基于計(jì)算思維培養(yǎng)的課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：計(jì)算思維作為一種靈活運(yùn)用工具與方法求解問題的思維活動(dòng)，在信息時(shí)代背景下對(duì)促進(jìn)學(xué)生的終身發(fā)展具有不可替代的作用。本文以謝忠新教授提出的學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的策略與方法為理論指導(dǎo)，對(duì)小學(xué)信息技術(shù)課堂進(jìn)行再設(shè)計(jì)，開發(fā)出能培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)能力的課堂活動(dòng)，從而提高學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)知識(shí)分析和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;課堂活動(dòng);信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2019）06-0031-04

計(jì)算思維是當(dāng)前信息技術(shù)教學(xué)領(lǐng)域廣受關(guān)注的一個(gè)重要內(nèi)容。早在2011年，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）就發(fā)布了《美國(guó)中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》，提出了完整的計(jì)算機(jī)教育框架，將計(jì)算思維、計(jì)算實(shí)踐和編程納入學(xué)科基本主線，幫助學(xué)生拓寬計(jì)算視野，理解計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本原理和方法。[1]2018年初，教育部公布了《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，將計(jì)算思維明確為，是信息技術(shù)核心素養(yǎng)的四大核心內(nèi)容之一，是面向21世紀(jì)的人才最基礎(chǔ)、最普遍、最適用的和不可缺少的基礎(chǔ)思維方式。

如今，計(jì)算思維已與我們的生活密切相關(guān);未來(lái)，計(jì)算思維也是人們不可或缺的生存能力之一。因而，在中小學(xué)信息技術(shù)課程中如何有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，一直是我們信息技術(shù)學(xué)科教師十分關(guān)注的問題。

問題解決與計(jì)算思維培養(yǎng)

2011年，國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）對(duì)計(jì)算思維這一概念進(jìn)行了進(jìn)一步的闡釋，指出計(jì)算思維是一個(gè)用來(lái)解決問題的過(guò)程。李藝教授及鐘柏昌教授認(rèn)為，“問題解決”作為“基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能”與“學(xué)科思維”之過(guò)渡可作為核心素養(yǎng)落地之階梯。[2]

那么，什么樣的問題求解過(guò)程才能有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維呢？2011年，為支持K-12教育中的教師進(jìn)行計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)，CSTA和ISTE聯(lián)合高等教育、工業(yè)、教育中的領(lǐng)導(dǎo)者共同協(xié)作，開發(fā)出了一個(gè)關(guān)于計(jì)算思維的操作性定義，該操作性定義強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維是一個(gè)問題解決的過(guò)程。[3]2013年，英國(guó)老牌名校南安普敦大學(xué)的Selby博士和Wool lard博士提出計(jì)算思維包括算法思維、評(píng)估、分解、抽象、概括這五個(gè)方面的要素，其觀點(diǎn)比較適合中小學(xué)信息技術(shù)教育。[4]算法幫助學(xué)生找出解決問題的步驟和方法，評(píng)估確保找出最佳的解決方案，分解可使復(fù)雜的問題容易得到解決，抽象隱藏不必要的細(xì)節(jié)從而更容易得到問題的關(guān)鍵，概括利于得到通用的解決方案。

下面，筆者以蘇科版小學(xué)信息技術(shù)《畫正多邊形》一課為例，談一談基于計(jì)算思維培養(yǎng)的課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)。

基于計(jì)算思維培養(yǎng)的活動(dòng)設(shè)計(jì)

《畫正多邊形》一課為蘇科版《小學(xué)信息技術(shù)》（五年級(jí)）Logo部分第五課。Logo語(yǔ)言是一門以鍛煉學(xué)生思維能力為主題的軟件，旨在把抽象的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和直觀的圖形結(jié)合起來(lái)。本課對(duì)學(xué)生抽象思維能力要求較高，可以立足尋找規(guī)律、逐步建模的教學(xué)策略幫助學(xué)生理解運(yùn)用。

本課從一個(gè)游戲任務(wù)入手，為學(xué)生提供一個(gè)需要解決的生活中的具體任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題求解并產(chǎn)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)動(dòng)力。然后明確要解決的問題，將復(fù)雜問題做合理的分解，從特殊到一般，將問題轉(zhuǎn)換為一個(gè)信息處理的流程并通過(guò)Repeat命令進(jìn)行簡(jiǎn)化。再幫助學(xué)生搭建學(xué)習(xí)支架，引導(dǎo)其概括出畫正多邊形的語(yǔ)句基本模式，培養(yǎng)正確的程序設(shè)計(jì)思維方式。最后再幫助學(xué)生完善和評(píng)估解決方案，讓學(xué)生體驗(yàn)成功的喜悅。

1.抽象思維培養(yǎng)的課堂活動(dòng)

抽象是指把現(xiàn)實(shí)中的事物或解決問題的過(guò)程，通過(guò)化簡(jiǎn)等方式，抓住其關(guān)鍵特征，降低其復(fù)雜度，變?yōu)橛?jì)算設(shè)備可以處理的模型，也是計(jì)算思維能力培養(yǎng)的關(guān)鍵。

活動(dòng)1：

師：同學(xué)們，小海龜想到湖邊去走一走。請(qǐng)打開課堂練習(xí)紙，仔細(xì)聽老師的描述，把小海龜?shù)淖叻ㄓ肔ogo命令寫下來(lái)，猜一猜，小湖是什么形狀的。

下面，我們一起前進(jìn)100步，然后向右轉(zhuǎn)90度;再前進(jìn)100步，然后向右轉(zhuǎn)90度;再前進(jìn)100步，然后向右轉(zhuǎn)90度;再前進(jìn)100步，然后向右轉(zhuǎn)90度。

學(xué)生一邊聽一邊書寫。

在該教學(xué)過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生將小海龜?shù)男凶叱橄蟪捎?jì)算機(jī)可以理解的動(dòng)作，用計(jì)算機(jī)能接受的形式符號(hào)記錄學(xué)生的設(shè)計(jì)，然后運(yùn)行實(shí)施，從而理解程序設(shè)計(jì)的本質(zhì)。

2.算法思維培養(yǎng)的課堂活動(dòng)

算法是一種求解問題的思維方式，研究和學(xué)習(xí)算法能鍛煉學(xué)生的思維，使學(xué)生的思維變得更加清晰，更有邏輯。[5]

活動(dòng)2：

師：這就是畫正四邊形的命令，請(qǐng)大家仔細(xì)觀察這段程序，看看它有什么特點(diǎn)？有什么辦法可以簡(jiǎn)化重復(fù)的命令？

生：使用Repeat命令。

師：有誰(shuí)能把這四行重復(fù)的命令縮寫成Repeat命令？

生：REPEAT 4[FD 100 RT 90]

師：這里的“4”指什么呢？中括號(hào)里又是什么內(nèi)容呢？

生：4指要重復(fù)的次數(shù)，中括號(hào)里是要重復(fù)的命令。

通過(guò)該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生領(lǐng)悟到，循環(huán)作為一種基本控制結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化較為復(fù)雜的算法。此外，該算法必須是有窮的（如上例中，循環(huán)次數(shù)為4），且具有確定性（如上例中，前進(jìn)100步和右轉(zhuǎn)90度）。

3.分解思維培養(yǎng)的課堂活動(dòng)

分解思維是將一個(gè)大問題拆解成許多小的部分。這些小部分更容易理解，讓問題更加容易解決。

活動(dòng)3：

師：同學(xué)們能不能試著用重復(fù)命令畫一個(gè)長(zhǎng)邊100的正三角形呢？為了方便起見，這個(gè)正三角形在放置時(shí)一條邊垂直向上（如圖1）。

當(dāng)小海龜走完第幾條邊時(shí)，需要向右旋轉(zhuǎn)了多少度？（有學(xué)生舉手說(shuō)120度）

師：你們?cè)趺粗喇嬋切螒?yīng)該轉(zhuǎn)角120度的呢？

學(xué)生以小組形式進(jìn)行討論。

師生通過(guò)討論，得出如下結(jié)論（如上頁(yè)圖2）：沒有旋轉(zhuǎn)，小海龜走平角，也就是180度（會(huì)一直走下去），而正三角形的內(nèi)角是60度，所以小海龜必須旋轉(zhuǎn)180度-60度=120度。也就是FD 100 RT 120。

師：我們?cè)龠M(jìn)行后續(xù)兩組動(dòng)作，還需要把這個(gè)語(yǔ)句再寫兩遍嗎？

生：不需要，可以用repeat命令：REPEAT 3[FD 100 RT 120]。

該部分的教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)分解，理清每個(gè)動(dòng)作，將難點(diǎn)進(jìn)行分解并突破，從而找到解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)。

4.概括思維培養(yǎng)的課堂活動(dòng)

“概括”是基于先前已經(jīng)解決的問題從而解決新問題的方式，我們可以對(duì)一些算法進(jìn)行改造，使其能解決類似問題，當(dāng)遇到一個(gè)新問題時(shí)，我們可以應(yīng)用這個(gè)通用的解決方案。

活動(dòng)4：

步驟一：

師：正方形畫完后，小海龜?shù)念^部朝向屏幕的哪里？

生：朝向屏幕的上方。

師：那知道小海龜一共旋轉(zhuǎn)了多少度嗎？是怎么知道的？可以討論。

由于正方形內(nèi)角都為90度，所以學(xué)生很容易得出以下結(jié)論：

小海龜一共進(jìn)行了四次相同的旋轉(zhuǎn)，共旋轉(zhuǎn)了360度，那么每次旋轉(zhuǎn)的角度就是360度/4度。

步驟二：

師：我們?cè)賮?lái)看正三角形的畫法，說(shuō)說(shuō)你發(fā)現(xiàn)了什么？

生：開始和結(jié)束時(shí)，小海龜?shù)念^也都是朝著屏幕的上方，同樣也旋轉(zhuǎn)了360度。

師：對(duì)，小海龜畫完一條邊后就轉(zhuǎn)一個(gè)角度，轉(zhuǎn)了三個(gè)相同的角度，共旋轉(zhuǎn)了360度，轉(zhuǎn)一個(gè)角度的度數(shù)就是360度/3度，你能想象一下這個(gè)“3”代表什么嗎？（如圖3）

生：360度分三次完成。

步驟三：

師：那畫一個(gè)正五邊形是不是也有這個(gè)規(guī)律呢？（提醒寫成360度/5度，而不是72度）

學(xué)生嘗試。

步驟四：

概括總結(jié)：大家在共同分析的過(guò)程中找出了這些規(guī)律，根據(jù)這些規(guī)律利用重復(fù)命令的格式就能總結(jié)出畫正多邊形的命令格式。

如果畫六邊形，應(yīng)該轉(zhuǎn)多少度？七邊形呢？八邊形呢？N邊形呢？

N邊形需要重復(fù)多少次？

REPEAT N[FD步長(zhǎng) RT 360/N]

該部分的教學(xué)內(nèi)容從正多邊形中的幾個(gè)特例入手，建立結(jié)構(gòu)模型，探索可執(zhí)行的解決方案。在把問題轉(zhuǎn)換為信息處理的流程、推導(dǎo)畫正N邊形的基本命令的過(guò)程中，教師幫助學(xué)生搭建思維的“腳手架”，提升學(xué)生的概括思維能力。

5.評(píng)估思維培養(yǎng)的課堂活動(dòng)

“評(píng)估”的目的是確保一個(gè)算法的解決方案是最佳方法：答案是否正確？是否方便人們使用？是否能促進(jìn)合理經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)生？需要綜合考慮這些指標(biāo)對(duì)算法進(jìn)行整體評(píng)估。

活動(dòng)5：

師：今天我們通過(guò)學(xué)習(xí)，利用LOGO語(yǔ)言成功地畫出了正三邊形、正四邊形和正五邊形，這個(gè)公式是通過(guò)實(shí)踐推導(dǎo)出來(lái)的，到了中學(xué)，我們還可以用更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)方法來(lái)證明。下面來(lái)看一組練習(xí)，你們能利用今天學(xué)到的知識(shí)完成剩下的圖形嗎（如圖4）？

學(xué)生練習(xí)。

師：我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正多邊形的邊數(shù)越來(lái)越多時(shí)，看起來(lái)就像什么形狀了呢？其實(shí)，計(jì)算機(jī)就是用這樣的辦法來(lái)畫圓的。多邊形的邊數(shù)越多，圓就越精細(xì)。當(dāng)然并非邊數(shù)越多越好，這樣只會(huì)白白增加計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，只要滿足顯示效果就行。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正多邊形超過(guò)36條邊時(shí)，在我們的顯示器上就看不出和圓有什么差別了。

活動(dòng)6：

師：老師現(xiàn)在又有了一個(gè)想法，如果小海龜每前進(jìn)一次，不是向右轉(zhuǎn)360/36度，而是向左轉(zhuǎn)360/36度？會(huì)是什么樣呢（如圖5）？我們來(lái)試一試吧！注意畫前不要清屏，這樣便于比較。

總結(jié)：看來(lái)LT是有效的。

REPEAT 36 [FD 20 RT 360/36]

REPEAT 36 [FD 20 LT 360/36]

活動(dòng)7：

師：我們?cè)倩氐絼偛诺恼?6邊形，小海龜前進(jìn)并右拐了36次，現(xiàn)在的圖形看起來(lái)是一個(gè)正圓。你能把這個(gè)命令改造成一個(gè)半圓嗎（如圖6）？

學(xué)生討論得出，畫半圓的Logo命令為如下：

REPEAT N/2 [FD 步長(zhǎng) RT或LT 360/N]? （N足夠大）

該部分的教學(xué)，不僅驗(yàn)證了畫正多邊形的一般語(yǔ)句，而且利用變式不斷完善，建立的數(shù)學(xué)模型更嚴(yán)謹(jǐn)，更具有通用性。

結(jié)束語(yǔ)

周以真教授指出，“計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。我們應(yīng)當(dāng)使每個(gè)孩子在培養(yǎng)解析能力時(shí)不僅掌握閱讀、寫作和算術(shù)，還要學(xué)會(huì)計(jì)算思維”。本課立足于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，在課堂教學(xué)中挖掘出能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)應(yīng)相關(guān)能力的課堂活動(dòng)，幫助學(xué)生理解并掌握信息技術(shù)基本知識(shí)和基礎(chǔ)技能，增強(qiáng)發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，提升學(xué)科思維，從而讓學(xué)生在未來(lái)的信息化社會(huì)中更好地生存、創(chuàng)新和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]任友群，隋豐蔚，李鋒.數(shù)字土著何以可能？——也談?dòng)?jì)算思維進(jìn)入中小學(xué)信息技術(shù)教育的必要性和可能性[J].中國(guó)電化教育，2016（7）：4-5.

[2]李藝，鐘柏昌.談“核心素養(yǎng)”[J].教育研究，2015（9）：17-23.

[3]陳麗婷，徐曉東.基于計(jì)算思維教育的國(guó)外小學(xué)教學(xué)案例研究[J].教育信息技術(shù)，2015（9）.

[4]謝忠新，曹楊璐.中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的策略與方法[J].中國(guó)電化教育，2015（11）：116-120.

[5]唐培和，徐奕奕.計(jì)算思維：計(jì)算學(xué)科導(dǎo)論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

作者簡(jiǎn)介：周旺純（1972.11—），高級(jí)教師，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，主要研究信息技術(shù)教育、教育信息化。

基金項(xiàng)目：江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度課題“小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐研究”（2016-GH01010-00119）。