黨建武，曹良政，陳騰飛

（1．江西財(cái)經(jīng)大學(xué)軟件與物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江西南昌 330000；2．湖南省長沙市湖南師范大學(xué)附屬濱江學(xué)校，湖南長沙 410000）

近年來，人工智能教育越來越受到國家的重視，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維是發(fā)展人工智能教育必備的一環(huán)。我國研究者和一線教學(xué)人員將理論與實(shí)踐相結(jié)合，不斷探索更佳的培養(yǎng)途徑。2017年，我國教育部門發(fā)布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》首次將“計(jì)算思維”納入為高中信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)[1]。與國外不同的是，我國計(jì)算思維的培養(yǎng)起步相對(duì)較晚，最初開始于高等教育領(lǐng)域，現(xiàn)在則集中于中小學(xué)各階段。計(jì)算思維的培養(yǎng)既已成為信息技術(shù)課程價(jià)值的一種體現(xiàn)，那么，如何在信息技術(shù)課程中實(shí)施計(jì)算思維的培養(yǎng)？怎樣實(shí)現(xiàn)“計(jì)算思維”培養(yǎng)的效果評(píng)價(jià)？這都是目前我國的相關(guān)研究人員和一線教師需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

一、計(jì)算思維內(nèi)涵及發(fā)展要素

（一）計(jì)算思維的內(nèi)涵

關(guān)于“計(jì)算思維”的概念，目前最廣泛認(rèn)可的表述是2006年由卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授論述的，她認(rèn)為計(jì)算思維是一種以計(jì)算機(jī)科學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過抽象化實(shí)現(xiàn)問題解決的思維過程，充當(dāng)問題解決以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的一種工具，準(zhǔn)確抽象地將解決問題的方案表述出來[2]。中國科學(xué)院院士陳國良教授認(rèn)為[3]，計(jì)算思維是以設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表，運(yùn)用計(jì)算的基礎(chǔ)方法，求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法。浙江大學(xué)陳贊安等人[4]認(rèn)為：計(jì)算思維是一種使用計(jì)算機(jī)或其他工具，采用抽象化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整合資源、產(chǎn)生問題解決方案，實(shí)現(xiàn)問題解決的過程。我國普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）指出[5]：計(jì)算思維是指個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。但到目前為止，計(jì)算思維還未形成一個(gè)統(tǒng)一的定義，綜合來看，計(jì)算思維是基于計(jì)算機(jī)學(xué)科的知識(shí)，通過對(duì)問題進(jìn)行定義，選擇合適的解決方法，建立模型，從而解決問題。

（二）計(jì)算思維發(fā)展要素

對(duì)已有的研究成果進(jìn)行梳理分析，目前主要有三種培養(yǎng)計(jì)算思維的模式，一是問題解決培養(yǎng)模式，二是問題探究培養(yǎng)模式，三是任務(wù)驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)模式，雖然培養(yǎng)的模式不同，但這些教學(xué)模式卻存在著一些共性，都強(qiáng)調(diào)了情境、問題、解決和概括等內(nèi)容。據(jù)此，本文提出了計(jì)算思維能力發(fā)展的四個(gè)要素，分別是問題情境、問題分析、問題解決、概括遷移。

問題情境：創(chuàng)設(shè)問題情景能讓學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)課程感興趣，能使學(xué)生主動(dòng)的去參與到教學(xué)活動(dòng)中來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。計(jì)算思維的培養(yǎng)離不開教學(xué)活動(dòng)情境，越是創(chuàng)設(shè)輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍，學(xué)生更容易接受和掌握知識(shí)，也更能吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生專心投入到問題解決上來。

問題分析：創(chuàng)設(shè)問題情境之后，教師提出具體問題，將問題進(jìn)行抽象，轉(zhuǎn)化成一個(gè)挑戰(zhàn)任務(wù)，并對(duì)挑戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行解釋和提供必要的幫助，使學(xué)生能正確理解挑戰(zhàn)任務(wù)。教師啟發(fā)學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行思考與分析，選擇合適的方法把問題分解成更細(xì)的問題，教師可提供相關(guān)的輔助學(xué)習(xí)材料給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生建立解決問題的模型。

問題解決：編寫算法解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維需要其掌握一定的算法知識(shí)，對(duì)問題進(jìn)行了相對(duì)透徹的分析，選擇某種編程語言（如Python）進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的興趣和動(dòng)手積極性，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生思考和探究，從而實(shí)現(xiàn)問題的解決。

概括遷移：學(xué)會(huì)算法遷移是掌握計(jì)算思維的關(guān)鍵之一，教師通過再造問題情境，促進(jìn)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解，運(yùn)用新知識(shí)解決其他問題。知識(shí)遷移需要建立在深刻理解知識(shí)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，從而更利于思考新情境中問題的解決方法，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的效果。

二、面向計(jì)算思維培養(yǎng)的5E教學(xué)模式

（一）5E教學(xué)模式

5E教學(xué)模式起源于美國[6]，是一種以建構(gòu)主義理論為理論指導(dǎo)的探究式教學(xué)模式（如圖1），包括5個(gè)教學(xué)階段，分別是吸引（engagement）、探究（exploration）、解 釋（explanation）、遷 移（elaboration）和 評(píng) 價(jià)（evaluation）。美國生物學(xué)課程研究（BSCE）曾開展教學(xué)實(shí)踐[7]，發(fā)現(xiàn)在5E教學(xué)模式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果皆有所提升。這種教學(xué)模式最早是應(yīng)用于生物學(xué)科的教學(xué)，后來被其他學(xué)科廣泛借鑒，在科學(xué)教育類學(xué)科尤其受到重視。

（二）利用5E教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維具有可行性

計(jì)算思維的本質(zhì)是解決問題的思維與能力[8]，主要是培養(yǎng)學(xué)生的編程算法思維和抽象邏輯思維。Bybee等人認(rèn)為5E教學(xué)模式對(duì)比傳統(tǒng)的教學(xué)模式更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)興趣，更有利于學(xué)生獲得新的知識(shí)概念，幫助學(xué)生提高抽象邏輯能力[9]。5E教學(xué)模式的培養(yǎng)目標(biāo)和信息技術(shù)學(xué)科的課程目標(biāo)高度吻合，王克勝、劉林在研究中提出了5E教學(xué)模式與信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[10]，認(rèn)為5E教學(xué)模式中的吸引、探究、評(píng)價(jià)等3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)可與信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)中的計(jì)算思維融合，這說明將5E教學(xué)模式引入到信息技術(shù)學(xué)科中，用以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維是可取的。

本研究通過對(duì)計(jì)算思維的能力發(fā)展與5E教學(xué)模式的分析，認(rèn)為兩者存在映射關(guān)系（如圖2）。

（三）面向計(jì)算思維培養(yǎng)的5E教學(xué)模式的構(gòu)建

在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，結(jié)合5E教學(xué)模式，本研究設(shè)計(jì)了如圖3所示的教學(xué)模式。在該模式下，教師和學(xué)生開展教學(xué)和學(xué)習(xí)活動(dòng)，發(fā)展計(jì)算思維。

圖3 面向計(jì)算思維培養(yǎng)的5E教學(xué)模式

首先，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境。學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的問題情境下聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，能使學(xué)生主動(dòng)地去參與到教學(xué)活動(dòng)中來，明晰問題，將抽象的問題轉(zhuǎn)化為真實(shí)的任務(wù)。其次，教師引導(dǎo)學(xué)生探究，其作為組織者和學(xué)習(xí)材料提供者，要引導(dǎo)學(xué)生制定詳細(xì)的項(xiàng)目計(jì)劃，協(xié)助學(xué)生完成探究活動(dòng)，學(xué)生在遇到問題時(shí)，不能直接給出答案，而是慢慢引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手操作，探究尋找答案。在這個(gè)環(huán)節(jié)中要注意體現(xiàn)出學(xué)生的主體性。然后，建立問題模型：教師對(duì)抽象的知識(shí)給予梳理和總結(jié)，幫助學(xué)生對(duì)問題或任務(wù)形成正確的認(rèn)知，對(duì)抽象概念有進(jìn)一步的理解，進(jìn)行算法模型的建立，編寫修改算法。接著，教師通過再造新情境或舉一反三，加深學(xué)生的理解，促進(jìn)學(xué)生對(duì)算法的遷移，達(dá)到學(xué)以致用的效果。最后，進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)，教師對(duì)學(xué)生的創(chuàng)作成果，問題解決的過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，組織學(xué)生間進(jìn)行互評(píng)，采用多元化的評(píng)價(jià)方式，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自評(píng)與反思，同時(shí)，教師也要對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行及時(shí)的反思，改善教學(xué)中的不足。

三、面向計(jì)算思維培養(yǎng)的5E教學(xué)模式的案例設(shè)計(jì)

本研究以“二分法查找”為教學(xué)案例，創(chuàng)設(shè)“巧猜衣服價(jià)格”的學(xué)習(xí)情境、以“尋找次品”作為遷移活動(dòng)，采用本研究構(gòu)建的5E教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

（一）教學(xué)目標(biāo)

1.知識(shí)與技能：學(xué)生能準(zhǔn)確說出二分法查找的含義，理解分治算法思想，學(xué)會(huì)使用編程算法解決簡單問題。

2.過程與方法：學(xué)生利用生活實(shí)例掌握二分法查找，通過分組探究，完成課堂任務(wù)，提升自身解決問題的能力。

3.情感態(tài)度與價(jià)值觀：通過“巧猜衣服價(jià)格”和“尋找次品”兩個(gè)課堂任務(wù)，讓學(xué)生在完成過程中，勇于克服困難，體驗(yàn)到編程的快樂，培養(yǎng)探究精神。

（二）教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：能準(zhǔn)確表達(dá)二分法查找算法以及分治思想。

難點(diǎn)：掌握并采用二分法查找算法編寫程序。

（三）教學(xué)過程（如表1）

表1 《二分法查找》教學(xué)過程

四、效果分析

本研究采用對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，選取湖南省某中學(xué)八年級(jí)的兩個(gè)班，共計(jì)95名學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并分為實(shí)驗(yàn)組和控制組，實(shí)驗(yàn)組為1班的48名學(xué)生，控制組為2班的47名學(xué)生。選取了湖南電子音像出版社出版的初中信息技術(shù)教材中的編程知識(shí)內(nèi)容部分作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。使用本研究構(gòu)建的5E教學(xué)模式對(duì)實(shí)驗(yàn)組班級(jí)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，控制組則采取傳統(tǒng)的講授方式開展教學(xué)。為了最大程度地保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，降低與實(shí)驗(yàn)無關(guān)變量的影響，兩個(gè)班級(jí)均由同一名教師進(jìn)行授課，課程時(shí)長為兩個(gè)月。

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的學(xué)習(xí)效果，本研究主要借鑒了Bebras國際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽試題集錦試題[11]，結(jié)合學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)，每個(gè)維度都選取3道題，每題均為10分，選取了15道題目共計(jì)150分，組成了本研究測試的試卷，用于前測與后測。

在進(jìn)行教學(xué)之前，本研究對(duì)兩個(gè)班級(jí)的學(xué)生，均使用同一套測試卷對(duì)其計(jì)算思維能力進(jìn)行了前測，通過SPSS軟件對(duì)兩組學(xué)生的測試卷成績進(jìn)行T檢測分析，結(jié)果顯示：P值為0.646，比0.05大，說明在開始教學(xué)實(shí)驗(yàn)之前，兩個(gè)班級(jí)的前測成績并無顯著性差異。再來看兩個(gè)班級(jí)的前測均值成績，從表2中可以看到，實(shí)驗(yàn)組的均值成績?yōu)?7.66分，控制組學(xué)生的平均成績?yōu)?9.57分，控制組的整體得分要略高于實(shí)驗(yàn)組（89.57＞87.66），但分差并不顯著，再次說明在實(shí)施教學(xué)實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生和控制組學(xué)生的計(jì)算思維能力沒有顯著性差異。

表2 實(shí)驗(yàn)組和控制組學(xué)生的計(jì)算思維能力測試成績前測數(shù)據(jù)

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，本研究又對(duì)兩個(gè)班級(jí)學(xué)生的計(jì)算思維能力進(jìn)行了后測，通過對(duì)兩組學(xué)生的測試卷后測成績進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢測，結(jié)果顯示，P值小于0.05，說明兩組學(xué)生在后測成績上，具有顯著性差異。從表3的均分結(jié)果可以看到，實(shí)驗(yàn)組的整體平均得分要顯著高于控制組（105.56＞95.48）。由此可見，本研究設(shè)計(jì)的5E探究式教學(xué)模式對(duì)中學(xué)生的計(jì)算思維能力發(fā)展具有積極的正向效果。

表3 實(shí)驗(yàn)組和控制組學(xué)生的計(jì)算思維能力測試成績后測數(shù)據(jù)

五、結(jié)語

本研究以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，以5E教學(xué)模式為依據(jù)，構(gòu)建了面向計(jì)算思維培養(yǎng)的5E教學(xué)模式，該模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手操作和解決問題，對(duì)提升學(xué)生的探究能力和動(dòng)手實(shí)踐能力具有很強(qiáng)的借鑒性，培養(yǎng)了學(xué)生使用計(jì)算思維去解決實(shí)際問題的能力。

為了更好地實(shí)施本研究所構(gòu)建的教學(xué)模式，提出以下建議：在選取教學(xué)內(nèi)容時(shí)，要充分考慮到學(xué)生的實(shí)際接收能力，教學(xué)難度不宜過高，否則會(huì)導(dǎo)致學(xué)生喪失學(xué)習(xí)的信心，應(yīng)逐步提高學(xué)習(xí)難度，實(shí)現(xiàn)循序漸進(jìn)的培養(yǎng)效果；在創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情景時(shí)，也不適宜選取操作性太強(qiáng)或者概念過于明確的內(nèi)容；評(píng)價(jià)方式要多元化，在進(jìn)行計(jì)算思維評(píng)價(jià)時(shí)，采取多種評(píng)價(jià)方式結(jié)合起來，能更全面地評(píng)價(jià)學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展?fàn)顩r，但也要注意到有些學(xué)生會(huì)流于評(píng)價(jià)形式，很難真正達(dá)到評(píng)價(jià)該有的反思效果。

計(jì)算思維的培養(yǎng)越來越受到研究者的重視，而5E教學(xué)模式應(yīng)用于計(jì)算思維的培養(yǎng)中，是一次積極的嘗試，對(duì)激發(fā)學(xué)生的潛能，提高學(xué)生的計(jì)算思維能力，對(duì)信息課程教學(xué)和計(jì)算思維的培養(yǎng)探究都具有一定的借鑒意義。