摘" 要" 簡要說明計算思維的概念，分析物理學科與計算思維培養(yǎng)之間的聯(lián)系，以PBL教學法為基礎，構建物理課程中培養(yǎng)計算思維的教學模式。依托Python軟件，在充分分析學生基礎后，以中學物理課程中具體問題情境滲透計算思維教育，從而加強計算思維與物理學科教學的融合，促進學生計算思維培養(yǎng)，提高學生邏輯思維和應用計算機解決實際問題的能力。

關鍵詞" 計算思維；Python；物理課程；PBL；信息技術；信息素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）23-0131-04

0" 引言

周以真教授在2006年首先提出計算思維（Com-putational Thinking）的概念，筆者認為周教授的目的是讓人們在實際中探索計算思維的培養(yǎng)，而非過深地糾結其定義與內涵。目前，國外計算思維應用研究主要集中在中小學階段，而我國有關計算思維在基礎教育領域的應用研究還較少，計算思維培養(yǎng)主要集中在信息課上。計算思維強調使用現(xiàn)代化手段解決實際問題，如果僅僅只在信息課上學習，只在信息課上使用，那么就達不到學以致用的效果。這點在《教育信息化2.0行動計劃》中同樣有所體現(xiàn)，該文件要求全面提升師生的信息素養(yǎng)，并能夠應用信息素養(yǎng)解決教學、學習、生活中的問題[1]。因此，本文以物理課程視角開展計算思維培養(yǎng)，將計算思維滲透于物理學科中進行教學，既能夠培養(yǎng)學生的計算思維，又能夠促進物理與信息技術融合遷移，加強計算思維的運用實踐。

1" 計算思維

周以真教授2006年提出的計算思維的概念指出，計算思維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]。2010年，周以真教授對原先概念進行一些修改，指出計算思維是與形式化問題及其解決方案相關的思維過程，其解決問題的表示形式應該能有效地被信息處理代理執(zhí)行[3]。

這兩種表述變化將計算思維由宏觀指向微觀，但都說明計算思維是指向問題解決的一種思維方式。計算思維也被看作當今不可或缺的思維方式，而利用計算思維解決問題應成為每個人必備的技能。

盡管對于計算思維的定義尚未統(tǒng)一，但它可被描述為一種解決問題的方法，目前各國對計算思維的培養(yǎng)正逐步推進，強調計算思維不只是編寫計算機程序，更是超越編程的跨學科整合。計算思維作為連接計算機和其他學科的橋梁，結合具體科目進行培養(yǎng)比單獨學習更有效。相關研究表明，計算思維教育應當與各種課程教學相結合[4]，將計算思維整合到各個學科，既有利于學習課程，也有利于計算思維能力培養(yǎng)，同時有利于計算思維在各個具體場景中的實踐。

2" Python在我國中小學信息技術課程中的應用

計算思維是利用計算機來解決實際問題，那么在中小學開展計算思維教育選擇合適的編程語言十分重要。小學階段主要教授的是Scratch等圖形化編程語言，對于中學生來說，Python這種高級編程語言更為合適。Python是一種面向對象、弱類型、解釋型的編程設計語言，也是功能強大的通用開放型語言。相比其他語言，Python代碼非常簡單，簡潔明了，上手學習較容易。在各級各類學校信息技術課程實施上，要逐漸將信息技術納入初高中學業(yè)水平考試中，目前我國多地將Python編程教育納入中小學教育，浙江甚至將編程納入高考，部分地區(qū)還開設了Python的校本課程，其余各地也在逐步跟進。

國家重視的信息素養(yǎng)與計算思維密不可分，都是要求應用現(xiàn)代化手段解決教學、學習和生活中的實際問題，解決問題的背后要充分地理解問題，有邏輯地進行分析，不只是單純地編寫一些編程代碼，而是像計算機科學家一樣思考。

3" 在物理課程教學中融入計算思維的培養(yǎng)

目前我國培養(yǎng)計算思維的主陣地是信息技術課堂，但計算思維不僅是解決編程上的問題，更多的是通過計算思維培養(yǎng)學生的邏輯思維與問題解決能力，因此，計算思維培養(yǎng)應當滲透在學校課程的各門課中，將各學科知識與計算思維相結合。國外已將計算思維引入數(shù)學課堂與科學課堂。通過信息技術課程學習計算思維基本的概念結構以及編程語言的基本用法，結合具體的物理情境進行實踐訓練[5]。下文以物理課程視角來探索培養(yǎng)學生的計算思維。

3.1" 理論基礎

基于PBL教學法，以解決實際物理問題為導向，將復雜的物理問題分解為小問題逐步突破[6]。在實際實施中，根據(jù)學生基礎和教學內容，確定學習內容，然后由信息技術教師先行教授所要使用的基本操作，再由物理教師對教學內容進行教學，接著構建一個簡單的物理情境，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，以簡入繁，以此來體會計算思維與物理知識的融合；當學生能力足夠時，發(fā)布新的較難的物理情境，讓學生分小組對問題進行分割，開展合作探究；待學生解決問題后進行展示評價，教師最后進行總結。

基于PBL教學法開展計算思維培養(yǎng)的流程與計算思維定義要求有許多相通之處：計算思維強調分解、抽象、算法、迭代[7]，分解與PBL分解問題本質是相同的，都是將復雜問題分解為小問題、可執(zhí)行的過程；抽象是識別模型的重要特征，對應著分析問題；算法（創(chuàng)建一系列有序步驟完成任務）和迭代（細化操作，逐步接近結果）與解決問題相對應。

3.2" 教學內容選擇

高中物理力學綜合題一直以來都是高考命題的熱點，旨在通過物理綜合題考查學生對物理問題的分析能力。在面對物理力學綜合題時，只要學生能將物體的運動狀態(tài)分析清楚，將整個物理運動過程分解為各個小部分，那么解題就變得非常容易。以此部分的問題對學生進行計算思維的培養(yǎng)，讓學生通過運用計算思維來模擬物體的運動狀況，由簡單問題入手，再將復雜問題化簡為若干個小問題，有一定難度，又符合學生的最近發(fā)展區(qū)的理念。

本次案例所選取的物理問題內容如下：

光滑水平地面上有一質量m為2 kg的木板，質量M為4 kg的木塊靜放在木板左端，木塊與木板之間的動摩擦因數(shù)是0.3。木板與木塊以共速2 m/s大小向右運動，一段時間后，與豎直墻壁發(fā)生碰撞。設碰撞時間極短，且木板以原速率反彈，最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，木板夠長，g=10 m/s2。以此物理情境為教學內容，讓學生做出動畫模擬和速度—時間圖像。

3.3" 學生基礎分析

3.3.1" 信息技術方面

學生在初高中學習過Python語言，對Python的基礎知識、控制語句與數(shù)據(jù)結構和函數(shù)有一定的了解。Python語句簡單清晰，底層邏輯明顯，只要能夠掌握基礎的語句運算，使用Python來模擬解決物理模型對學生來說不失為一種好方法。

3.3.2" 物理學科知識方面

學生學習了必修一、必修二和選修3-5中的動量部分，對物體碰撞、平動有自己的理解，具備運用已有物理概念和規(guī)律來分析問題、解決問題的能力。

3.4" 實施環(huán)節(jié)

實施環(huán)節(jié)如表1所示。

3.5" 案例說明

本案例設計是學科交叉融合來培養(yǎng)學生計算思維的一個嘗試。學生對物塊運動模型的物理背景非常熟悉，稍加思考就能夠分析清楚實際運動狀況。先以簡單問題創(chuàng)設情境，初步體會計算機助力解決物理問題的優(yōu)勢，然后拋出復雜的新物理問題，讓學生以分小組的形式主動思考分解問題。這里的分解與物理中的微元法相同，有了計算機的加入，便可將這些重復性的計算自動化處理。

協(xié)作學習解決問題是培養(yǎng)計算思維的關鍵活動，如何設計算法與迭代是學生主要思考的問題，在不斷嘗試、調試后得到解決問題的方案。成果展示中通過對比不同小組的算法設計，能及時給學生提供反饋，進而在優(yōu)化算法中提升其計算思維能力。

最后的總結環(huán)節(jié)是對本次教學的整體回顧，幫助學生從單一的物理情境中跳出來，向更多的情境中遷移，達到使用計算機解決生活實際問題的目的。

在物理課堂上融入計算思維培養(yǎng)與僅僅只在信息技術課堂上培養(yǎng)明顯不同，只在信息技術課堂上培養(yǎng)會使學生的學習與現(xiàn)實情境相脫離，結合物理情境對學生的計算思維進行培養(yǎng)非常重要[8]。與此同時，在物理課程中通過對物理模型的模擬培養(yǎng)學生計算思維，使學生對物理觀念有了更深的理解。比如此次模擬中涉及的力學部分知識，木板與物塊有相對運動產(chǎn)生摩擦力，摩擦力產(chǎn)生的加速度方向與物塊運動方向相反，所以物體做減速運動。通過多次分階段判斷物體運動狀態(tài)，不斷強化此方面的物理知識。而借助物理實例進行的模擬過程中又包含對問題的分解，將真實情境抽象化，以及算法與迭代的設計，都與計算思維的培養(yǎng)密不可分。

4" 結束語

與傳統(tǒng)的在信息技術課堂上培養(yǎng)計算思維不同，本文將視野聚焦于在物理課程中培養(yǎng)計算思維，從物理課程中的實際問題出發(fā)，讓學生用編程的方式來模擬物理模型，從而解決物理問題。學生通過對物理情境的模擬，分階段考慮物體運動情況的思路深入人心，對物體的平動有了更深的理解，不僅可以加強物理與信息技術的聯(lián)系，也可以強化計算思維在物理學科中的應用。計算思維是此次學習活動的重點，但并不是本次課程的唯一重點，通過不斷強化對物理知識的理解與運用，培養(yǎng)學生物理思維能力的同時進行計算思維的實踐訓練。物理源于生活，以物理情境作為計算思維培養(yǎng)的土壤，使計算思維能力培養(yǎng)落于實處，有利于幫助學生實現(xiàn)知識的遷移，打破學科間的知識壁壘，促進學科交叉融合。物理教學與計算思維培養(yǎng)相互補充，聯(lián)合培養(yǎng)、共同進步，讓學生體會知識的系統(tǒng)性，體會計算思維在解決實際問題中的作用和價值，更有利于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。本文通過物理情境中滑塊與木板的運動來進行相關研究，在物理學科中還有很多類型的內容和習題也適合對學生開展計算思維培養(yǎng)，如帶電粒子在復合場中的運動等，讀者可以自行嘗試探索。

參考文獻

[1] 教育部關于印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》的通知[A/OL].（2018-04-25）[2022-01-18].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[2] Wing J M. Computational thinking[J].Communi-""cations of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[3] Computational Thinking： What and Why？[EB/OL].（2010-02-18）[2020-01-20].https：//www.cs.cmu.edu/CompThink/resources/TheLinkWing.pdf.

[4] Vance K， Soonhye P， Eric W， et al. The Code-Centric Nature of Computational Thinking Edu-cation： A Review of Trends and Issues in Com-putational Thinking Education Research[J].Original Research，2021，11（2）：1-17.

[5] 李鋒，王吉慶.計算思維教育：從“為計算”到“用計算”[J].中國電化教育，2015（10）：6-10，21.

[6] 生詩蕊.基于PBL的計算思維培養(yǎng)研究[D].遼寧：渤海大學，2016.

[7] Grover S， Sengupta P， Gunckel K L， et al. Inte-grating STEM amp; Computing in PK-12： Operatio-nalizing Computational Thinking for STEM Lear-ning amp; Assessment[R].Internation Conference of"Learning Sciences，2020.

[8] Weintrop D， Beheshti E， Horn M， et al. Defi-" ""ning Computational Thinking for Mathematics"and Science Classrooms[J].Journal of Science"Education and Technology，2016（25）：127-147.

*項目來源：陜西理工大學研究生教育教學改革項目“學科教學物理專業(yè)學位研究生實踐教學研究”（項目編號：SLGYJG2014）。

作者：王勝利，陜西理工大學物理與電信工程學院碩士研究生，研究方向為中學物理教育；王亞輝，陜西理工大學物理與電信工程學院物理系主任，副教授，研究生導師，研究方向為物理學教育（723001）。