo)課堂教學(xué)，不斷摸索總結(jié)案例、經(jīng)驗，出版優(yōu)秀教學(xué)案例集，形成一套獨具魅力的中小學(xué)編程教育課程體系，在全區(qū)推廣，為一線教師提供可借鑒的教學(xué)模式。

2.通過“專題培訓(xùn)”“專家講座”“項目式學(xué)習(xí)”“主題分享”“評估評價”等一系列活動，讓教師在備課、上課、課后反思以及拓展研究的過程中明確如何利用編程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念和行為，在教學(xué)實踐中不斷改進教學(xué)設(shè)計思路，開發(fā)出適合我區(qū)學(xué)生實際學(xué)習(xí)能力的校本課程，提升教師對校本課程的研發(fā)能力，促進編程教學(xué)和科技創(chuàng)新的發(fā)展。同時解放教師和學(xué)生思維，著力培養(yǎng)師生創(chuàng)造、實踐、分享、團隊協(xié)作等核心綜合素質(zhì)，實現(xiàn)教師與學(xué)生的共同成長，形成科技創(chuàng)新的校園文化特色。

3.進行實驗授課，將被試學(xué)生劃分為實驗組A、對照組B、對照組C。實驗組分為兩類：圖形化編程與文本語言編程學(xué)習(xí)。實驗組都采用相同的教學(xué)設(shè)計。具體方法：（1）將小學(xué)學(xué)過編程的同學(xué)歸為A組，沒學(xué)過的歸為B組，對比A組、B組學(xué)生的計算思維測試結(jié)果，得出一些啟示。（2）將初中學(xué)過編程的同學(xué)歸為A組，沒學(xué)過的歸為B組，在初中A組、B組學(xué)生學(xué)習(xí)一段時間編程后再進行計算思維測試，比較A組、B組學(xué)生結(jié)果，并得出一些啟示。同時將在小學(xué)、初中都沒有學(xué)過編程的C組學(xué)生作為對照組。

4.針對課本上的Scratch初級創(chuàng)意編程，高新區(qū)小學(xué)教師每人設(shè)計了一節(jié)精彩課例，再經(jīng)過共同研討、修改，形成了區(qū)本課程。在教學(xué)過程中教師先引出問題，再根據(jù)問題請學(xué)生規(guī)劃需要的程序算法。在老師的引導(dǎo)下，學(xué)生探究完成程序設(shè)計，最后再總結(jié)出共同的規(guī)律。創(chuàng)新實驗中學(xué)的信息學(xué)科競賽課堂、機器人課堂、科技創(chuàng)新大賽課堂均采用項目化教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識，構(gòu)思設(shè)計出新方法或者新事物。在創(chuàng)新合作、積極進取的學(xué)習(xí)氛圍中，學(xué)生開闊了視野，拓展了思路。

5.利用問卷調(diào)查法，從認(rèn)知、情感、意志三個維度，評測合肥市夢園小學(xué)、高新創(chuàng)新實驗小學(xué)、高新創(chuàng)新實驗中學(xué)的被試學(xué)生，分析這些學(xué)生在編程學(xué)習(xí)過程中計算思維的發(fā)展情況，根據(jù)分析結(jié)果，檢驗編程教學(xué)中的計算思維培養(yǎng)效果。

六、計算思維培養(yǎng)效果的評價

計算思維培養(yǎng)的有效性，需要通過評價來檢驗。學(xué)生的表達將自己計算思維意識外顯化。

為有效解決問題，人們首先感知問題的表象;其次分析問題間的聯(lián)系，抽象出問題的本質(zhì);最后判斷、組合、設(shè)計出解決問題的最佳方案。這是人類意識中認(rèn)知、情感、意志共同作用的活動過程。計算思維的一級評價指標(biāo)定為認(rèn)知、情感、意志。計算思維認(rèn)知維度下的二級指標(biāo)包括記憶、言語、抽象、想象。計算思維情感維度下的二級指標(biāo)包括開放性、外傾性、責(zé)任心。計算思維意志維度下的二級指標(biāo)包括自覺性、獨立性、果斷性、自制性。計算思維的評價量表如下：

基于上述量表，合肥市夢園小學(xué)、高新創(chuàng)新實驗小學(xué)、高新創(chuàng)新實驗中學(xué)的被試學(xué)生無論在小學(xué)還是在初中階段，學(xué)習(xí)過編程或者參與過科技創(chuàng)新大賽的B組同學(xué)，平均分?jǐn)?shù)要高于沒有學(xué)習(xí)過此類課程的A組同學(xué)。而對照組C組同學(xué)（在小學(xué)、初中均沒有學(xué)習(xí)過編程課程以及參與過科技創(chuàng)新大賽）的量表分?jǐn)?shù)最低。

七、總結(jié)與展望

關(guān)于培養(yǎng)學(xué)生計算思維的研究越來越受到學(xué)者的關(guān)注，很多學(xué)者在實踐中不斷探索培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維的方法。我們主要研究在編程教學(xué)和科技創(chuàng)新活動中如何培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維，并取得了一定的成果。我們主要做了以下工作：

第一，分析國內(nèi)外計算思維研究的現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)針對不同年齡階段學(xué)生進行計算思維培養(yǎng)的方法和經(jīng)驗。我們了解到計算思維培養(yǎng)的研究正不斷地向中小學(xué)階段傾斜，明確了在中小學(xué)階段發(fā)展學(xué)生計算思維的重要性。

第二，對計算思維的內(nèi)涵和中小學(xué)生思維特點的分析研究，讓我們找到了進行義務(wù)教育階段中小學(xué)生計算思維培養(yǎng)的方向。

第三，我們探究了在中小學(xué)編程教學(xué)中培養(yǎng)計算思維的理論依據(jù)和策略目標(biāo)，形成獨特的編程教學(xué)、科技創(chuàng)新教學(xué)體系模式，帶動區(qū)域課堂教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展。

第四，運用量表評價中小學(xué)生計算思維在編程學(xué)習(xí)及科技創(chuàng)新活動中的發(fā)展情況，通過對比分析實驗前后的數(shù)據(jù)，檢驗在編程教學(xué)中培養(yǎng)計算思維效果并及時調(diào)整教學(xué)策略，設(shè)計出科學(xué)可行的課程模型并在全區(qū)范圍內(nèi)的信息技術(shù)課堂上推廣傳播。

第五，引導(dǎo)教師學(xué)習(xí)先進的教學(xué)理念，探索計算思維能力的要素，改變原有的教學(xué)習(xí)慣，創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計，在編程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，成長為適應(yīng)新時代發(fā)展需要的創(chuàng)新型教師。

計算思維的培養(yǎng)是計算機教育領(lǐng)域的熱門話題。將計算思維的培養(yǎng)融入中小學(xué)信息技術(shù)課堂，是信息技術(shù)課程改革和教學(xué)研究的重要方向之一。未來，我們將繼續(xù)探索更有效的培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維的教學(xué)策略。

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責(zé)任編輯：丁 蔚

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