權(quán)慧

［摘 要］計(jì)算思維是信息科技學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。在信息科技課程的教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，目的是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的年齡特點(diǎn)和認(rèn)知水平，通過開展趣味活動(dòng)、利用圖形化編程軟件、進(jìn)行學(xué)科延伸、引入生活問題等方式展開教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維處理實(shí)際問題，以提升學(xué)生的思維能力。

［關(guān)鍵詞］信息科技；計(jì)算思維；教學(xué)策略

［中圖分類號(hào)］ G43 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1007-9068（2023）27-0087-03

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)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(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。具備計(jì)算思維的學(xué)生，能嘗試模擬、仿真、驗(yàn)證解決問題的過程，反思、優(yōu)化解決問題的方案，并將其遷移運(yùn)用于解決其他問題中。計(jì)算思維與我們的生活息息相關(guān)，是信息社會(huì)不可或缺的一種能力。2022年，隨著《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“信息科技新課標(biāo)”）的頒布和實(shí)施，作為小學(xué)信息科技學(xué)科的核心素養(yǎng)之一的計(jì)算思維，引起了教師的重視。以下是筆者對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維的教學(xué)策略探索。

一、開展趣味活動(dòng)

在信息社會(huì)中，學(xué)生身邊存在大量的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)除了數(shù)字、數(shù)值，還包括依托數(shù)字設(shè)備制作出的文本、圖像、音頻、視頻等，如各種二維碼、身份證號(hào)碼、學(xué)號(hào)、電話號(hào)碼、車牌號(hào)碼等。我們每天都要和數(shù)據(jù)打交道，學(xué)生也不例外。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注并理解這些數(shù)據(jù)所代表的信息、數(shù)據(jù)的編碼和解碼規(guī)則、使用數(shù)字化表達(dá)的優(yōu)勢以及現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的聯(lián)通方式等，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)具有重要意義。

在信息科技新課標(biāo)中，數(shù)據(jù)與編碼模塊是三、四年級(jí)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。這個(gè)階段的學(xué)生處于形象思維階段，教師可以引導(dǎo)學(xué)生使用電子設(shè)備體驗(yàn)各種數(shù)據(jù)，了解其背后的信息；還可以開展趣味活動(dòng)（如設(shè)計(jì)個(gè)性二維碼等），讓學(xué)生學(xué)習(xí)編碼規(guī)則，嘗試創(chuàng)編自己的二維碼或圖形碼，并且理解計(jì)算機(jī)編碼、解碼、校驗(yàn)的原理。這項(xiàng)活動(dòng)是在學(xué)生已經(jīng)了解數(shù)據(jù)的類型、理解編碼的意義、明確編碼的規(guī)則的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。教師可以利用生活中常見的二維碼導(dǎo)入新課，通過展示各種黑白方塊組合成的不同二維碼圖形，引發(fā)學(xué)生思考：它們真的能表達(dá)信息嗎？能表達(dá)多少種信息呢？教師進(jìn)一步展示并總結(jié)二維矩陣表達(dá)信息的方式和數(shù)量，組織學(xué)生通過最簡單的二維矩陣來設(shè)計(jì)二維碼。學(xué)生完成作品進(jìn)行展示時(shí)，大家發(fā)現(xiàn)有很多二維碼是相同的，教師此時(shí)可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論交流，共同探討編制個(gè)性二維碼的方法。學(xué)生在討論中理解了矩陣的維度和所代表的信息量之間的關(guān)系，學(xué)會(huì)了運(yùn)用一定的編碼規(guī)則組織和表達(dá)信息，學(xué)會(huì)了合理使用字符、圖像編碼表示信息，并且在交流學(xué)習(xí)中碰撞了思維，提高了語言表達(dá)能力，計(jì)算思維得到有效培養(yǎng)。

周以真教授說：“計(jì)算思維就是像一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考?！痹谛W(xué)階段，教師也可以引導(dǎo)學(xué)生“像一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考”。教師通過形式多樣的趣味活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)、合作、交流，讓學(xué)生了解數(shù)據(jù)的存在方式、編碼和解碼的基本規(guī)則、編碼規(guī)模和包含信息量之間的關(guān)系、現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界連接的方式等，利用真實(shí)的場景體驗(yàn)，感受編碼和校驗(yàn)的必要性，拓寬學(xué)生思考的廣度和深度。

二、利用圖形化編程軟件

Scratch是美國麻省理工學(xué)院專門為兒童設(shè)計(jì)的一款圖形化編程軟件。它不需要兒童編寫代碼，而是將代碼集成一條條積木，讓兒童在搭建積木的過程中解決問題。這款軟件的作用不是教學(xué)編程語言，而是讓兒童在編寫程序的過程中，體驗(yàn)將現(xiàn)實(shí)世界的問題抽象為計(jì)算機(jī)能夠解決的問題的步驟，通過抽象、編碼、檢測、反饋等過程，鍛煉思維能力，收獲成就感。筆者抓住學(xué)生創(chuàng)作作品的前、中、后三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過不同類型的圖形化編程作品培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

1.創(chuàng)作前：學(xué)會(huì)規(guī)劃

以蘇科版小學(xué)信息技術(shù)教材五年級(jí)的《火柴人跳舞》一課為例，該課的內(nèi)容是先把真實(shí)人物不同的舞蹈形象抽象化，形成火柴人角色，再通過代碼控制火柴人切換不同的造型，讓火柴人動(dòng)起來。這一教學(xué)內(nèi)容引發(fā)了學(xué)生的興趣，促使學(xué)生激活自己的創(chuàng)造力，在短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)作出很多不同的火柴人造型。但是對(duì)于剛接觸Scratch的學(xué)生來說，角色和造型的概念容易混淆，繪制造型的過程中角色的大小、錨點(diǎn)的位置難以準(zhǔn)確辨析。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師會(huì)在學(xué)生動(dòng)手操作前將所有問題一一講解，這剝奪了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的機(jī)會(huì)，使學(xué)生難以獨(dú)立思考問題。對(duì)此，教師可以創(chuàng)新教學(xué)模式，在作品創(chuàng)作前給學(xué)生提供充足的時(shí)間，讓學(xué)生以小組為單位展開討論，分析問題、建立模型、設(shè)計(jì)方法、預(yù)測結(jié)果。學(xué)生在交流的過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同的火柴人造型可以被制作成不同的角色，而同一個(gè)角色也可以制作成不同的火柴人造型。學(xué)生闡述不同的觀點(diǎn)后，教師組織學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐：將火柴人制作成不同角色。但是在操作過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)添加代碼后角色無法動(dòng)起來。此時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生先在小組內(nèi)交流討論或翻看教材查明原因，遇到無法解決的難題時(shí)再求助教師。最終師生共同解決了問題，明確了讓角色動(dòng)起來的原理，創(chuàng)作出個(gè)性化的火柴人跳舞動(dòng)畫。在這一學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生在動(dòng)手操作前用語言描述創(chuàng)作過程，清晰地規(guī)劃整個(gè)創(chuàng)作活動(dòng)，自上而下地整體設(shè)計(jì)作品，運(yùn)用系統(tǒng)的方法思考問題，經(jīng)歷了一系列的思維活動(dòng)。雖然學(xué)生對(duì)創(chuàng)作的規(guī)劃仍存在許多問題，但是學(xué)生在處理這些問題的過程中碰撞出了思維的火花，進(jìn)一步獲得了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的樂趣。

2.創(chuàng)作中：設(shè)計(jì)算法

在使用Scratch進(jìn)行創(chuàng)作的過程中，需要考慮作品界面布局的美觀性、故事的合理性、算法的復(fù)雜性、操作的便捷性等。其中最為關(guān)鍵的部分就是算法。學(xué)生要利用算法解決問題，需要經(jīng)歷分析問題、設(shè)計(jì)算法、驗(yàn)證算法、優(yōu)化算法的過程。學(xué)生可以先通過自然語言或者流程圖等方式，描述解決問題的步驟，再將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的命令。

在信息科技新課標(biāo)中，算法屬于五、六年級(jí)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。這個(gè)階段的學(xué)生處于形象思維向抽象思維過渡的階段，因此教師要把握良好的教學(xué)時(shí)機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生通過合理的算法來解決問題。比如，“雞兔同籠”問題，學(xué)生先在小組內(nèi)討論解決問題的方法，如假設(shè)法、抬腳法、列表法、方程法等，然后進(jìn)行語言描述，最后設(shè)計(jì)算法。以假設(shè)法為例，學(xué)生先用自然語言描述：假設(shè)給定的頭的數(shù)量a都是雞，腳的數(shù)量應(yīng)為2a，那么與給定的腳的數(shù)量b進(jìn)行比較，兔子的數(shù)量n即為多出的腳的數(shù)量除以二，表達(dá)式為（b-2a）/2，雞的數(shù)量m就是a-n；然后，通過Scratch進(jìn)行程序編寫：確定輸入值為頭和腳的數(shù)量，輸出值為雞和兔的數(shù)量，計(jì)算公式為n=（b-2a）/2，m=a-n。在驗(yàn)證算法階段，需要注意腳的數(shù)量有一定的限制，即必須是在頭的兩倍和四倍之間的偶數(shù)，否則就無法得出正確結(jié)果。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生在優(yōu)化算法階段添加數(shù)據(jù)的取值范圍，使算法更加合理、完善。這樣，學(xué)生通過設(shè)計(jì)算法成功地解決了實(shí)際問題。

3.創(chuàng)作后：優(yōu)化算法

計(jì)算機(jī)科學(xué)家善于優(yōu)化算法，教師要培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)化算法的能力。上文提到“雞兔同籠”問題有多種不同的解法，由此會(huì)產(chǎn)生不同的算法和不同的程序。因此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算時(shí)間、計(jì)算效率、代碼長度等方面加以分析，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到不同的解題思路會(huì)產(chǎn)生不同的算法，由不同的算法會(huì)產(chǎn)生不同的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，進(jìn)而影響到計(jì)算機(jī)的反應(yīng)速度、運(yùn)行速度和能量消耗。學(xué)生了解了計(jì)算機(jī)解決問題的原理后，就會(huì)從全局角度思考解決問題的方法，并且不斷嘗試尋找多種方法，從中選擇最優(yōu)算法。掌握了這種思維方式，學(xué)生在以后遇到問題時(shí)，就能夠全面地思考問題。如此一來，學(xué)生思維的多樣性得到拓展，解決問題的能力得到提高，計(jì)算思維真正內(nèi)化為學(xué)生的基本能力。

三、促進(jìn)學(xué)科延伸

有效運(yùn)用計(jì)算思維是求解問題的一條途徑，它的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化兩個(gè)部分。作為“數(shù)字原住民”的小學(xué)生，生來就可以使用具有強(qiáng)大計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)。根據(jù)小學(xué)生計(jì)算能力有限的特點(diǎn)，教師要善于引導(dǎo)學(xué)生借助計(jì)算機(jī)解決具體問題。

如經(jīng)典的數(shù)學(xué)問題“百錢買百雞”，通常需要利用解方程或列舉的方式解題。對(duì)于小學(xué)生而言，要列出含有三個(gè)未知數(shù)的方程有一定難度，列舉有幾千種可能的過程又異常繁瑣，容易產(chǎn)生畏難心理。怎樣利用計(jì)算機(jī)來幫忙呢？首先，對(duì)問題進(jìn)行抽象分解。已知條件：公雞5元1只、母雞3元1只、小雞1元3只。求解目標(biāo)：用100元買100只雞，而且3種雞都要有，算出所有買法。其次，引導(dǎo)學(xué)生建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)算法（見表1）。最后，學(xué)生在理解數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，嘗試根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行積木搭建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)計(jì)算。

在求解的過程中，學(xué)生不僅要利用數(shù)學(xué)思維厘清公雞、母雞、小雞三者之間的價(jià)格和數(shù)量關(guān)系，還要利用編程思維處理好變量累加的遞歸算法與重復(fù)執(zhí)行的循環(huán)算法之間的關(guān)系。最重要的是，當(dāng)學(xué)生的計(jì)算能力達(dá)不到解題的要求時(shí)，學(xué)生能夠通過分析問題、創(chuàng)建模型、編寫代碼等方式，利用計(jì)算機(jī)解決問題。這樣，他們的思維就得到了拓展。

掌握了運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決問題的方法后，數(shù)學(xué)學(xué)科的很多問題如“韓信點(diǎn)兵”“漢諾塔”等，都可以迎刃而解。數(shù)學(xué)思維強(qiáng)調(diào)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、數(shù)與形的邏輯關(guān)系和演算推理能力，而計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)問題求解的操作過程、機(jī)器的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。以上利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程，就是計(jì)算思維在數(shù)學(xué)思維的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步精確地編寫程序，確保計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)執(zhí)行并完成任務(wù)。教師要促進(jìn)學(xué)科延伸，融合學(xué)科之間的思維鏈接點(diǎn)，提升學(xué)生的思維能力。

四、引入生活問題

懷特海說：“教育只有一個(gè)主題，那就是豐富多彩的生活本身?！鄙钪械恼鎸?shí)問題符合學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性、主動(dòng)性，讓學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)活動(dòng)。如通過快遞收費(fèi)計(jì)算系統(tǒng)這個(gè)項(xiàng)目，帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)、制作程序，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比不同快遞的收費(fèi)和時(shí)效之間的關(guān)系，讓學(xué)生關(guān)注生活、發(fā)現(xiàn)生活、熱愛生活。

本案例是在學(xué)生掌握了引用變量進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合生活中的真實(shí)問題設(shè)計(jì)的一個(gè)綜合項(xiàng)目。網(wǎng)絡(luò)購物已經(jīng)廣泛普及，“快遞”這一名詞對(duì)學(xué)生來說并不陌生。寄快遞可以自由選擇不同的快遞公司，本項(xiàng)目引入“你要寄一份家鄉(xiāng)特產(chǎn)給遠(yuǎn)在北京的朋友，你會(huì)選擇哪家快遞公司？請(qǐng)說出你的理由”的生活情境，并且提供市場上四家快遞公司的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和快遞到達(dá)時(shí)限等信息，引導(dǎo)學(xué)生通過分析問題、抽象建模、程序設(shè)計(jì)等過程，制作出快遞收費(fèi)計(jì)算系統(tǒng)：只需要輸入物品的重量，就能夠自動(dòng)輸出快遞的收費(fèi)價(jià)格和快遞的到達(dá)時(shí)間。學(xué)生觀察該系統(tǒng)呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，有的快遞公司能夠?qū)崿F(xiàn)快遞隔日到達(dá)，但是收費(fèi)較高；有的快遞公司收費(fèi)較低，但是運(yùn)送的時(shí)間較長。因此，學(xué)生根據(jù)自己的資金情況和特產(chǎn)的保存時(shí)效選擇了相應(yīng)的快遞公司。

本項(xiàng)目通過“快遞”這一生活中常見的事物導(dǎo)入教學(xué)，能夠拉近學(xué)習(xí)與生活的聯(lián)系，引發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，讓學(xué)生主動(dòng)參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中來，提升解決實(shí)際問題的能力。經(jīng)過本次學(xué)習(xí)實(shí)踐后，學(xué)生能夠幫助家長郵寄物品，以此收獲成就感。類似的教學(xué)項(xiàng)目還有班干部投票系統(tǒng)、垃圾分類系統(tǒng)等，教師可以通過生活中的真實(shí)問題，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

在信息科技教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，也是一個(gè)不斷內(nèi)化所學(xué)知識(shí)的過程。教師可以嘗試用微專題去解決大問題，從小的項(xiàng)目入手引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)解決問題的一般步驟，逐漸將計(jì)算思維內(nèi)化為學(xué)生的一種基本能力。處于信息時(shí)代的學(xué)生具有獨(dú)特的時(shí)代印記，出生在數(shù)字時(shí)代的他們是“數(shù)字原住民”，擁有良好的計(jì)算機(jī)資源。因此，教師要轉(zhuǎn)變思想，創(chuàng)新教學(xué)模式，開展貼近學(xué)生真實(shí)生活的學(xué)習(xí)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，提升學(xué)生的信息科技核心素養(yǎng)。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

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[3] 陳杰華. 程序設(shè)計(jì)課程中強(qiáng)化計(jì)算思維訓(xùn)練的實(shí)踐探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2009（20）：84-85.

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[5] 劉向永，周以真，王榮良，李冬梅.計(jì)算思維改變信息技術(shù)課程[J].中國信息技術(shù)教育，2013（6）：5-12.

（責(zé)編 李鉉華 劉宇帆）