計算思維教學(xué)在小學(xué)信息技術(shù)課程中的探索與實踐

萬詩強(qiáng)

摘 要：近年來，隨著人工智能的興起，計算思維的培養(yǎng)成為中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)的熱點。計算思維已經(jīng)成為我國信息技術(shù)課程的學(xué)科核心素養(yǎng)之一，而計算思維的培養(yǎng)是學(xué)生適應(yīng)未來智能化時代的關(guān)鍵能力之一。作者從小學(xué)信息技術(shù)一線教師的角度，結(jié)合蘇教版小學(xué)五年級信息技術(shù)Scratch編程教學(xué)課例，提出實“需求分析引導(dǎo)+流程圖梳理”的教學(xué)方法，具體論述了該方法對于培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的重要意義，提出具體實施過程中的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：計算思維;信息技術(shù)教學(xué);流程圖;需求分析

中圖分類號：G434? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2019）16-0000-00

本文主要探究的問題是在小學(xué)階段如何高效地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。筆者先從計算思維的定義、特點及其重要性出發(fā)，進(jìn)而論述“需求分析引導(dǎo)+流程圖梳理”教學(xué)法的作用，最后結(jié)合蘇教版小學(xué)五年級信息技術(shù)Scratch課程教學(xué)課例，提出在運(yùn)用“需求分析引導(dǎo)+流程圖梳理”培養(yǎng)學(xué)生計算思維過程中的一些建議。

一、計算思維及其重要性

計算思維是指運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。[1]

教育部印發(fā)的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，計算思維是指個體運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動。計算思維是信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)之一，是信息技術(shù)學(xué)科特有的本質(zhì)屬性，也是現(xiàn)階段提出的中小學(xué)核心素養(yǎng)在信息技術(shù)學(xué)科具體的學(xué)科表達(dá)。

計算思維本質(zhì)上是人們理解自然系統(tǒng)與社會系統(tǒng)的思維方法和思維活動，是使用科學(xué)工具進(jìn)行抽象模擬以尋求問題解決最優(yōu)化方案的系統(tǒng)過程。從計算思維實踐上來看，其包括組織、分析、簡化、抽象、建模、遞歸、回溯等基本過程。[2]通俗來講，就是將生活中的問題分解、抽象成計算機(jī)處理的問題的一種思維方式，其有抽象、自動化等特點。

如何培養(yǎng)小學(xué)生的計算思維呢？經(jīng)過實踐，筆者認(rèn)為在課堂上可以通過“需求分析引導(dǎo)”的方法培養(yǎng)學(xué)生組織、分析、簡化的能力，通過“流程圖梳理”的方式培養(yǎng)學(xué)生抽象、建模、遞歸、回溯的能力。下面筆者將具體論述“需求分析引導(dǎo)+流程圖梳理”教學(xué)法及其教學(xué)建議。

二、“需求分析引導(dǎo)+流程圖梳理”的教學(xué)有助于培養(yǎng)小學(xué)生的計算思維

計算思維的最佳培養(yǎng)途徑就是程序設(shè)計（編程）[3]。如何在小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生的計算思維呢？筆者建議使用“需求分析引導(dǎo)+流程圖梳理”的教學(xué)方法，即教師通過自然語言引導(dǎo)學(xué)生將具體問題的需求分解成計算機(jī)可處理的子需求，對于復(fù)雜的算法邏輯運(yùn)用流程圖來形象化梳理的教學(xué)方法。

1.“需求分析引導(dǎo)”有助于培養(yǎng)學(xué)生抽象思維，更好地明確編程要實現(xiàn)的目標(biāo)

具體來講，需求分析引導(dǎo)實際上是教師根據(jù)本節(jié)課作品功能，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行需求分析的過程，這是一個比較抽象的過程。小學(xué)生五、六年級是抽象思維不斷發(fā)展的關(guān)鍵期，需要多鍛煉學(xué)生的抽象思維[4]。在實際的整班教學(xué)中，總有部分學(xué)生抽象思維較弱。讓學(xué)生進(jìn)行功能的需求分析，其實也是讓學(xué)生對本節(jié)課需要實現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行思考，有助于鍛煉抽象思維。

2.“需求分析引導(dǎo)”有助于學(xué)生理解計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，為算法設(shè)計做鋪墊

我們最終希望學(xué)生逐漸會以迭代、條件判斷、遞歸等思維去分析問題，進(jìn)而解決問題。但這并不是一蹴而就的，學(xué)生不可能天生就有這種思維，需要教師基于學(xué)生現(xiàn)有知識去引導(dǎo)，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行抽象的需求分析的同時，也是在與學(xué)生以計算機(jī)算法思維探討解決這一需求的方案，這一過程對學(xué)生后期設(shè)計算法很有幫助。

3.流程圖是設(shè)計算法的好工具，能讓學(xué)生的思路更清晰

流程圖是需求分析所表述功能的進(jìn)一步提煉和簡化。教師借助流程圖引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計算法，讓學(xué)生明白設(shè)計的算法需要考慮和注意的要點，如程序執(zhí)行的順序、變量何時賦值、變量何時讀取等，這些要點都可以在教師和學(xué)生一起進(jìn)行流程圖梳理的時候探討。流程圖也是程序邏輯跳轉(zhuǎn)的可視化表達(dá)，它是幫助學(xué)生理解程序執(zhí)行順序的重要工具，有利于學(xué)生掌握編程的重點，對于條件分支、循環(huán)邏輯、遞歸等難點突破也是十分有效的。[5]

4.流程圖是自主編程的有利參考，也是小組合作的算法交流工具

學(xué)生是教學(xué)的主體，課堂上教師在幫助學(xué)生分析問題后，應(yīng)該先讓學(xué)生自主去嘗試編程，可以給學(xué)生提供多種學(xué)習(xí)路徑，如學(xué)案引領(lǐng)、小組合作、微課支撐等方式，在編程教學(xué)中無論是哪種自主探究方式，流程圖都扮演著重要的角色。學(xué)案自主探究時，流程圖能夠幫助學(xué)生將編程指令（代碼或控件）與流程圖結(jié)構(gòu)建立關(guān)聯(lián);編寫復(fù)雜邏輯的代碼時，學(xué)生思路有時候會混亂，這時流程圖的箭頭指向可以為學(xué)生指明方向;小組合作時，學(xué)生基于流程圖的交流能夠讓小組成員統(tǒng)一編程思路，讓課堂協(xié)作更加高效。

5.流程圖是需求分析轉(zhuǎn)為編程語言的過渡，有助于不同編程語言的遷移學(xué)習(xí)

如果把程序設(shè)計比作是武功的話，編程語言只是招式，而基于算法的計算思維才是內(nèi)功心法?，F(xiàn)階段，小學(xué)主要是使用Scratch等圖形化編程語言進(jìn)行教學(xué)，而初中之后學(xué)生會逐步學(xué)習(xí)代碼型的編程語言，如Python、VB、C++等，武功的招式變了，但不變的是內(nèi)功心法。流程圖就是基于算法的計算思維的形象描述，流程圖的使用有助于學(xué)生今后學(xué)習(xí)新的編程語言。

三、實施“需求分析引導(dǎo)+流程圖梳理”教學(xué)的建議

1.“需求分析引導(dǎo)”要基于學(xué)生現(xiàn)有的編程基礎(chǔ)，圍繞計算思維引導(dǎo)

需求分析引導(dǎo)學(xué)生分析問題的時候，要基于學(xué)生現(xiàn)有的編程基礎(chǔ)提問，注重學(xué)生對程序功能的分析、表達(dá)的引導(dǎo)，可以讓學(xué)生用特定的句式進(jìn)行功能描述，盡可能簡化語言的描述。

如2018蘇教版小學(xué)五年級信息技術(shù)第2課《繪制角色》一課中，為了引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)出需要實現(xiàn)的功能：“角色（蝴蝶）不停地在舞臺上移動（飛）”，筆者是用“什么角色在干什么”這樣的句式來引導(dǎo)學(xué)生分析的，學(xué)生往往回答“蝴蝶在飛”，本節(jié)課學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)過重復(fù)語句，這樣回答是可以理解的。為了突出重點“重復(fù)執(zhí)行”，筆者再次引導(dǎo)學(xué)生：“飛”其實就是用“移動步數(shù)”來實現(xiàn)的，那么“飛”一下可以嗎，要“飛”幾次呢？這個時候可以讓學(xué)生自主探究，筆者之后小結(jié)“重復(fù)執(zhí)行”的原理。

單純給“移動步數(shù)”加上“重復(fù)執(zhí)行”腳本看似簡單，但要讓學(xué)生真正理解重復(fù)執(zhí)行的執(zhí)行原理和優(yōu)勢并不容易，而這恰恰是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的關(guān)鍵。所以筆者在一開始引導(dǎo)學(xué)生分析功能的時候就結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有的能力，讓學(xué)生先嘗試實現(xiàn)點擊綠旗依次動1次、2次、4次……提示可以復(fù)制。如圖1是筆者引導(dǎo)學(xué)生理解重復(fù)執(zhí)行的腳本演變。

這樣學(xué)生很容易理解有限重復(fù)執(zhí)行和永久重復(fù)執(zhí)行。筆者這樣設(shè)計引導(dǎo)問題，就是為了讓學(xué)生理解重復(fù)執(zhí)行的執(zhí)行原理和優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

2.“需求分析引導(dǎo)”的提問要有啟發(fā)性，要有由淺入深地誘導(dǎo)

教師提問引導(dǎo)學(xué)生分析需求時，如何提問很關(guān)鍵。教師的引導(dǎo)問題要將總需求分解為子需求，可以由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生從編程的角度來看如何實現(xiàn)子需求，即將關(guān)鍵功能需求的描述字詞與編程指令建立關(guān)聯(lián)，如Scratch中“讓角色消失”的需求就是“隱藏”控件實現(xiàn)的、“讓兩個角色協(xié)同完成某個功能”的需求可以用“廣播”控件來實現(xiàn)。讓學(xué)生明白如何以計算機(jī)執(zhí)行的角度將一個大的需求問題分解。這樣學(xué)生在以后遇到類似問題的時候也能以自上而下、分而治之的算法思維分析需求、解決問題。

如在《賽車游戲》一課中，筆者在引導(dǎo)學(xué)生觀察案例后，引導(dǎo)學(xué)生分析出主需求——“讓賽車（角色）自動地在賽道上行駛”。如何把這個需求分解呢？筆者先從簡單的問題開始，提問學(xué)生“如何讓賽車不停地行駛？”針對這個子需求，讓學(xué)生談?wù)動媚男┲噶羁梢詫崿F(xiàn)這個“不停地行駛”功能需求，大部分學(xué)生能夠想到“移動+重復(fù)執(zhí)行”即可。學(xué)生嘗試后會發(fā)現(xiàn)：此時的賽車不會自動轉(zhuǎn)彎。這個時候就很自然地引出“自動行駛的關(guān)鍵是讓賽車能夠根據(jù)彎道（左/右）相應(yīng)地（左/右）轉(zhuǎn)彎。”然后進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生如何實現(xiàn)這個子需求。圖2是筆者引導(dǎo)學(xué)生時的思維導(dǎo)圖。

3.“需求分析引導(dǎo)”要重視學(xué)生解決方案的多樣性，注重多種算法的比較

筆者在需求分析引導(dǎo)的過程中，往往讓學(xué)生初步思考針對某個功能需求如何去實現(xiàn)。這個過程中，學(xué)生往往根據(jù)已學(xué)知識想出不同的解決編碼實現(xiàn)方案，不同的解決方案在不同的需求下有不同的優(yōu)缺點，這時候教師可以尊重學(xué)生的想法，給予學(xué)生一定的時間去實現(xiàn)。然后引出本節(jié)課的編程知識點，引導(dǎo)學(xué)生對比這兩種方案的優(yōu)缺點。這樣學(xué)生反而能夠更加深刻地理解本節(jié)課的重點。

如《動物表演》一課中，重點是讓學(xué)生使用“廣播和接收廣播消息”來控制不同動物按照一定順序表演節(jié)目。筆者在引導(dǎo)學(xué)生分析功能需求的時候，發(fā)現(xiàn)學(xué)生往往會想到用“等待時間”控件來控制角色的出場，筆者給學(xué)生2分鐘用“等待時間”控件來嘗試，筆者在表揚(yáng)學(xué)生解決問題后，提問學(xué)生“老師現(xiàn)在是導(dǎo)演，我覺得第一位小貓的表演時間太短了，我要讓它多表演5秒鐘，可以嗎？想想你們的程序是否會有問題？”很多學(xué)生很快就反應(yīng)過來，后面每一個角色的每一個“等待時間”都要加5秒。筆者進(jìn)而引出本節(jié)課的重點“廣播和接收消息”能更好地實現(xiàn)角色按順序演出的問題。

4.繪制流程圖，注重程序執(zhí)行跳轉(zhuǎn)順序的梳理

畫流程圖的目的是為了幫助學(xué)生理解程序，更好地梳理編程思路，課堂時間寶貴，不能為了畫流程圖而畫流程圖，那么如何讓流程圖不流于形式呢？教師應(yīng)該幫助學(xué)生去理解流程圖，尤其是要幫助學(xué)生梳理程序執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)順序。對于小學(xué)生而言，當(dāng)程序出現(xiàn)多次重復(fù)迭代、多次條件判斷等語句時，大部分學(xué)生的編程思路會有所混亂，對此筆者主要以下有兩點建議：

（1）注重流程圖繪制的規(guī)范化

在流程圖中，箭頭表示執(zhí)行的順序和方向、菱形表示條件判斷、矩形表示要執(zhí)行的指令、圓角矩形表示開始或結(jié)束。規(guī)范的流程圖表示對于學(xué)生以后閱讀流程圖十分重要。

（2）將流程圖中的跳轉(zhuǎn)邏輯表示方法與編程指令建立關(guān)聯(lián)

在Scratch中，“如果……那么……”在流程圖中的表示為菱形框;“重復(fù)執(zhí)行”語句的流程圖語句一般會根據(jù)某個條件判斷，有一個箭頭回指等。這樣在平時規(guī)范地滲透給學(xué)生后，學(xué)生就可以將流程圖的判斷邏輯、重復(fù)邏輯映射到對應(yīng)的編碼實現(xiàn)。有利于學(xué)生以清晰的思路完成程序的編寫，也有利于學(xué)生今后學(xué)習(xí)新的編程語言。

如在《穿越迷宮》一課中，有多個子需求：“如果小貓碰到鼠標(biāo)就跟隨鼠標(biāo)移動”“如果小貓碰到黑線就返回起點”“如果小貓碰到終點角色就獲勝”。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生能夠用Scratch順利搭建出條件判斷語句，但學(xué)生往往將如果語句直接拼接在綠旗啟動的下面，此時的程序功能就無法如學(xué)生預(yù)期的那樣執(zhí)行了。出現(xiàn)這樣的問題很正常，是因為學(xué)生對于程序執(zhí)行的順序理解不夠深入，此時利用流程圖幫助學(xué)生理解程序執(zhí)行的順序是否有效。在流程圖中“重復(fù)執(zhí)行”的回指箭頭可以幫助學(xué)生理解游戲中的這些條件判斷需要不斷地進(jìn)行，所以在編寫的腳本中，如果語句需要放在一個重復(fù)執(zhí)行里面。流程圖在這里起到“一圖勝千言”的效果。

5.“需求分析引導(dǎo)”和“流程圖梳理”引導(dǎo)要結(jié)合使用，靈活變通

“需求分析引導(dǎo)”和“流程圖梳理”并不是涇渭分明的兩個環(huán)節(jié)，而是可以隨時融合在一起的。流程圖的使用要根據(jù)實際情況而定：①學(xué)生還不太熟練或者編程的算法比較復(fù)雜時，教師可以引導(dǎo)得多一些。②學(xué)生對于編程已經(jīng)達(dá)到一定的熟練度，教師可以放手讓學(xué)生自主描述、繪制流程圖，最后再編寫代碼。這在練習(xí)課時比較常用。

如《賽車游戲》一課中，引導(dǎo)學(xué)生分析出“自動行駛的關(guān)鍵是讓賽車能夠根據(jù)彎道（左/右）相應(yīng)地（左/右）轉(zhuǎn)彎”這個子需求后，由于涉及“重復(fù)執(zhí)行和判斷語句”等復(fù)雜的邏輯，教師可以和學(xué)生在板書中一起逐步繪制流程圖。

6.編程教學(xué)更要注重過程性評價，鼓勵編程過程中養(yǎng)成調(diào)試程序的習(xí)慣

計算機(jī)程序的運(yùn)行是一個邏輯極其嚴(yán)格的自動化過程。這就導(dǎo)致程序中如果有一個小小的邏輯錯誤，往往就會導(dǎo)致程序的結(jié)果與預(yù)期效果相差很遠(yuǎn)，可謂“失之毫厘，謬以千里”，所以編程需要反復(fù)調(diào)試。但課堂上學(xué)生在編程時，往往因為時間有限來不及仔細(xì)調(diào)試，這就要求教師在對學(xué)生作品評價時更要使用過程性評價。 除了對學(xué)生程序功能是否完成做評價之外，教師更要注重對學(xué)生在需求分析中的表述、繪制的流程圖、學(xué)生編寫的腳本等多個方面進(jìn)行評價，以鼓勵性的評價為主。此外，對于常見的編程失誤，如初始化考慮不周、邏輯判斷寫錯等問題，教師要細(xì)心指導(dǎo)，鼓勵學(xué)生在編程的過程反復(fù)運(yùn)行調(diào)試程序，觀察學(xué)生的編程習(xí)慣，對于有自主調(diào)試程序習(xí)慣的學(xué)生要多表揚(yáng)。

四、結(jié)束語

計算思維是一種抽象的思維，它的特點是抽象、自動化。如何在小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生的這種思維呢？筆者根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗，提出的“需求分析引導(dǎo)+流程圖梳理”的編程教學(xué)方法，可以將這種抽象層面思想進(jìn)行形象化的表達(dá)。這對于小學(xué)階段的編程教育是十分有效的，此外這種方式可以延伸到更高一級的編程教學(xué)中，為學(xué)生今后的編程學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

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（編輯：李曉萍）