計(jì)算思維教學(xué)在小學(xué)信息技術(shù)課程中的探索與實(shí)踐

萬(wàn)詩(shī)強(qiáng)

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

中圖分類號(hào)：G433 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1673-8454（2019）18-0047-04

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(jì)算思維。筆者先從計(jì)算思維的定義、特點(diǎn)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(jí)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(jì)算思維過程中的一些建議。

一、計(jì)算思維及其重要性

計(jì)算思維是指運(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)。[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(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)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(dòng)。計(jì)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(jì)算思維本質(zhì)上是人們理解自然系統(tǒng)與社會(huì)系統(tǒng)的思維方法和思維活動(dòng)，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(jì)算思維實(shí)踐上來(lái)看，其包括組織、分析、簡(jiǎn)化、抽象、建模、遞歸、回溯等基本過程。[2]通俗來(lái)講，就是將生活中的問題分解、抽象成計(jì)算機(jī)處理的問題的一種思維方式，其有抽象、自動(dòng)化等特點(diǎn)。

如何培養(yǎng)小學(xué)生的計(jì)算思維呢？經(jīng)過實(shí)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(jiǎn)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(jì)算思維

計(jì)算思維的最佳培養(yǎng)途徑就是程序設(shè)計(jì)（編程）[3]。如何在小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)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(yǔ)言引導(dǎo)學(xué)生將具體問題的需求分解成計(jì)算機(jī)可處理的子需求，對(duì)于復(fù)雜的算法邏輯運(yùn)用流程圖來(lái)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(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

具體來(lái)講，需求分析引導(dǎo)實(shí)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(gè)比較抽象的過程。小學(xué)生五、六年級(jí)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(shí)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(shí)也是讓學(xué)生對(duì)本節(jié)課需要實(shí)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(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，為算法設(shè)計(jì)做鋪墊

我們最終希望學(xué)生逐漸會(huì)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(shí)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(shí)，也是在與學(xué)生以計(jì)算機(jī)算法思維探討解決這一需求的方案，這一過程對(duì)學(xué)生后期設(shè)計(jì)算法很有幫助。

3.流程圖是設(shè)計(jì)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(jiǎn)化。教師借助流程圖引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)算法，讓學(xué)生明白設(shè)計(jì)的算法需要考慮和注意的要點(diǎn)，如程序執(zhí)行的順序、變量何時(shí)賦值、變量何時(shí)讀取等，這些要點(diǎn)都可以在教師和學(xué)生一起進(jìn)行流程圖梳理的時(shí)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(diǎn)，對(duì)于條件分支、循環(huán)邏輯、遞歸等難點(diǎn)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(wú)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(shí)，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(shí)，學(xué)生思路有時(shí)候會(huì)混亂，這時(shí)流程圖的箭頭指向可以為學(xué)生指明方向;小組合作時(shí)，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(yǔ)言的過渡，有助于不同編程語(yǔ)言的遷移學(xué)習(xí)

如果把程序設(shè)計(jì)比作是武功的話，編程語(yǔ)言只是招式，而基于算法的計(jì)算思維才是內(nèi)功心法。現(xiàn)階段，小學(xué)主要是使用Scratch等圖形化編程語(yǔ)言進(jìn)行教學(xué)，而初中之后學(xué)生會(huì)逐步學(xué)習(xí)代碼型的編程語(yǔ)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(jì)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(yǔ)言。

三、實(shí)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(jì)算思維引導(dǎo)

需求分析引導(dǎo)學(xué)生分析問題的時(shí)候，要基于學(xué)生現(xiàn)有的編程基礎(chǔ)提問，注重學(xué)生對(duì)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(jiǎn)化語(yǔ)言的描述。

如2018蘇教版小學(xué)五年級(jí)信息技術(shù)第2課《繪制角色》中，為了引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)出需要實(shí)現(xiàn)的功能：“角色（蝴蝶）不停地在舞臺(tái)上移動(dòng)（飛）”，筆者是用“什么角色在干什么”這樣的句式來(lái)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(yǔ)句，這樣回答是可以理解的。為了突出重點(diǎn)“重復(fù)執(zhí)行”，筆者再次引導(dǎo)學(xué)生：“飛”其實(shí)就是用“移動(dòng)步數(shù)”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，那么“飛”一下可以嗎，要“飛”幾次呢？這個(gè)時(shí)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(dòng)步數(shù)”加上“重復(fù)執(zhí)行”腳本看似簡(jiǎn)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(shì)并不容易，而這恰恰是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)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(shí)候就結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有的能力，讓學(xué)生先嘗試實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊綠旗依次動(dòng)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(jì)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(shì)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

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

教師提問引導(dǎo)學(xué)生分析需求時(shí)，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(lái)看如何實(shí)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(shí)現(xiàn)的，“讓兩個(gè)角色協(xié)同完成某個(gè)功能”的需求可以用“廣播”控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。讓學(xué)生明白如何以計(jì)算機(jī)執(zhí)行的角度將一個(gè)大的需求問題分解。這樣學(xué)生在以后遇到類似問題的時(shí)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(dòng)地在賽道上行駛”。如何把這個(gè)需求分解呢？筆者先從簡(jiǎn)單的問題開始，提問學(xué)生“如何讓賽車不停地行駛？”針對(duì)這個(gè)子需求，讓學(xué)生談?wù)動(dòng)媚男┲噶羁梢詫?shí)現(xiàn)這個(gè)“不停地行駛”功能需求，大部分學(xué)生能夠想到“移動(dòng)+重復(fù)執(zhí)行”即可。學(xué)生嘗試后會(huì)發(fā)現(xiàn)：此時(shí)的賽車不會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)彎。這個(gè)時(shí)候就很自然地引出“自動(dòng)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?！比缓筮M(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)子需求。圖2是筆者引導(dǎo)學(xué)生時(shí)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(duì)某個(gè)功能需求如何去實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程中，學(xué)生往往根據(jù)已學(xué)知識(shí)想出不同的解決編碼實(shí)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(diǎn)，這時(shí)候教師可以尊重學(xué)生的想法，給予學(xué)生一定的時(shí)間去實(shí)現(xiàn)。然后引出本節(jié)課的編程知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比這兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。這樣學(xué)生反而能夠更加深刻地理解本節(jié)課的重點(diǎn)。

如《動(dòng)物表演》一課中，重點(diǎn)是讓學(xué)生使用“廣播和接收廣播消息”來(lái)控制不同動(dòng)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(shí)候，發(fā)現(xiàn)學(xué)生往往會(huì)想到用“等待時(shí)間”控件來(lái)控制角色的出場(chǎng)，筆者給學(xué)生2分鐘用“等待時(shí)間”控件來(lái)嘗試，筆者在表?yè)P(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(shí)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(huì)有問題？”很多學(xué)生很快就反應(yīng)過來(lái)，后面每一個(gè)角色的每一個(gè)“等待時(shí)間”都要加5秒。筆者進(jìn)而引出本節(jié)課的重點(diǎn)“廣播和接收消息”能更好地實(shí)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(shí)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(duì)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(yǔ)句時(shí)，大部分學(xué)生的編程思路會(huì)有所混亂，對(duì)此筆者主要有兩點(diǎn)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(duì)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(yǔ)句的流程圖語(yǔ)句一般會(huì)根據(jù)某個(gè)條件判斷，有一個(gè)箭頭回指等。這樣在平時(shí)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(duì)應(yīng)的編碼實(shí)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(yǔ)言。

如在《穿越迷宮》一課中，有多個(gè)子需求：“如果小貓碰到鼠標(biāo)就跟隨鼠標(biāo)移動(dòng)”“如果小貓碰到黑線就返回起點(diǎn)”“如果小貓碰到終點(diǎn)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(yǔ)句，但學(xué)生往往將如果語(yǔ)句直接拼接在綠旗啟動(dòng)的下面，此時(shí)的程序功能就無(wú)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?yàn)閷W(xué)生對(duì)于程序執(zhí)行的順序理解不夠深入，此時(shí)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(yǔ)句需要放在一個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)，而是可以隨時(shí)融合在一起的。流程圖的使用要根據(jù)實(shí)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(shí)，教師可以引導(dǎo)得多一些。②學(xué)生對(duì)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(shí)比較常用。

如《賽車游戲》一課中，引導(dǎo)學(xué)生分析出“自動(dòng)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(gè)子需求后，由于涉及“重復(fù)執(zhí)行和判斷語(yǔ)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(píng)價(jià)，鼓勵(lì)編程過程中養(yǎng)成調(diào)試程序的習(xí)慣

計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行是一個(gè)邏輯極其嚴(yán)格的自動(dòng)化過程。這就導(dǎo)致程序中如果有一個(gè)小小的邏輯錯(cuò)誤，往往就會(huì)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(shí)，往往因?yàn)闀r(shí)間有限來(lái)不及仔細(xì)調(diào)試，這就要求教師在對(duì)學(xué)生作品評(píng)價(jià)時(shí)更要使用過程性評(píng)價(jià)。 除了對(duì)學(xué)生程序功能是否完成做評(píng)價(jià)之外，教師更要注重對(duì)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(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，以鼓勵(lì)性的評(píng)價(jià)為主。此外，對(duì)于常見的編程失誤，如初始化考慮不周、邏輯判斷寫錯(cuò)等問題，教師要細(xì)心指導(dǎo)，鼓勵(lì)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(duì)于有自主調(diào)試程序習(xí)慣的學(xué)生要多表?yè)P(yáng)。

四、結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算思維是一種抽象的思維，它的特點(diǎn)是抽象、自動(dòng)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(yàn)，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(duì)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(jí)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）