袁婷　肖冰

關(guān)鍵詞：計算思維；OBE；CDIO；Scratch；教學模式

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）12-0122-04

1 引言

周以真教授于2006年首次提出“計算思維”的概念[1]，之后很多國家都頒布了相關(guān)的政策文件，促進國內(nèi)計算思維教育的發(fā)展。我國新推出的《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》已將計算思維列為學科核心素養(yǎng)之一[2]，從思維的角度闡述了信息科技學科的培養(yǎng)目標。隨著國家課程改革的推進，小學生的計算思維培養(yǎng)越發(fā)受到重視，編程教育是一個很好的承載體。Scratch作為一款積木式的編程軟件，操作簡單且容易理解，整體設計符合兒童的認知特征，是培養(yǎng)小學生計算思維的重要抓手。然而目前指向計算思維培養(yǎng)的Scratch教學大多采取“重步驟、偏模仿”的教學模式，學生通過模仿范例來學習，缺少深入思考，對程序設計的過程及方法理解不到位，致使學生在課程后期缺乏創(chuàng)造力，無法將所學知識點靈活應用[3]，因而不能有效地促進學生計算思維能力的發(fā)展。

OBE-CDIO是一種指向?qū)W生高階思維能力培養(yǎng)的教育理念，近年來受到了學者的普遍關(guān)注，在計算思維的培養(yǎng)中也得以應用。學者在Scratch編程教學中融入OBE理念[4]、在Python課程中引入CDIO理念[5]構(gòu)建新的教育模式，實踐表明，研究構(gòu)建的模式可以鍛煉小學生的計算思維，保證教學質(zhì)量，彌補傳統(tǒng)教學方法的不足。雖然已有研究對計算思維的培養(yǎng)展開了一定的實踐，但在小學階段將OBE和CDIO理念融合運用于計算思維培養(yǎng)的研究還處于起步階段，在Scratch課程中探索構(gòu)建基于OBE-CDIO理念、培養(yǎng)小學生計算思維的教學模式，是信息科技教學值得探索的問題?；诖?，本研究在Scratch課程中構(gòu)建OBECDIO教學模式及實施流程，以期為以小學生計算思維培養(yǎng)為目標的課程教學提供參考。

2 理論基礎

2.1 計算思維

2006年周以真教授首先提出：計算思維是運用計算機科學的基本概念去求解問題、設計系統(tǒng)、理解人類行為的一系列思維活動[1]。此后多名研究者對計算思維展開了深入研究，當前有關(guān)計算思維模型或者框架的定義，大體可以分為兩部分，一是敘述思維過程，二是確定計算思維能力的要素。從思維過程來看，計算思維是對問題進行邏輯分析和分解、得出詳細的解決方案、進行算法設計并實施，最后反思與優(yōu)化的思維過程[6]。從能力要素來看，計算思維的核心技能可分為問題解決能力、算法思維、批判性思維、合作能力和創(chuàng)造力五個維度[7]。

2.2 OBE-CDIO

OBE-CDIO是OBE和CDIO相融合的教育理念，其中OBE（Outcomes-based Education） 是以能力為導向的教育理念，強調(diào)學習成效并以此驅(qū)動教學過程，從能力和學習成果出發(fā)，逆向建構(gòu)教學過程，區(qū)別于依據(jù)學習目標設計和組織教學環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)模式[8]。CDIO（構(gòu)思－設計－實施－運行）是近年來國際工程教育改革的最新成果，以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體實施教學，使得學生的學習更具主動性和實踐性，以此模式培養(yǎng)的學生在未來的企業(yè)和社會競爭中會更有優(yōu)勢[9]。OBE以學習成效為導向來組織、實施和評價教育，注重解決“做什么”的問題，也就是學生應該具備的知識、能力和素質(zhì)；CDIO根據(jù)學習成效來確定課程內(nèi)容、教學方法及評價方式，注重解決“怎么做”的問題，也就是如何使學生具備相應的知識、能力和素質(zhì)；將兩者融合得到的OBE-CDIO理念，應用到新一代信息技術(shù)人才的培養(yǎng)中具有一定的實踐意義[10]。

2.3 計算思維與OBE-CDIO 的契合之處

OBE理念重視能力培養(yǎng)，強調(diào)學生在經(jīng)歷學習活動后應具備的能力及學習成效，教學活動與評價也圍繞學習成效展開，該理念的關(guān)鍵是衡量學生能做什么[8]。而計算思維是關(guān)于人的內(nèi)在品質(zhì)的概念，強調(diào)在真實情境面前，利用計算機科學領域的思想、策略、方法和技術(shù)解決特定問題的能力[11]，這與OBE理念倡導的能力導向不謀而合。同樣的，CDIO理念的四個環(huán)節(jié)能集中體現(xiàn)計算思維的思維過程，其中“構(gòu)思”指對問題進行分析和設想（對應計算思維的問題邏輯分析和分解），“設計”指利用流程圖等方式表達解決思路（對應計算思維的得出解決方案），“實施”指進行實際操作以達到目標（對應計算思維的算法設計并實施），“運行”指對結(jié)果進行評價以便反思優(yōu)化方案（對應計算思維的反思與優(yōu)化）[5]。因此，OBE-CDIO理念適用于學生計算思維的培養(yǎng)。

3 面向計算思維培養(yǎng)的OBE-CDIO 教學模式

本文結(jié)合近些年研究者的理論成果，構(gòu)建出一套適合培養(yǎng)小學生計算思維的教學模式（見圖1） 。面向計算思維培養(yǎng)的OBE-CDIO教學模式包含任務預習、成果展示、知識學習、內(nèi)化吸收、小組展示和知識遷移六個環(huán)節(jié)。

3.1 任務預習

在課前教師提出預習任務，學生以小組合作的方式（2～3人為一組）進行構(gòu)思和設計。構(gòu)思是指通過觀察日常生活和查閱相關(guān)資料，分析預習任務需要解決的是一個什么樣的問題，這個問題是否可以分解為多個小問題。設計是指學生可用文字、圖片等任意形式來表達解決該問題的算法流程，以便理清問題解決的思路。將構(gòu)思和設計作為預習任務，可以給學生留出充足的時間進行問題思考、觀察和表達，并且在此過程中小組成員可以隨時交流想法、集思廣益，有助于提高學生的創(chuàng)造力和合作能力。

3.2 成果展示

在每節(jié)課的開始，教師邀請各小組上臺進行預習任務的成果展示，小組成員從構(gòu)思和設計的角度細致講解該任務，教師和其他學生對小組方案進行提問和點評，最后教師以流程圖或思維導圖的形式，總結(jié)預習任務涉及的問題和問題解決的詳細步驟。在這個過程中，全班同學一起經(jīng)歷“頭腦風暴”，使得學生不再拘泥于一種思路，學會思考其他解決方案的優(yōu)點和不足，有利于鍛煉學生的批判性思維。

3.3 知識學習

學生對問題及問題解決方案逐漸明確后，教師以提問、板書、PPT等多種形式講解知識點，學生邊理解邊記錄學習的重點和難點。之后教師結(jié)合軟硬件教具，介紹與知識點相關(guān)的程序積木和硬件模塊，并按照之前總結(jié)的問題解決步驟編寫程序，最后將程序錄入硬件模塊，引導學生觀察作品效果，調(diào)試程序直到與預期效果一致。

3.4 內(nèi)化吸收

學生學完知識點后，打開軟件自行編寫程序，結(jié)合硬件調(diào)試程序，以促進知識的內(nèi)化吸收，如有問題可請教組內(nèi)成員或者舉手問老師。在實際問題情境中，學生經(jīng)過學習、編寫、調(diào)試和反思程序的過程，能夠提高其算法思維和問題解決能力。

3.5 小組展示

各小組完成程序后，依次上臺展示本組編寫的程序和實現(xiàn)效果、講解編寫的思路和涉及的程序知識點，教師進行針對性點評，并從構(gòu)思、設計、實施和運行的角度總結(jié)該任務，讓學生在交流中鞏固知識。小組上臺展示時，小組成員各司其職，有人負責講解，有人負責作品展示，有利于鍛煉學生的合作能力。此外，學生通過觀察其他小組的問題解決過程和作品制作，能夠促進其批判性思維的發(fā)展。

3.6 知識遷移

教師提出新的學習任務，學生按照構(gòu)思、設計、實施和運行的步驟，運用本節(jié)課和之前學習的知識獨立解決問題，實現(xiàn)知識的遷移。然后教師邀請部分學生上臺展示解決方案，并對這些方案進行點評，最后對該任務的解決思路進行系統(tǒng)總結(jié)。新舊學習任務有較大的相似性，但是又略有不同，學生自主進行探究，有助于及時鞏固所學，鍛煉學生的創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維和問題解決能力。

以上六個環(huán)節(jié)以兩個任務為核心，保證學生每節(jié)課都能從構(gòu)思、設計、實施和運行的角度解決實際問題，符合CDIO理念的實現(xiàn)要求。在整個教學過程中始終堅持能力導向，以計算思維五個部分的能力培養(yǎng)為目標、反向設計教學活動，使每個教學活動都目標明確；對于學生的預習和課堂表現(xiàn)，采取教師評價為主、學生組內(nèi)和組間評價為輔的方式，結(jié)合課堂學習內(nèi)容從創(chuàng)造力、算法思維等五個方面進行綜合評定；對于期末測試，選取和學生生活相關(guān)的問題，引導他們按照構(gòu)思、設計、實施、運行的步驟給出解決方案并制作作品，教師從創(chuàng)造力、算法思維等方面進行評價，此外測試時允許學生自帶兩張A4紙張大小的手寫資料，目的是讓他們擺脫繁重的記憶工作，將更多的精力放在知識點的理解和問題的解決思路上。以上對教學目標、教學活動和評價過程的設計，滿足OBE理念的實施要求。

4 面向計算思維培養(yǎng)的OBE-CDIO 教學案例

本研究以上海市某小學Scratch編程社團課為依托，課程內(nèi)容包含聲控燈、水果鋼琴、警報燈、噪音探測器、超聲波測距儀、亮度測量器、指示小夜燈、簡易手機云臺等15個和學生生活緊密相關(guān)的作品。該課程使用圖形化編程軟件Codecraft（基于Scratch3.0平臺研發(fā)而成），配套操作簡單、易連接的硬件設備Grove Zero，實現(xiàn)軟硬件結(jié)合，提高小學生編程學習的實踐性。下面以“警報燈”課程為例，從任務預習、成果展示、知識學習、內(nèi)化吸收、小組展示和知識遷移六個環(huán)節(jié)進行案例分析。

4.1 任務預習

在課前教師預告本節(jié)課的學習任務是制作“警報燈”，要求學生通過觀察日常生活中的警報燈，以小組為單位、分析警報燈的功能和實現(xiàn)算法，以文字、思維導圖、流程圖等形式表達小組的分析結(jié)果和算法設計思路。

4.2 成果展示

開始上課時，教師邀請各小組上臺展示預習成果并逐個點評，最后進行總結(jié)：正如大家所觀察到的警車、救護車上會放置警報燈，當遇到緊急情況時，人們會按下警報燈上的“開”按鈕，警報燈便會閃爍紅色燈光和發(fā)出聲音來提醒人們；當緊急情況解除后，人們可以按下“關(guān)”按鈕，警報燈便會熄滅燈光并停止播放聲音。因此制作警報燈需要開關(guān)、燈、喇叭等設備，并且有警報提醒和警報解除兩種情況需要處理。

4.3 知識學習

教師結(jié)合實物，介紹制作警報燈需要用到的雙按鈕開關(guān)、可調(diào)彩燈、蜂鳴器等硬件模塊，然后結(jié)合PPT和板書講解循環(huán)的概念，闡述無限循環(huán)、次數(shù)循環(huán)和不確定循環(huán)的含義，用“告訴小馬跑三步就停下”“告訴小老鼠把所有扣子扣好才能出去玩”“告訴小兔子要不停地吃東西補充能量”的例子幫助學生理解這三種循環(huán)的區(qū)別。最后教師打開Codecraft軟件，結(jié)合之前總結(jié)的算法流程，介紹需要用到的編程積木、編寫警報燈程序并完成調(diào)試。

4.4 內(nèi)化吸收

學生以小組為單位自行編寫警報燈程序，并結(jié)合硬件進行調(diào)試，教師實時觀察學生表現(xiàn)，根據(jù)各小組的情況進行適當輔導和答疑解惑。

4.5 小組展示

各小組制作完成后，上臺展示制作的警報燈并講解制作思路，教師進行逐個點評，并就學生在編程過程中出現(xiàn)的共性問題進行講解，最后從構(gòu)思、設計、實施和運行的角度總結(jié)該作品。

4.6 知識遷移

教師要求學生獨立制作新作品“門鈴”，明確按照構(gòu)思、設計、實施和運行的步驟完成作品，之后請部分學生講解并展示作品，最后教師進行概括總結(jié)。門鈴的設計思路是：當雙按鈕開關(guān)被按下，可調(diào)彩燈應變換燈光、蜂鳴器播放一段旋律，否則可調(diào)彩燈熄滅、蜂鳴器停止播放。所用編程知識點和警報燈類似但又略有不同，有助于知識遷移的發(fā)生，警報燈和門鈴的程序見圖2。

5 實驗

5.1 研究對象

采用準實驗法，選取上海市某小學五年級的兩個班，一共70 名學生，其中A 班35 人為實驗組，采用OBE-CDIO教學模式；B班35人為對照組，采用傳統(tǒng)教學模式，按照學生課前預習、教師演示作品、教師講解知識、學生自主編寫、交流展示、鞏固練習六個環(huán)節(jié)實施教學。實驗假設是：OBE-CDIO教學模式比傳統(tǒng)教學模式更能促進學生的計算思維發(fā)展。

5.2 研究工具

采用認可度高且適合小學生的、張屹團隊開發(fā)的、包含23個題項的計算思維量表[12]，從創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決能力和合作能力五個方面對小學生的計算思維水平進行測量。為了驗證此量表的適用性，實驗前選取部分學生對量表進行了測試，后利用SPSS 25軟件對所得數(shù)據(jù)進行分析，得到Cronbach′s Alpha值為0.942、KMO值為0.624和Bartlett球形檢驗值為0.000，均符合正常值，說明該量表具有良好的信效度。

5.3 研究過程

研究從2022年9月初開始，到2022年12月末結(jié)束，歷時四個月。實驗組采用OBE-CDIO教學模式，課程包含15個教學作品，共授課15課時，每周1課時；對照組采用傳統(tǒng)教學模式，課程內(nèi)容、授課課時及頻率和實驗組一致。分別于課程教學開始前和結(jié)束后測試兩組的計算思維水平，并分析其變化情況。

5.4 數(shù)據(jù)分析

在實驗開始及結(jié)束后，采用問卷的方式對兩組學生的計算思維水平分別進行前后測，實驗組發(fā)放了70份后回收70份，對照組也發(fā)放了70份并回收70份，問卷的回收率及有效率均為100%。

使用計算思維量表對學生進行前測，數(shù)據(jù)經(jīng)過SPSS 25分析后結(jié)果顯示（見表1） ，在創(chuàng)造力、批判性思維等五個維度上，數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)方差齊性（sig > 0.05） ，說明在實驗開始前，實驗組和對照組在計算思維的五個維度上均不存在顯著性差異，即為同質(zhì)樣本。

四個月后對學生進行后測，使用SPSS 25對數(shù)據(jù)進行獨立樣本t 檢驗（見表2） ，結(jié)果表明，實驗組和對照組在計算思維的五個維度上均產(chǎn)生統(tǒng)計學意義上的變化。其中，在問題解決能力、算法思維、批判性思維與合作能力上，實驗組與對照組相比出現(xiàn)較高水平的顯著性差異（sig < 0.005） ；在創(chuàng)造力維度上，實驗組與對照組相比出現(xiàn)了顯著性差異（sig < 0.05） 。因此，采用OBE-CDIO教學模式比傳統(tǒng)教學模式能更好地提升小學生的計算思維水平。

6 結(jié)論與建議

本文在反思傳統(tǒng)Scratch教學培養(yǎng)計算思維局限性的基礎上，分析了OBE-CDIO理念和計算思維培養(yǎng)的契合之處，設計了基于OBE-CDIO理念、以小學生計算思維培養(yǎng)為目標的教學模式，并給出了教學案例。實證研究表明該模式能很好地提升小學生的計算思維水平，為在小學階段將OBE-CDIO理念引入計算思維培養(yǎng)的研究提供了可行方案。但模式的實施需要軟硬件教學環(huán)境的支持，對教師課堂把控的能力有一定的要求，建議教師根據(jù)實際教學條件進行實踐和改進。