小學階段“計算思維”教學的四要素分析

“計算思維”是信息技術(shù)學科的核心素養(yǎng)之一，它是21世紀高素質(zhì)人才的必備素養(yǎng)。美國卡梅隆大學計算機科學系主任周以真 （Jeannette M.Wing）教授認為：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。當前最新最熱門的高科技大部分都是借助于計算思維發(fā)展起來的，比如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習、人工智能、語音識別、機器人技術(shù)……所以我們很有必要從小學開始就進行計算思維的滲透學習。

計算思維的學習建立在人理解計算機運行方式的基礎上，學會運用這樣的方法對數(shù)據(jù)進行一系列的映射，從而得到我們想要的結(jié)果。但它的學習過程并不一定要用到計算機，為此筆者開設了主題為 “不開機學習計算思維”的興趣課程，讓學生不用計算機也能學到高深的計算機知識。以下是一些相關(guān)的做法：

一、計算思維教材——追溯信息技術(shù)的根源

計算思維是一個新鮮概念，2006年3月周以真教授首次提出這一概念，它也是計算機科學高度發(fā)展的必然結(jié)果。筆者認為 “二進制” “程序思維” “遞歸思想” “數(shù)據(jù)映射”是它的核心，為此編寫了校本教材 《小學計算思維教程》，該教程一共有26課，目錄如下：

第一課：從卡片到二進制數(shù)；第二課：不同的二進制數(shù)；第三課：二進制數(shù)的特點；第四課：十進制數(shù)轉(zhuǎn)為二進制；第五課：讀心小魔術(shù)；第六課：用二進制表示字母；第七課：用其他方法表示二進制；第八課：用二進制表示圖像；第九課：壓縮文字信息；第十課：奇偶校驗 （1）；第十一課：奇偶校驗 （2）；第十二課：哈希校驗；第十三課：信息的多少；第十四課：決策樹；第十五課：線性搜索；第十六課：二分搜索；第十七課：哈希搜索；第十八課：選擇排序；第十九課：插入排序和冒泡排序；第二十課：快速排序；第二十一課：歸并排序；第二十二課：并行排序；第二十三課：網(wǎng)絡；第二十四課：路由與死鎖；第二十五課：處理輸入；第二十六課：使用FAS處理輸入。

按這個教程切實開展教學，就能讓學生進入奇妙的信息技術(shù)科學殿堂，理解計算機的工作原理。學生學會的不僅僅是計算機知識，還有相應的思維方法和思考技巧，這將對學生的未來產(chǎn)生極大的影響。

筆者盡量使用兒童化的語言來描述計算機世界，比如在二進制學習的第一課作如下描述：

當前，所有電子計算機的數(shù)據(jù)都是以二進制的形式來儲存和傳輸?shù)?。如果我們可以鉆進計算機內(nèi)部，就會看到下面這樣的圖形。理解了二進制數(shù)的工作原理也就意味著理解了計算機是怎樣處理信息的，計算機的神秘面紗也將會被揭開。

很神奇吧，計算機中全部信息都只用兩個數(shù)值來表示：0和1。0和1在計算機內(nèi)存中以晶體管的開、關(guān)來表示 （“開”代表1，“關(guān)”代表0，或者相反也可以）。

是不是覺得二進制一下子變得簡單了呢？

二、游戲活動學真知——追求信息技術(shù)知識的形象化

雖然筆者在教材上做了很多努力，但難以掩蓋計算思維非常抽象的事實。因此，在每節(jié)課上都使用游戲教學法，設計精妙的活動讓學生參加，讓他們在活動中感受到計算思維的真諦。

1.在二進制學習中我們使用卡片來開展活動：

材料：準備下圖五張卡片：

問題：①如果在左邊增加一張卡片，要畫幾個圓點？②如果再增加一張卡片，要畫幾個圓點？……

2.在學習用聲音傳送二進制信息中我們設計了這樣的活動：

首先要和小伙伴確定聲音表示的含義 （如 “吧”表示1，“布”表示0），然后明確你們傳送的是什么信息，是怎樣編碼的，最后你們就可以用 “唱”的方式來傳達信息了。當然，你不用像計算機那樣高速地“唱”出這些聲音，你可以慢慢地、以聽得清的速度來表達。

問題：用 “唱”的方法傳送數(shù)字89。

3.在學習排序時，我們使用了下面這些材料來模擬計算機的運行方式：

①托盤天平或自制玩具天平 （如下圖）；

②8個自制的物體，最好大小一樣。

活動：

在天平的幫助下，一次比較兩個物體，依次找出最重的物體，從而實現(xiàn)從高到低的排列。

這樣的活動每節(jié)課都有安排，目的就是讓學生“有效”地感受計算思維的核心思想。

三、問題探索引內(nèi)化——追尋腦中的信息技術(shù)脈絡

游戲教學的效果非常好，學生參與熱情高漲，但如果就此認為他們學會了這個知識，那就大錯特錯。知識的內(nèi)化需要學生主動建構(gòu)，只有開動腦筋積極思考，知識點才會在他們的大腦中建構(gòu)并和原有知識產(chǎn)生聯(lián)結(jié)，這樣才算他真正學會了。筆者認為提出問題讓學生思考并回答是知識內(nèi)化的最好途徑，問題要設在他們的最近發(fā)展區(qū)，要問得有深度、有開放性。列舉筆者設計的幾個問題：

1.比如在二進制中有：

光盤利用光學原理來儲存比特，此時可以用碟片表面反光或不反光來表示0或1。下面的CD碟片上存儲了6位二進制，如果吸收光表示0，反射光表示1，則下圖代表二進制多少？

（學生對二進制有了更多認識，同時也了解了光盤的存儲原理）

2.比如在壓縮文字信息中有：

（通過思考如何把壓縮信息還原，可以幫助學生更好地理解游程壓縮算法）

3.在二分搜索中有：

①你一共幾次猜中對手的秘密戰(zhàn)艦？和上節(jié)課的成績相比有進步嗎？是什么原因讓你進步了？

②同學們最快用了幾次猜中秘密戰(zhàn)艦，最差的又是幾次呢？

③你是怎樣用二分查找的辦法來搜索秘密戰(zhàn)艦的？

④如果秘密戰(zhàn)艦不在隊列中會發(fā)生什么情況？要猜多少次才能發(fā)現(xiàn)？

⑤如果有100張卡片，要猜多少次才一定能贏得游戲？

（二分搜索操作起來并不難，難點是理解它的速度為什么會這么快。通過回答上述問題，學生可以將這個知識點內(nèi)化）

每節(jié)課都需要學生全力開動腦筋思考，他們的大腦就像裝了水泵一樣，不斷吸收著高深的計算思維知識。

四、“互聯(lián)網(wǎng)+”輔助教學——追逐高效學習的方法

在教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)有些內(nèi)容使用微課視頻的方式教學，效果會更好。這些內(nèi)容最好以動畫的形式呈現(xiàn)，需要學生多次學習。當前 “互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展讓這一切都輕易實現(xiàn)，只需在合適的地方放上二維碼，學生掃一掃就可以隨時隨地學習。

比如在 “讀心小魔術(shù)”一課上，我們就特意制作了視頻，從 “算命”這個情境導入，吸引學生思考為什么他能猜到我的想法，然后講解其中的原理，最后帶領(lǐng)學生制作這樣的魔術(shù)卡片。

又如在 “并行排序”一課上，我們也錄制了視頻，首先在桌上用游戲棋來演示玩法，然后在操場上實地來玩，最后講解其中的原理。

視頻貴精不貴多，無需為每節(jié)課錄制，在需要的地方放上即可。它讓我們乘上 “互聯(lián)網(wǎng)+”的東風，快速航行在計算思維的大海上。

計算思維作為信息技術(shù)的核心素養(yǎng)，它的重要性與日俱增。在培養(yǎng)計算思維的道路上，筆者作了一些嘗試，取得了一定效果。將計算思維作為一個單獨的課程，以興趣課的形式開展教學，學生學得開心、學得扎實。計算思維是一個廣義的概念，更需要教師集思廣益，在長期的教學實踐中不斷探索、補充。