楊娟

摘要：隨著信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，計算思維已然成為中小學(xué)信息技術(shù)課堂教學(xué)目標(biāo)之一。但是對于計算思維是什么，如何在課堂教學(xué)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(xué)生計算思維等問題，一線教師還存在一定的困惑。作者結(jié)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(gòu)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(xué)，以期能為中小學(xué)教師進(jìn)行計算思維的培養(yǎng)提供一些思路。

關(guān)鍵詞：計算思維;培養(yǎng)模式;labplus

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

● 引言

隨著信息技術(shù)學(xué)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(xué)信息技術(shù)課程的重要目標(biāo)指向。與此同時，可視化的編程工具（如Scratch、App Inventor、Micro：bit等）大量進(jìn)入中小學(xué)信息技術(shù)日常教學(xué)。這些工具的引入雖然在很大程度上調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)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(rèn)識與理解，所以在日常的教學(xué)中教師仍采用一些相對單一的教學(xué)模式，過于重視知識與技能的學(xué)習(xí)，忽視對學(xué)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(shù)課程，十分有必要重構(gòu)原有的課堂教學(xué)模式，重新設(shè)計課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，明確教育目標(biāo)，并通過一系列的任務(wù)或項目，實現(xiàn)對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。本研究以小學(xué)信息技術(shù)課程為依托，借助可視化編程工具——labplus，構(gòu)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(xué)活動中，希望能為一線的教育工作者們在日常教學(xué)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(jì)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(jī)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(rèn)為“計算思維就是運用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)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(jī)科學(xué)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(xué)的Cynthia Selby和John Woollard兩位博士再次明確了基于計算思維進(jìn)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(xì)節(jié)使事物更容易被理解的過程[4]，即屏蔽情境中重復(fù)、無用的信息，保留問題的關(guān)鍵部分;②分解：對已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并能夠?qū)⒁粋€復(fù)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(chǔ)，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(jī)語言或程序表達(dá)出來，以便計算機(jī)能夠自動執(zhí)行;⑤評估：對所編寫的代碼或應(yīng)用按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。由此可以看出，計算思維是指人類借助于計算機(jī)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(jī)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(xué)教育研究生院的Yasmin B. Kafai教授指出，以“社會化轉(zhuǎn)向”為特征的計算參與將是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的新范型，主張從編寫程序代碼轉(zhuǎn)向使用代碼創(chuàng)建應(yīng)用，從使用代碼設(shè)計工具轉(zhuǎn)向促進(jìn)在社區(qū)中交流代碼應(yīng)用，從使用Scratch創(chuàng)作轉(zhuǎn)向在他人的作品上進(jìn)行再修改和再創(chuàng)作，并將其視為K-12階段學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)中只是一味注重編程、算法學(xué)習(xí)的方式，更強(qiáng)調(diào)了設(shè)計有意義的、真實的應(yīng)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(wù)為主，過于強(qiáng)調(diào)學(xué)生在解決問題過程中的個體性，而忽視對學(xué)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(xué)生的編程能力，它更加注重學(xué)生從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題的全過程，更加注重應(yīng)用的創(chuàng)建和在創(chuàng)建應(yīng)用過程中學(xué)生之間的社會化交往，而編程僅僅是這個過程當(dāng)中的一個重要環(huán)節(jié)。通過此培養(yǎng)路徑，學(xué)生可以基于現(xiàn)實需要或自己的想法創(chuàng)設(shè)有意義的各種應(yīng)用，這不僅能夠?qū)W(xué)生從枯燥乏味的代碼練習(xí)、晦澀難懂的算法學(xué)習(xí)中解放出來，而且能夠讓學(xué)生在創(chuàng)建應(yīng)用的過程中進(jìn)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(xué)活動進(jìn)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(dāng)前學(xué)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(jìn)各種先進(jìn)的工具培養(yǎng)學(xué)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(yīng)，構(gòu)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(shù)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)向了注重應(yīng)用創(chuàng)建、學(xué)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(xué)生計算思維的培養(yǎng)。

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)在中小學(xué)課堂教學(xué)中十分普遍。圖1中的第一條脈絡(luò)就是信息技術(shù)課堂教學(xué)中最常用的方式之一，即：學(xué)生根據(jù)教師所創(chuàng)設(shè)的問題情境積極思考，實現(xiàn)新課的導(dǎo)入;教師適時進(jìn)行新知的講授，并呈現(xiàn)一些具體的任務(wù)要求;鼓勵學(xué)生根據(jù)需求動手操作，在學(xué)生操作的過程中教師可以給予一定的幫助，最后由學(xué)生展示自己的作品，教師引導(dǎo)學(xué)生一起做課堂小結(jié)。而第二條脈絡(luò)是在第一條脈絡(luò)的基礎(chǔ)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(xué)環(huán)節(jié)中，并始終圍繞應(yīng)用創(chuàng)建和促進(jìn)學(xué)生交流合作這一宗旨，在學(xué)生完成應(yīng)用的同時能夠?qū)崿F(xiàn)對學(xué)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(xué)從具體問題引入，這一環(huán)節(jié)關(guān)鍵在于引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)問題情境抽象出問題的本質(zhì)，摒棄重復(fù)與無關(guān)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(jìn)行分解，將其分解成一個個已知的小問題，并引導(dǎo)學(xué)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(dǎo)學(xué)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(dǎo)學(xué)生回到問題本身，按照分解的方式進(jìn)行問題分解，最后再將本次解決問題的思路進(jìn)行歸納與總結(jié)，以便下次遇到類似問題能夠快速解決。

（3）設(shè)計算法。這是該模式的核心部分，在此過程中教師要引導(dǎo)學(xué)生將上述的分析思路運用計算機(jī)能夠理解的方式（如程序或代碼等），搭建應(yīng)用所需要的主要代碼模塊，并不斷調(diào)試代碼模塊，直到能夠順利完成應(yīng)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(xué)生展示作品的過程。在此過程中，引導(dǎo)學(xué)生用自己的語言去表述創(chuàng)作思路，講解作品。其他同學(xué)根據(jù)描述積極評價該應(yīng)用的優(yōu)缺點，最后教師再做一個總結(jié)性評價。

● 基于問題解決的計算思維培養(yǎng)模式的教學(xué)實踐

下面，筆者基于labplus，以“水溫杯墊”為例，對課堂教學(xué)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(jìn)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(xué)生是否還記得“烏鴉喝水”的故事，并與學(xué)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(xué)生想象，思考該如何幫助烏鴉解決問題，學(xué)生積極討論，開展頭腦風(fēng)暴。最終在教師的引導(dǎo)下，學(xué)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(zhì)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(xué)重點，即制作一款水溫杯墊來測試水的溫度。學(xué)生明晰本課的教學(xué)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(xué)生都能清晰地了解制作這一款水溫杯墊的應(yīng)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(xué)生建立起基于“輸入—控制—輸出”的整體思路后，引導(dǎo)學(xué)生分析具體的問題：當(dāng)溫度大于36度時，LED燈長亮且蜂鳴器長叫;當(dāng)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(dāng)?shù)陀?2度時，LED燈不亮且蜂鳴器不叫。任務(wù)發(fā)布完后，教師引導(dǎo)學(xué)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(jìn)行分解。

本節(jié)課，采用了小組討論以及引導(dǎo)學(xué)生繪制流程圖的方式，幫助學(xué)生理解、分析問題。圖2為第二組學(xué)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(xué)生采用了2組判斷語句，將上述任務(wù)分解成了3個小問題。

3.應(yīng)用搭建

基于上述分析，各小組都能順利找出應(yīng)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(wù)中需要同時實現(xiàn)LED燈閃爍、蜂鳴器長叫這兩種輸出。當(dāng)學(xué)生疑惑該如何實現(xiàn)這兩種輸出時，教師及時引導(dǎo)學(xué)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(xué)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(yīng)用的搭建。與此同時，教師適時教導(dǎo)學(xué)生，學(xué)習(xí)中知識往往是零散的，要學(xué)會總結(jié)、歸納已經(jīng)學(xué)過的內(nèi)容，建構(gòu)知識框架，從而實現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。

4.設(shè)計算法，調(diào)試應(yīng)用

要想使計算機(jī)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(jī)能夠理解的方式告訴它，讓計算機(jī)能夠按照人的指令去執(zhí)行任務(wù)。這種人與計算機(jī)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(jī)進(jìn)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(shè)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(yīng)用的基本功能，而且一部分學(xué)生還在此基礎(chǔ)上對程序進(jìn)行了進(jìn)一步的構(gòu)思與創(chuàng)新，如加入了燈帶的設(shè)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(yīng)用，也更加富有個性化。當(dāng)然，學(xué)生在編程遇到困難時還可以參考互動學(xué)習(xí)平臺上教師上傳的微課，進(jìn)行視頻學(xué)習(xí)。

5.展示評估

在課堂最后環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)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(xué)生將自己的作品，通過拍照上傳的方式，上傳到互動學(xué)習(xí)平臺。每位學(xué)生選擇兩組同學(xué)的作品，進(jìn)行評價，指出他們的優(yōu)點與不足，最后教師再根據(jù)學(xué)生們的評價做總結(jié)性的概括。課堂及時評價能夠讓學(xué)生及時獲得反饋、調(diào)整設(shè)計，而且學(xué)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(qiáng)學(xué)生的信心，也符合現(xiàn)階段基礎(chǔ)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(xué)生或還未完成的學(xué)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(xué)習(xí)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(xué)活動延續(xù)至平臺，有效地實現(xiàn)了線上、線下的混合式學(xué)習(xí)。

● 小結(jié)

基于問題解決的計算思維培養(yǎng)模式，以問題為導(dǎo)向，將計算思維的核心要素融入到解決問題、構(gòu)建應(yīng)用的具體教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中。在創(chuàng)設(shè)應(yīng)用的過程中，學(xué)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(qiáng)調(diào)編程或算法學(xué)習(xí)的狀況。此模式并沒有完全顛覆原有的教學(xué)方式，只是在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些增改。教師只需在教學(xué)設(shè)計的各環(huán)節(jié)當(dāng)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(xué)生計算思維培養(yǎng)的需求。

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