建模與解模：探尋培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的密碼

張松

【摘 要】信息技術(shù)學(xué)科要培養(yǎng)的計(jì)算思維是當(dāng)今學(xué)生要具備的核心素養(yǎng)之一，受到了中小學(xué)教師的關(guān)注，就目前研究現(xiàn)狀，計(jì)算思維的理論研究成果較為豐富，但應(yīng)用研究仍處在初級(jí)階段。筆者試從小學(xué)信息技術(shù)課培養(yǎng)計(jì)算思維的實(shí)施策略著手，以Scratch編程課為例，闡述培養(yǎng)計(jì)算思維的“建?！饽！边^(guò)程。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維;信息素養(yǎng);建模;解模

【中圖分類號(hào)】G434 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2019）04-086-03

計(jì)算思維內(nèi)涵

計(jì)算思維，自2006年周以真教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威刊物上提出后，受到了國(guó)內(nèi)外的關(guān)注和討論。周以真教授定義計(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(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的系列思維活動(dòng)。[1]除此之外，國(guó)內(nèi)還有很多學(xué)者對(duì)計(jì)算思維提出了不同的觀點(diǎn)，但大都強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維作為解決問(wèn)題的能力特征，且切入角度各有不同。當(dāng)前，教育界對(duì)計(jì)算思維的界定以2017年《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》為權(quán)威解讀：計(jì)算思維是以計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)科方法界定問(wèn)題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)，通過(guò)判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問(wèn)題的方案，總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程與方法，并可遷移與之相關(guān)的其他問(wèn)題解決中的一種學(xué)科思維。[2]

計(jì)算思維發(fā)展的現(xiàn)狀與重要性

新時(shí)代確立了教育價(jià)值選擇的新坐標(biāo)系，教育要有新作為，必須以未來(lái)為導(dǎo)向，更好地完成“立德樹(shù)人”的根本使命。如今，計(jì)算思維作為一種核心素養(yǎng)，已經(jīng)受到眾多教育者的關(guān)注與重視，在課堂上我們看到了由重視“技術(shù)教授”到重視“思維培養(yǎng)”的不斷演變，讓學(xué)生在思維意識(shí)、思維品質(zhì)、思維習(xí)慣、思維方法等方面都得到良好的提升，對(duì)促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展和終身學(xué)習(xí)具有不可替代的作用。根據(jù)搜索文獻(xiàn)并分析得出：我國(guó)2010年之前，有關(guān)計(jì)算思維的研究以理論研究為主，近幾年開(kāi)始關(guān)注應(yīng)用研究方面。當(dāng)前計(jì)算思維應(yīng)用研究主要集中在高等教育階段，在中小學(xué)課堂教育教學(xué)活動(dòng)中對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)策略、計(jì)算思維教學(xué)模式等還處于研究初期，需要進(jìn)一步探索。

小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中如何培養(yǎng)計(jì)算思維

在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)階段，有一個(gè)很重要的模塊——程序設(shè)計(jì)。根據(jù)小學(xué)生年齡特點(diǎn)，選用的是圖形化編程工具Scratch，課程內(nèi)容的設(shè)置是以解決問(wèn)題為主導(dǎo)，創(chuàng)設(shè)不同的主題式教學(xué)活動(dòng)，教師在創(chuàng)設(shè)情境的同時(shí)，設(shè)置障礙，使其遇見(jiàn)問(wèn)題，從而引發(fā)學(xué)生思考，如何利用已有的知識(shí)遷移到本問(wèn)題中來(lái)，再通過(guò)掌握新技能解決問(wèn)題，這樣才能真正體現(xiàn)學(xué)習(xí)新技能的需求性和必要性。而引發(fā)學(xué)習(xí)的過(guò)程又是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，如何聚焦核心素養(yǎng)，如何讓核心素養(yǎng)中提到的計(jì)算思維落地，筆者認(rèn)為計(jì)算思維的培養(yǎng)是一個(gè)“建?！饽！钡倪^(guò)程。

1.建模

從具象到抽象這一過(guò)程是教學(xué)中的難點(diǎn)，同樣也是信息技術(shù)教育的重點(diǎn)。抽象思維是信息技術(shù)學(xué)科的理論基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)生的心理發(fā)展特點(diǎn)，從小學(xué)五年級(jí)開(kāi)始，由具象思維到邏輯思維的不斷轉(zhuǎn)變，信息技術(shù)教材內(nèi)容也從WPS系列辦公軟件的應(yīng)用逐步過(guò)渡到運(yùn)用Scratch學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)編程。Scratch教學(xué)，一般都是采取以主題單元活動(dòng)為載體，以解決問(wèn)題為主線進(jìn)行的。學(xué)生在拿到問(wèn)題時(shí)，首先進(jìn)行問(wèn)題分析，再進(jìn)行基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)建模過(guò)程，最后編寫(xiě)程序從而解決問(wèn)題。例如“小貓出題”一課，主題要求小貓隨機(jī)讀出2個(gè)數(shù)，并讓這兩個(gè)數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，請(qǐng)學(xué)生計(jì)算并輸入答案，小貓立刻作出判斷，若答對(duì)了給予表?yè)P(yáng)，若答錯(cuò)了給予提示。根據(jù)主題要求，我們想到了用數(shù)學(xué)方程中的X、Y來(lái)代替小貓讀出的兩個(gè)數(shù)，用Z來(lái)代表計(jì)算出X+Y的和，從而建立數(shù)學(xué)模型：X+Y=Z。通過(guò)判斷寫(xiě)入的答案與Z對(duì)比，一樣則顯示“答對(duì)了”，不一樣則顯示“答錯(cuò)了”，通過(guò)這個(gè)模型就可以解決此問(wèn)題了。

學(xué)生通過(guò)分析問(wèn)題，能夠想到運(yùn)用已有的數(shù)學(xué)知識(shí)來(lái)解決生活中的問(wèn)題，并在腦海里建立數(shù)學(xué)模型，這一過(guò)程是學(xué)生邁向計(jì)算思維的第一步。

2.解模

如果說(shuō)建模的過(guò)程是在梳理思維框架，那么解模的過(guò)程便是選用不同的方式方法為搭好的思維框架填補(bǔ)具體實(shí)施步驟的空白。解模的過(guò)程是要把模型中每一步的設(shè)想和預(yù)測(cè)用具體的技術(shù)手段實(shí)施檢驗(yàn)，通過(guò)類似于工程思維的方式，將“建設(shè)過(guò)程”劃分為明確的步驟，通過(guò)不斷選擇、判斷、循環(huán)，完善解模過(guò)程。在解模過(guò)程中要注意對(duì)遇到的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)反思，借鑒建設(shè)工程質(zhì)量管理的“PDCA”循環(huán)管理方法，即計(jì)劃（Plan）—實(shí)施（Do）—檢查（Check）—處置（Action），不斷完善解模實(shí)施路徑。

仍然以“小貓出題”一課為例，根據(jù)建立好的數(shù)學(xué)模型，用程序語(yǔ)言的算法來(lái)解決問(wèn)題，便是解模的過(guò)程。在已經(jīng)建立好的數(shù)學(xué)模型解題思路基礎(chǔ)上，在Scratch程序語(yǔ)言中定義X、Y、Z變量，并進(jìn)行X、Y變量的加法邏輯運(yùn)算及賦值給Z，再通過(guò)判斷語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)小貓能像“小老師”一樣判斷答案的對(duì)錯(cuò)，并做出相應(yīng)反饋，如果再加上循環(huán)結(jié)構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)小貓的反復(fù)出題。

3.建?！饽?/p>

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中許多學(xué)生更喜歡直接的、非還原性的解決方案，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中通過(guò)建模解答，能啟發(fā)學(xué)生的計(jì)算思維。我們可以看到建模將數(shù)學(xué)與實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題相結(jié)合，課堂中引入建?？梢酝貙拰W(xué)生的知識(shí)面，發(fā)揮其想象力和創(chuàng)造力。再通過(guò)解模逐步形成計(jì)算思維的進(jìn)階過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。如Scratch“畫(huà)城堡”一課，學(xué)生在看到城堡的圖形時(shí)，如果運(yùn)用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，可以通過(guò)逐句寫(xiě)程序，畫(huà)出復(fù)雜的城堡，這樣的操作顯然較為繁復(fù)。如果教會(huì)學(xué)生在Scratch中，把畫(huà)各種基本圖形的腳本分別“定義”為不同的“過(guò)程”，學(xué)生把定義過(guò)程理解為建立一塊塊不同形狀的“積木”模型，通過(guò)計(jì)算和Scratch編程，運(yùn)用“定義過(guò)程——調(diào)用過(guò)程——組合腳本”一步步完成城堡的組建，實(shí)現(xiàn)解模過(guò)程。

我們?cè)賮?lái)看一則例子：Scratch“畫(huà)正多邊形”一課，以畫(huà)正三角形為例。學(xué)生從已有的數(shù)學(xué)知識(shí)中可以輕松地計(jì)算出正三角形的內(nèi)角是60°，外角是120°，同時(shí)，也已掌握在Scratch中編寫(xiě)“移動(dòng)”和“旋轉(zhuǎn)”的腳本，因此在教師的引導(dǎo)下，利用已有知識(shí)的遷移，學(xué)生很容易這樣建模：通過(guò)重復(fù)執(zhí)行3次“移動(dòng)50步”“旋轉(zhuǎn)120°”實(shí)現(xiàn)畫(huà)正三角形，接下來(lái)，學(xué)生通過(guò)編寫(xiě)腳本、運(yùn)行程序進(jìn)行解模。這一過(guò)程正是思維發(fā)生的過(guò)程，學(xué)生的計(jì)算思維也在這樣不斷循環(huán)的“建?！饽！敝信囵B(yǎng)出來(lái)了。

從這些課例中我們可以看出，計(jì)算思維教學(xué)模式是從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，運(yùn)用模型求解實(shí)際問(wèn)題，“組塊調(diào)用”這一思維方式就可以通過(guò)具體的問(wèn)題進(jìn)行分析、內(nèi)化。學(xué)生通過(guò)結(jié)合課本和教師所教授的內(nèi)容，自己設(shè)計(jì)方案、分析解決問(wèn)題，不僅鍛煉學(xué)生的建模能力，還可以提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)和信息技術(shù)知識(shí)來(lái)分析、解決問(wèn)題的能力，拓展學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的興趣，能夠從簡(jiǎn)單的解決問(wèn)題中，找到信息技術(shù)學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，學(xué)會(huì)舉一反三，有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，從舊知中有所感悟，有所啟發(fā)，從而獲得新的知識(shí)。因此，我們還可以說(shuō)計(jì)算思維是將一個(gè)看似困難的問(wèn)題重新解釋成計(jì)算機(jī)模型，進(jìn)行“建?！饽！苯鉀Q實(shí)際問(wèn)題的科學(xué)思維方式。

計(jì)算思維將影響每一個(gè)領(lǐng)域的每一個(gè)人，特別是對(duì)我們的學(xué)生和教師提出了新的教育挑戰(zhàn)。加速的技術(shù)進(jìn)步和巨大的社會(huì)需求迫使我們重新審視計(jì)算機(jī)科學(xué)最基本的問(wèn)題。除了閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)之外，我們還要給每個(gè)學(xué)生的分析能力增加計(jì)算思維，計(jì)算思維將成為全世界每個(gè)人使用的基本技能。計(jì)算的思想將被使用在任何地方，這一目標(biāo)構(gòu)成了一個(gè)新的教育挑戰(zhàn)。[3]

小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)對(duì)于教育者進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)要求就更為具體化，學(xué)生在已有的知識(shí)架構(gòu)上，可以層層遞進(jìn)式的積累與拓展。不怕學(xué)生在求知過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，鼓勵(lì)學(xué)生能夠進(jìn)行大膽的建模，發(fā)散思維，多種途徑的解決問(wèn)題，不斷進(jìn)行思維的創(chuàng)新。這就要求教育工作者能夠不斷提升自身素養(yǎng)，給學(xué)生傳遞出計(jì)算思維不再是停留于書(shū)本知識(shí)，還要結(jié)合實(shí)際的社會(huì)背景，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一系列的探究活動(dòng)，能夠從最普遍的現(xiàn)象中找到其中蘊(yùn)含的思維規(guī)律，信息素養(yǎng)的培養(yǎng)也是基礎(chǔ)信息技術(shù)教育的重中之重。未來(lái)，就是要打好基礎(chǔ)，從每一節(jié)課開(kāi)始，跟上課程改革的步伐，不斷推進(jìn)教育的改革創(chuàng)新，不斷深化教育的改革，信息技術(shù)課程體系也將不斷發(fā)展，計(jì)算思維在其中有著更為重要的意義與作用，信息化時(shí)代不斷吹起號(hào)角推動(dòng)我們繼續(xù)前行。

參考文獻(xiàn)

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