陳輝濤 魯晶

摘 要：計算思維培養(yǎng)的途徑很多，編程學習是一個很好的依托工具和抓手。筆者從初中信息技術(shù)編程教學入手，通過一線教學實踐總結(jié)出培養(yǎng)學生計算思維的教學策略：運用項目式教學法培養(yǎng)學生的計算思維;運用案例教學法培養(yǎng)學生的計算思維;運用模式識別培養(yǎng)學生的計算思維;運用自主探究方式培養(yǎng)學生的計算思維。

關鍵詞：計算思維;培養(yǎng)內(nèi)容;教學策略

中圖分類號：G4 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2019）04-0059-05

一、研究背景

2006年美國卡內(nèi)基·梅隆大學周以真教授明確提出了計算思維的概念，“計算思維是一種運用計算機科學基本概念求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為的方式，涵蓋了計算機科學領域廣度的一系列思維工具”[1]。這個概念一經(jīng)提出，就成為國外學者研究的熱點。歐美一些國家早早就把計算思維列為21世紀人才發(fā)展必須具備的能力。在英國，中小學信息技術(shù)的一個重要課程內(nèi)容就是計算思維;在美國，“K-12計算機課程標準”明確將計算思維定為重要課程內(nèi)容之一。查閱資料發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)關于計算思維的研究實踐工作處于初級階段，但發(fā)展迅速。

計算思維存在于很多學科，信息技術(shù)學科尤為明顯。信息時代的到來讓人們的認知結(jié)構(gòu)和思維特征都發(fā)生了改變，如何創(chuàng)造性地使用信息技術(shù)培養(yǎng)有計算思維能力的數(shù)字公民成為教育工作者研究的重要問題。2012年國家教育部高教司設立以計算思維為切入點的“大學計算機課程改革項目”，探索在高校培養(yǎng)學生計算思維的方法。2018年1月18日教育部發(fā)布《普通高中信息技術(shù)課程標準：2017年版》，其中明確將計算思維列入高中信息技術(shù)學科核心素養(yǎng)的四個核心要素之列，要求學生運用計算思維識別與分析問題，抽象、建模與設計系統(tǒng)性解決方案。[2]任友群教授在發(fā)文中講道：“在信息技術(shù)課程中，不僅需要普及計算機科學概念，更需要引導學生將計算思維合理地應用至日常生活與學習之中，形成一種思維習慣。”[3]謝忠新等人認為中小學信息技術(shù)課程的學科思維應該關注學生計算思維、批判性思維與創(chuàng)新思維，其中學生計算思維應該作為中小學信息技術(shù)課程的重要目標。在信息化時代的今天，在中小學信息技術(shù)教育中，教學生掌握計算思維比教學生單純地學習操作計算機更為重要。[4]

眾所周知，中學的信息技術(shù)課程與高校的計算機課程是一脈相承的，在中學階段通過什么樣的方式和途徑培養(yǎng)學生的計算思維能力，是需要我們初中信息技術(shù)教師思考和探索的問題。實踐證明，在初中信息技術(shù)學科落實計算思維的培養(yǎng)，編程學習是一種很好的途徑。在初中信息技術(shù)教學中，教師將計算思維融入不同的編程語言學習中，能有效地訓練學生在學習和創(chuàng)作過程中的算法、分解、抽象和概括以及評估方面的能力，鍛煉邏輯思維能力、算法設計能力、合作能力和溝通能力，提升計算思維與信息素養(yǎng)。

二、確定基于學情的計算思維培養(yǎng)內(nèi)容

對于七年級學生來說，由于沒有編程學習的基礎，就需要從形象思維方面去培養(yǎng)學生的計算思維，因此我們將學習內(nèi)容設定為Scratch圖形化編程：掌握各類指令積木塊的使用;了解程序的三大結(jié)構(gòu);學會通過拖拽指令積木的方式編寫程序，創(chuàng)造出交互式故事、動畫、游戲、音樂和藝術(shù)作品的程序。兩個學期，每學期共用12課時完成。而對于八年級學生來說，他們具備一定的信息處理能力和編程基礎，我們就可以從邏輯思維方面來培養(yǎng)學生的計算思維。因此我們將學習內(nèi)容設定為VB代碼編程，引導學生掌握VB編程軟件的使用，通過編寫代碼來解決學習生活中的問題，一個學期，用14課時完成。最后八年級下學期再通過課本上仿真機器人的編程學習，將圖形化編程和代碼編程結(jié)合起來，幫助學生學會運用計算思維去探索、解決學習生活中的問題，將計算思維的培養(yǎng)落到實處。

三、培養(yǎng)計算思維所采用的教學策略

（一）用項目式教學法培養(yǎng)學生計算思維

所謂項目式教學法就是在教師的指導下，學生通過獨立或者合作的形式參與完成一個完整的項目活動，包括分析問題、設計程序到形成解決問題的方法等，在項目實施的過程中，教師做好引導，學生作為主體參與活動。最后學生通過完成項目從而找出解決問題的方法并進行拓展延伸。我們就在教學中采用項目式學習，首先展示項目并確定具體任務。學生明確任務后開始分組或獨立實施項目。在項目實施的過程中，學生會經(jīng)歷以下幾個步驟：分析問題→確定計算方法→算法流程分析→編寫程序→調(diào)試程序→形成方案。這一系列的操作對于學生邏輯思維能力和計算思維能力培養(yǎng)起著重要的作用。

【案例1】飄落的花瓣

學生參與并完成項目，主要有以下幾個步驟：

第一步：確定項目任務

教師展示作品《飄落的花瓣》，請學生獨立設計或者分組合作完成這個項目。學生明確任務后，開始項目的實施。

第二步：實施項目過程

（1）分析問題：天空中飄落的花瓣是一個角色還是多個角色？如何實現(xiàn)花瓣飄落的效果？通過什么語句實現(xiàn)？

（2）確定計算方法：通過對角色進行抽象和分解，得出天空中的花瓣是一個角色，且通過克隆可以實現(xiàn)花瓣雨的效果。其中，花瓣的飄落是通過y坐標數(shù)值的減少來實現(xiàn)的，為了呈現(xiàn)更真實的效果，增加其旋轉(zhuǎn)的角度，最后碰到邊緣刪除本克隆體。

（3）算法流程分析：上一步確定了計算方法，下面就可以通過流程圖幫助學生更清晰地了解程序。

（4）編程程序：根據(jù)對流程圖的分析、理解，在Scratch的程序區(qū)域拖拽相應的指令，修改參數(shù)并完成程序的編寫。

（5）調(diào)試程序和形成方案：編寫好的程序可能在運行的過程中會出現(xiàn)問題，因此需要學生糾錯、調(diào)試、改進程序。學生調(diào)試程序的過程，就需要像計算機執(zhí)行程序一樣去思考執(zhí)行語句，理解每一步實現(xiàn)的效果。在這樣的“分析—設計—編程—測試—調(diào)試”的過程中，學生的計算思維得到提升。通過匯報解決問題的方案，完成整個項目活動。

第三步：項目拓展創(chuàng)新

學生完成項目后，教師再鼓勵學生思考：類比這個程序，還能創(chuàng)作哪些作品？比如飄舞的雪花、緩緩升起的氣球、水中不斷冒出的氣泡等。學習編程的目的不是僅僅完成某個單獨的程序或者解決某個單獨的問題，而是運用這種方法去解決類似的諸多問題，進行知識的遷移，同時借助歸納、實踐來拓展、創(chuàng)新。

（二）運用案例教學法培養(yǎng)學生的計算思維

學生剛開始學習編程時覺得抽象、不好理解，為了更好地幫助學生理解，任課教師在設計案例時結(jié)合學生學習、生活中的實例，并提出有針對性的討論任務或者問題，讓學生預先討論、分析問題，接著再引導學生對案例進行模仿、創(chuàng)作，從而歸納出解決問題的方法，最后再遷移、拓展到類似問題上，逐步培養(yǎng)和提升學生的計算思維。

【案例2】在圖片框中顯示一張圖片

這是一個調(diào)用Picturebox對象修改Picture屬性的一個基本案例，該案例不涉及復雜的代碼編程，僅僅通過調(diào)用控件、修改屬性就能實現(xiàn)，易于被學生接受，而且突出了重點。

在教學中，教師演示操作并引導學生思考對象和對象屬性的概念，再由學生自主練習。在練習中采用的圖片建議讓學生自主選擇，但可能出現(xiàn)一個問題：有些圖片大小不合適怎么辦？對此教師可以引導學生自主探究，嘗試修改對象屬性來解決這一問題。以小組合作探究的方式，學生找到通過修改圖片Picturebox的寬度和高度屬性使其能夠適應圖片的大小。修改完之后，又可能出現(xiàn)一個新的問題：Picturebox過大或者過小，在整個窗體中顯得不美觀怎么辦？有了剛才修改對象屬性的經(jīng)驗，學生會很自然地聯(lián)想到通過修改窗體的寬度和高度屬性使其能夠適應Picturebox的大小。

教師也可以及時地進行引導：不同類型對象的屬性有可能相同，也有可能不同，你能否找到窗體屬性和Picturebox屬性的不同之處呢？通過這樣的引導和練習，學生不僅對抽象概念從陌生變得熟悉，而且能夠舉一反三，模仿、概括解決問題的方法。

此部分教學從一個簡單的案例出發(fā)，通過案例展示、案例分析、案例設計以及總結(jié)拓展，由淺入深，一步步地引導學生不斷地思考、探究和嘗試。在此過程中，學生的思維將現(xiàn)實生活中的事物（圖片）與計算機所能處理的對象（Picturebox）聯(lián)系起來，將圖片的大小與Picturebox的寬度和高度屬性聯(lián)系起來，并且逐步學會了“以計算機的方式進行思考”即“修改窗體屬性”來解決問題。

（三）運用模式識別培養(yǎng)學生的計算思維

實踐中，教師發(fā)現(xiàn)即使任課教師講解了編程中的語法格式、功能、用法和流程圖，學生在實踐操作時還是沒有興趣繼續(xù)鉆研，究其原因還是計算思維能力不夠，缺少觀察數(shù)據(jù)的模式、趨勢和規(guī)律的能力，即模式識別的能力。這就需要教師調(diào)整教學策略，循序漸進地引導學生發(fā)現(xiàn)規(guī)律、總結(jié)規(guī)律，從而舉一反三，利用模式識別來提升學生的計算思維能力。

【案例3】編寫程序，單擊“開始”按鈕，在一行中顯示10個星號（*）

這個案例在課本中是以數(shù)據(jù)累加的形式呈現(xiàn)的，學生理解起來有些困難。教師在設計活動時舍棄略顯抽象的數(shù)據(jù)例子，采用顯示符號來說明循環(huán)程序的基本設計思路，簡單直觀，更容易被學生接受。

（1）在提前給出程序的基礎上，讓學生畫出程序流程圖，討論交流循環(huán)結(jié)構(gòu)的特點。顯然，學生會覺得循環(huán)結(jié)構(gòu)也是很簡單的。

（2）教師提出一個問題：怎樣顯示出20行中每行10個星號？很多學生會一直單擊“開始”按鈕，直到顯示出20行星號為止。也有學生會發(fā)現(xiàn)這樣做很麻煩，認為應該有更加簡單的辦法。教師可以順勢引導學生：怎樣單擊一次“開始”按鈕，得到結(jié)果呢？有了顯示1行10個星號的算法基礎，再加上單擊20次按鈕的切身體驗，經(jīng)過熱烈的討論，大家自然地發(fā)現(xiàn)還是需要用到循環(huán)來解決問題，而且要用到兩次循環(huán)。

（3）教師再來講解雙重循環(huán)的結(jié)構(gòu)，學生就非常容易理解了，問題也就迎刃而解。對于學有余力的學生，要讓他們自主探究怎樣用星號組合成三角形、菱形等一些特殊的圖形，一步步地引導學生去找到數(shù)據(jù)變化的趨勢和規(guī)律，總結(jié)出合適的算法。最后再由此過渡到數(shù)據(jù)的累加和求和等運算，學生更容易接受和理解。

在代碼編程學習中諸如此類的案例還有很多，教師采用顯示直觀的圖形作為教學案例，不僅可以避免代碼設計上的一些難點，而且能夠引起學生的學習興趣，有利于他們在探究中總結(jié)出數(shù)據(jù)的模式、趨勢和規(guī)律，提高模式識別的能力。教學實踐證明，如果由學生自己找到規(guī)律并理解程序的算法，進而設計出自己的算法，那么程序的編寫也就水到渠成了。

（四）運用自主探究方式培養(yǎng)學生的計算思維

從信息技術(shù)學科的學習內(nèi)容來看，無論是編程還是其他模塊的學習，前后的知識都是有一定聯(lián)系的。因此在學習的過程中，教師要放手讓學生多思、多練，鼓勵學生通過自主探究獲取新知，每一次的思考、嘗試、練習、調(diào)試都是對學生思維能力的鍛煉。

【案例4】在仿真環(huán)境中讓機器人走出一個正六邊形軌跡

在這一節(jié)之前，學生已經(jīng)通過前進和轉(zhuǎn)向模塊完成正方形軌跡的任務，從正方形到正六邊形不僅僅是邊數(shù)的增加，還涉及轉(zhuǎn)角的調(diào)試。轉(zhuǎn)角大小的設置與轉(zhuǎn)角的速度和時間都有關系，所以一定要反復調(diào)試才能總結(jié)出合適的參數(shù)。這個任務就由學生自主探索完成。

在設置參數(shù)的過程中，轉(zhuǎn)向電機的速度不易設置過大，難點在于時間的設置。學生在探索的過程中會嘗試不同的時間數(shù)值，如0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒等進行實驗，在仿真環(huán)境中學生會發(fā)現(xiàn)0.3秒短了，0.4秒又長了，于是經(jīng)過反復調(diào)試發(fā)現(xiàn)大概在0.32秒的時候這個時間最為適合。最后教師在介紹利用二分法和估算法測算轉(zhuǎn)角時間逼近最佳調(diào)試角度，學生理解起來更容易。

學生在調(diào)試的過程中會發(fā)現(xiàn)，運動軌跡為不同圖形時，速度與時間的乘積是有關系的：軌跡為四邊形時，速度與時間的乘積約為25;軌跡為三角形時，速度與時間的乘積約為32;軌跡為五邊形時，速度與時間的乘積約為20;軌跡為六邊形時，速度與時間的乘積約為16。只有經(jīng)過自主探索，發(fā)現(xiàn)、找到規(guī)律，學生才會理解更深刻，反復調(diào)試和總結(jié)的過程對于學生計算思維的提升是非常有幫助的。

四、經(jīng)驗反思

（一）經(jīng)驗

通過教學實踐，教師對計算思維有了更深入的認識：一方面明確了在初中階段培養(yǎng)學生計算思維的必要性和重要性，樹立在日常教學中融入計算思維的意識;另一方面結(jié)合學生特點，總結(jié)出了初中信息技術(shù)學科培養(yǎng)學生計算思維的策略。

1.運用項目式學習的策略

在項目式學習的過程中，教師有針對性地引導學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并采用科學的思維方式去解決問題。那么經(jīng)過一段時間的練習后，學生在潛意識里就會形成這種思維方式，再遇到類似的問題就會聯(lián)想到運用這種方法去解決，這有利于培養(yǎng)學生的計算思維能力。

2.運用案例分析、歸納、拓展的策略

教師從一個基礎案例出發(fā)，通過分析、歸納、拓展，逐步引導學生進行思考、探究和嘗試。在進行案例分析和歸納的過程中，學生的思維進行了遷移，將基礎案例和日常生活、學習中的實例相聯(lián)系，并在拓展中進行實踐和應用。通過這一系列的思維訓練，學生逐步學會了“以計算機的方式進行思考”來解決問題，使計算思維能力得到了鍛煉和提高。

3.運用模式識別的策略

模式識別能力對于信息技術(shù)的學習非常重要。信息技術(shù)的很多模塊內(nèi)容是有聯(lián)系的，采用模式識別可以幫助學生在探究中總結(jié)出數(shù)據(jù)的模式、趨勢和規(guī)律。采用模式識別的策略，學生可以更好地進行知識遷移，這能夠更好地促進學生計算思維能力的提高。

4.運用自主探究獲取新知的策略

計算思維的培養(yǎng)和提升是需要一個過程的，在這個過程中學生的主動性需要得到充分發(fā)揮。每一次的探索、嘗試、練習都是對學生思維能力的鍛煉。無論是編程教學還是信息技術(shù)其他模塊的學習，教師都要合理設置自主探究的學習活動，讓學生在這個過程中主動獲得新知。

以上幾種教學策略是我們通過課堂實踐總結(jié)出來的，并以此來指導教學活動的開展。當然，這幾種教學策略并不是獨立運用的，在某些活動中需要綜合運用。教師在授課的同時也要注重計算思維的融入，不僅要挖掘教材中培養(yǎng)計算思維的內(nèi)容，還要開發(fā)拓展性的學習內(nèi)容，再根據(jù)具體的學情和課堂情況靈活選擇教學策略。

（二）反思

經(jīng)過團隊的共同努力，我們?nèi)〉昧艘恍┏煽?，但在研究的過程中仍然存在一些問題。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：欠缺相應的理論水平和研究能力，對于國內(nèi)外計算思維培養(yǎng)的策略研究還不透徹，好的經(jīng)驗在實踐中運用不夠深入;研究內(nèi)容僅僅從編程方面入手，顯得有些狹隘，事實上在信息技術(shù)學科很多模塊的學習中都可以培養(yǎng)學生的計算思維，比如音（視）頻的采集加工、人工智能的機器人等等;我們在計算思維評價方面做得不夠細致，缺少深入系統(tǒng)的對比，還需要加強計算思維評價方面的研究。

參考文獻：

[1]JEANNETTE M W .Computational Thinking[J]. Communi-? cations of the ACM（S0001-0782），2006，（3）：34-35.

[2]教育部.普通高中信息技術(shù)課程標準：2017年版.北京：人民教育出版社，2018.

[3]任友群，隋豐蔚，李峰.數(shù)字土著何以可能：也談計算思維進入中小學信息技術(shù)教育的必要性和可能性[J].中國電化教育，2016，（1）：2-7.

[4]謝忠新，曹楊璐.中小學信息技術(shù)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.

（責任編輯 孫志莉）