張 靜

(常州市武進區(qū)湖塘橋第二實驗小學(xué),江蘇常州,213161)

一、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈和人工智能等一系列新技術(shù)的出現(xiàn),信息科技飛速發(fā)展,逐步為我們構(gòu)造了一個全新的信息化生態(tài)環(huán)境。信息科技課程教學(xué)必須緊跟時代發(fā)展的需求。為更好地順應(yīng)數(shù)字時代的發(fā)展,教育部印發(fā)《義務(wù)教育信息科技課程標準(2022年版)》(以下簡稱新課標),引領(lǐng)信息科技課程走上新臺階。新課標提出的課程總目標強調(diào)了要全面提升學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能,數(shù)字素養(yǎng)與技能和課程核心素養(yǎng)緊密相連。在核心素養(yǎng)四大要素中,計算思維的培養(yǎng)尤為重要。計算思維的培養(yǎng)不是單純的學(xué)習(xí)知識,而是培養(yǎng)學(xué)生能夠運用符合數(shù)字時代的思維方式思考和處理信息問題。[1]新課標的提出給一線教師帶來了全新的挑戰(zhàn),需要教師轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)信息技術(shù)教學(xué)理念,同時為一線教師帶來了不斷學(xué)習(xí)、自我發(fā)展的機會。本文以新課標“過程與控制”模塊內(nèi)容設(shè)計的“優(yōu)化教室照明系統(tǒng)”一課為例,詳細闡述了抽象問題核心、分解建模系統(tǒng)、算法設(shè)計、思維遷移四大環(huán)節(jié)的具體教學(xué)活動的實施過程。在實踐中不斷探索操作性強的思維訓(xùn)練理論和促進學(xué)生思維發(fā)展的教學(xué)策略,以期為一線教師新的教學(xué)理念、教學(xué)方法提供借鑒。

二、計算思維內(nèi)涵的發(fā)展與培養(yǎng)現(xiàn)狀

(一)內(nèi)涵的發(fā)展

“計算思維”這一名詞最早由西摩·派珀特于1980年提出,他在自己撰寫的《頭腦風(fēng)暴:兒童、計算機及充滿活力的創(chuàng)意》一書中表明了兒童要學(xué)會在學(xué)習(xí)計算機的過程中提高自身思維能力的愿景。但他沒有對這種思維能力進行明確的闡述。[2]2006年,周以真正式提出了計算思維的概念,它是“利用計算機科學(xué)實現(xiàn)問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、理解人類行為的一種思維活動”。[3]多年來,許多國內(nèi)外的專家、學(xué)者和相關(guān)機構(gòu)都對計算思維進行了定義,其中,問題解決、過程、抽象、算法、有效等詞匯在定義中高頻出現(xiàn)?？梢?計算思維核心內(nèi)涵的定義是共通的。

隨著信息科技的日新月異,基礎(chǔ)教育信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域也發(fā)生著巨大的變化。2017年《江蘇省義務(wù)教育信息技術(shù)課程綱要》指出,計算思維是義務(wù)教育信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。[4]新課標進一步指出了計算思維的內(nèi)涵,“計算思維是指個體運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法,在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計等思維活動”[5],為一線教師闡明了計算思維培養(yǎng)的教學(xué)指導(dǎo),充分體現(xiàn)了培養(yǎng)兒童計算思維的迫切性和重要性。

(二)培養(yǎng)現(xiàn)狀

如何在信息科技課程教學(xué)實踐中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維,提高學(xué)生的算法實現(xiàn)和思維表達能力,這是信息科技一線教師一直在探索和研究的問題。然而,該教學(xué)實踐目前的教學(xué)效果并不理想,學(xué)生的計算思維沒有得到顯著提高。主要原因體現(xiàn)在以下幾點。

1.教師不主動更新教學(xué)思維

盡管從2017年起,義務(wù)教育階段信息技術(shù)學(xué)科就開始提出計算思維的培養(yǎng),但許多教師仍采用陳舊的教學(xué)模式進行技能操作灌輸,側(cè)重對學(xué)生技能的培養(yǎng),只關(guān)注學(xué)生工具軟件的掌握情況,不愿主動學(xué)習(xí)新的教學(xué)理念,導(dǎo)致教師對計算思維的認識不夠透徹。因此,要培養(yǎng)學(xué)生的計算思維,教師首先要意識到培養(yǎng)計算思維對提高學(xué)生能力的重要性。教師需要主動學(xué)習(xí),深入了解計算思維,積極學(xué)習(xí)相關(guān)理論與實踐案例,不斷改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式,提高創(chuàng)新意識。根據(jù)新課標要求,在教學(xué)實踐中合理優(yōu)化、創(chuàng)新和完善內(nèi)容。

2.思維工具的運用流于形式

計算思維的培養(yǎng)常常需要借助思維導(dǎo)圖、流程圖等思維工具,這些工具可以將一個大問題分解成多個小問題并清晰地展示出來,讓思維可視化,幫助學(xué)生以系統(tǒng)的思維解決問題。然而,在具體的實踐教學(xué)過程中,部分教師為展示自己在教學(xué)活動中培養(yǎng)了學(xué)生計算思維的設(shè)計意圖,處處使用思維導(dǎo)圖或流程圖,流于表面形式,沒有深入思考思維工具的使用是否恰當。這不僅沒有取得好的效果,還給學(xué)生造成了額外的學(xué)習(xí)壓力,教師課堂時間也受到影響。因此,思維工具的使用要慎重考慮時間、環(huán)節(jié)、效果、學(xué)生等因素。

3.學(xué)生的配合度不高

信息科技學(xué)科是大多數(shù)學(xué)生比較喜愛的學(xué)科,學(xué)生學(xué)習(xí)積極性普遍較高。然而,一般信息科技課程一周只安排一節(jié)課,學(xué)生的注意力主要集中在計算機的操作上。教師下發(fā)的學(xué)習(xí)單、思維導(dǎo)圖或流程圖的繪制填寫、匯報展示等為培養(yǎng)計算思維精心設(shè)計的環(huán)節(jié)往往得不到學(xué)生的配合,這也直接影響了計算思維的培養(yǎng)效果。因此,教師必須積極地引導(dǎo)、趣味地吸引學(xué)生耐心完成教師布置的學(xué)習(xí)活動,在這些學(xué)習(xí)活動中凸顯學(xué)生的主體地位,使學(xué)生的計算思維在學(xué)習(xí)實踐中逐步提升。

三、小學(xué)信息科技計算思維培養(yǎng)的教學(xué)實踐

本文以小學(xué)第三學(xué)段“過程與控制”中的內(nèi)容設(shè)計教學(xué)過程,緊抓計算思維的內(nèi)涵關(guān)鍵,通過抽象問題核心、分解建模系統(tǒng)、算法設(shè)計、思維遷移,將學(xué)生的生活經(jīng)驗和信息科技知識與思維緊密結(jié)合,讓學(xué)生充分感受過程與控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。計算思維在學(xué)習(xí)過程中得到潛移默化的提高。[6]

(一)聚焦真實問題,抽象問題核心特征,啟蒙計算思維

教學(xué)片段1:

教師播放視頻《教室里燈的煩惱》,請學(xué)生說一說發(fā)現(xiàn)了哪些問題?

學(xué)生回答預(yù)設(shè):無人燈浪費電;光線暗,不開燈傷害眼睛。

教師:普通的照明系統(tǒng),我們只能利用開關(guān)控制燈亮與燈滅。怎樣讓我們教室里的照明系統(tǒng)變得智能化?

小組討論:設(shè)計一個智能教室照明系統(tǒng),用“如果……那么……否則……”的句式描述。

學(xué)生回答預(yù)設(shè):如果有人,那么燈亮;否則,燈暗。如果光線暗,燈亮;否則,燈暗。如果有人且光線暗,燈亮;否則,燈暗。

學(xué)生解決問題的過程是培養(yǎng)計算思維的關(guān)鍵,而問題應(yīng)來源于學(xué)生的生活實際,便于學(xué)生融入情境,引起共鳴。一個好的教學(xué)情境可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,自然活躍課堂氣氛。根據(jù)課程標準要求和教學(xué)目標,教師應(yīng)當以學(xué)生現(xiàn)有的知識水平和認知情感為出發(fā)點,創(chuàng)設(shè)既趣味又具現(xiàn)實性的情境,并精心設(shè)計,將問題自然貫穿于每個教學(xué)環(huán)節(jié),引導(dǎo)學(xué)生保持積極的思維狀態(tài)逐步解決問題。新課標倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí),要以學(xué)生熟悉的、身邊真實發(fā)生的問題創(chuàng)設(shè)情境,促使學(xué)生開展真實性學(xué)習(xí),提高學(xué)生利用信息科技解決實際問題的意識和能力。教師從學(xué)生熟悉的教室場景中發(fā)現(xiàn)問題,以教室照明系統(tǒng)為研究主線,通過真實情境引導(dǎo)學(xué)生提出照明系統(tǒng)的優(yōu)化策略。

新課標提出,在面對日常學(xué)習(xí)與生活遇到的問題時,學(xué)生要能找出問題的基本特征,并學(xué)會用自然語言的方式正確描述問題求解的方法,從而得出解決問題的方案。[5]通過觀看視頻,學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)教室的燈存在兩種使用不當?shù)那闆r:一種是無人時開燈,一種是光線暗時不開燈。針對這兩種情況,教師組織學(xué)生開展小組討論,使用“如果……那么……否則……”的句式引導(dǎo)學(xué)生用簡單的語言描述解決問題的多種方案,明確了優(yōu)化照明系統(tǒng)必須既要判斷是否有人,又要判斷光線是否較暗,在不同方案中選出最優(yōu)方案。通過這一系列思維的碰撞,學(xué)生將復(fù)雜的智能教室照明系統(tǒng)抽象為判斷是否有人、判斷光線亮度的過程,抓住了解決問題的核心要素。教師成功引導(dǎo)了學(xué)生根據(jù)生活中的真實經(jīng)歷提出問題,組織學(xué)生思維碰撞,共同界定問題、分析問題,并用最簡單的語言描述問題,思考不同的策略解決問題。這能夠有效幫助學(xué)生把生活經(jīng)驗直接轉(zhuǎn)換成算法思維,啟發(fā)學(xué)生運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法思考問題。

(二)繪制流程圖,分解、建模系統(tǒng),發(fā)展計算思維

教學(xué)片段2:

小組根據(jù)自然語言描述,選擇一種解決方案,用流程圖形式展示智能照明系統(tǒng)的工作過程。如圖1所示。

圖1 教室智能照明系統(tǒng)流程圖

小組根據(jù)填寫的流程圖匯報展示系統(tǒng)設(shè)計。

小組討論:觀察流程圖,智能照明系統(tǒng)由哪些模塊組成?不同的模塊經(jīng)歷怎樣的工作流程?不同的工作模塊有什么相似點。

學(xué)生預(yù)設(shè)回答:兩個模塊,檢測人,檢測光線。都是先檢測,再判斷,根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行不同的操作。

師生共同分析工作原理:第一步都是先檢測,檢測出來的值進入系統(tǒng),我們把這個過程稱為“輸入”;第二步都是判斷,對檢測出來的值進行判斷,判斷是否有人,判斷亮度是否較暗,我們把這個過程稱為“計算”;第三步執(zhí)行下一步,如果檢測結(jié)果是有人,還要再檢測光線,否則燈暗;如果檢測亮度較暗,那么燈亮,否則燈暗。我們把這個得出結(jié)果后執(zhí)行相應(yīng)操作的過程稱為“輸出”。

師生小結(jié):這兩個模塊都經(jīng)歷了“輸入—計算—輸出”三個環(huán)節(jié),我們把像這樣經(jīng)歷三個環(huán)節(jié)的系統(tǒng)稱為“過程與控制系統(tǒng)”。通過這樣的分析,我們就能夠了解智能照明系統(tǒng)實現(xiàn)過程與控制的原理。

面對復(fù)雜的現(xiàn)實問題,學(xué)生無法直接解決,教師要從學(xué)生立場出發(fā),積極引導(dǎo)學(xué)生主動探索問題本質(zhì),引導(dǎo)學(xué)生找到解決問題的方法,使用思維導(dǎo)圖、流程圖等可視化工具分析解決問題的關(guān)鍵要素,顯化思維,將一個大問題分解為多個小問題,并根據(jù)已有知識經(jīng)驗嘗試不同的解決方案,一步步推進學(xué)生思維發(fā)展,讓學(xué)生真正成為問題的發(fā)現(xiàn)者。本課是學(xué)生第一次接觸認識“系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化”,雖然生活中廣泛存在著可以抽象為“輸入—計算—輸出”三個環(huán)節(jié)的“過程與控制系統(tǒng)”的智能設(shè)備應(yīng)用,但學(xué)生沒有過多關(guān)注其中的系統(tǒng)原理,對系統(tǒng)缺乏認識和思考,直接講“過程與控制”的概念比較專業(yè),學(xué)生難以理解。因此,教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)前面分析的自然語言的描述,填寫相應(yīng)的流程圖,利用流程圖更直觀地展示教室照明系統(tǒng)的工作過程。這既是對學(xué)生思維力的訓(xùn)練,也是展示思維成果的好方法,有利于提高學(xué)生的算法思辨能力,促進學(xué)生認知與思維觀念的發(fā)展。

新課標指出,學(xué)生要能夠分析生活中的過程與控制系統(tǒng),了解一個大系統(tǒng)可以由多個小系統(tǒng)組成,不同的系統(tǒng)中存在相似的組成部分。[5]通過流程圖中的符號和文字,學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的智能教室照明系統(tǒng)由“檢測人”“檢測光線”兩個小系統(tǒng)組成,這兩個系統(tǒng)又有著相似的工作流程。教師逐步引導(dǎo)學(xué)生識別系統(tǒng)中的“輸入”“計算”“輸出”三個環(huán)節(jié),從整體到模塊,從一個大系統(tǒng)到若干個小系統(tǒng),用這樣的思維方式引導(dǎo)學(xué)生深入理解教室照明系統(tǒng)的工作原理,為后續(xù)使用這種方式思考和分析其他的過程與控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ),學(xué)生計算思維得以有效發(fā)展。

(三)系統(tǒng)模擬搭建,準確算法設(shè)計,強化計算思維

教學(xué)片段3:

小組根據(jù)流程圖,利用圖形化編程軟件搭建腳本,結(jié)合開源硬件設(shè)備中合適的傳感器搭建系統(tǒng),驗證系統(tǒng)正確性。

學(xué)生預(yù)設(shè)操作:選用“紅外傳感器”或“熱釋電傳感器”等檢測儀,選用“光敏傳感器”檢測光線亮度,選用“紅綠雙色燈”模擬教室燈。不斷調(diào)整參數(shù),模擬教室照明系統(tǒng)功能實現(xiàn)。

小組匯報、展示模擬系統(tǒng)實驗成果。

程序設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的有效方法。新課標要求,學(xué)生要掌握編程的基礎(chǔ)知識,根據(jù)求解問題進行分析和算法設(shè)計,合理使用順序、分支和循環(huán)三種基本控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)算法的執(zhí)行。上一個環(huán)節(jié)中設(shè)計好的完整的流程圖幫助學(xué)生建立了編程的基本模型,教師引導(dǎo)學(xué)生抓住流程圖中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在圖形化編程軟件中找到實現(xiàn)相對應(yīng)功能的控制進行替換,進而呈現(xiàn)系統(tǒng)效果。

軟件方面,在腳本搭建過程中,學(xué)生必須處理好順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)的控制關(guān)系。通過流程圖,學(xué)生可以清楚地厘清這兩個模塊之間的關(guān)系,再結(jié)合實現(xiàn)相應(yīng)功能的控件進行準確的算法設(shè)計。本程序的難點在于雙分支語句的嵌套。在“判斷是否有人”的雙分支語句中,如果判斷出“有人”的情況,則在“有人”的條件下嵌套一個“判斷光線是否暗”的雙分支語句。硬件方面,利用主控板、傳感器和燈等硬件設(shè)備搭建模擬實現(xiàn)系統(tǒng)功能。在腳本搭建過程中,學(xué)生要能根據(jù)檢測的值進行合理判斷,針對出現(xiàn)的問題不斷調(diào)整參數(shù),模擬照明系統(tǒng)的實現(xiàn)。在本程序中,主要根據(jù)檢測的兩個值進行判斷。首先利用“人體紅外傳感器”檢測是否有人,如果檢測出的值為“1”則表示有人,否則表示沒人。再利用“光敏傳感器”檢測光線值,具體光線值小于多少表示光線暗由學(xué)生自己設(shè)定。在整個調(diào)試、優(yōu)化過程中,學(xué)生充分體驗了數(shù)字化環(huán)境下實現(xiàn)過程與控制的優(yōu)勢,能動地運用信息科技模擬生活中的過程與控制系統(tǒng),切實體驗、感受和驗證系統(tǒng)控制的環(huán)節(jié)和原理,學(xué)生計算思維得到了進一步強化。

(四)遷移真實案例,交流分享促思考,深化計算思維

教學(xué)片段4:

交流分享:舉出你在學(xué)習(xí)和生活中的過程與控制系統(tǒng)實例,用“輸入—計算—輸出”三個環(huán)節(jié)來描述這個系統(tǒng)過程與控制的原理。

學(xué)生預(yù)設(shè)討論:微波爐、空調(diào)、洗衣機、冰箱……

問題解決能力重在將學(xué)習(xí)過程中形成的解決問題的思維模式靈活地應(yīng)用于生活的其他領(lǐng)域,這是促進學(xué)生計算思維系統(tǒng)化的關(guān)鍵。學(xué)生經(jīng)過多次探究實踐,結(jié)合所學(xué)知識、技能和經(jīng)驗,合理運用各種思維工具,遷移真實案例至新問題的解決過程中,逐步形成完備的計算思維系統(tǒng)解決同類型問題的能力。新課標提出,學(xué)生要能夠列舉身邊的控制系統(tǒng),能通過識別和區(qū)分控制系統(tǒng)的輸入、計算和輸出三個環(huán)節(jié)描述身邊的控制系統(tǒng)的工作原理,感受信息科技對人們生活的重要影響,激發(fā)學(xué)生主動了解信息科技未來的發(fā)展方向。[2]

學(xué)生在實際生活中會接觸到各種過程與控制系統(tǒng),但對控制系統(tǒng)的工作過程和內(nèi)部構(gòu)成并不了解。通過前面內(nèi)容的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)了解什么是過程與控制系統(tǒng)。教師通過開展交流分享活動,檢驗學(xué)生對生活中過程與控制系統(tǒng)的認識,促進學(xué)生運用系統(tǒng)到具體模塊思考問題,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,讓學(xué)生計算思維得以進一步深化和延伸。

四、結(jié)語

如今,信息科技正以一個全新的、發(fā)展的樣態(tài)不斷改變著人們的生產(chǎn)和生活,因此,信息科技課程教育要順應(yīng)信息時代的發(fā)展趨勢不斷更新發(fā)展。小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生的計算思維是適應(yīng)社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迫切需要,也是提高學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能的重要措施。在新課標的引領(lǐng)下,教師要不斷探索可操作性強的思維訓(xùn)練理論和促進兒童思維發(fā)展的教學(xué)模式。學(xué)習(xí)是一個主動、生動且極具個性化的過程。教師在具體實施教學(xué)過程中,即使有現(xiàn)成的教學(xué)模式,也要因材施教、因地制宜。教師要學(xué)會根據(jù)實際情況靈活地開展教學(xué)活動,以促進學(xué)生計算思維的進階,為學(xué)生的終生學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。