計(jì)算思維：跨學(xué)科視野下小學(xué)編程教學(xué)實(shí)踐

曹偉

摘要：信息素養(yǎng)是繼人文素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)之后的又一重要核心素養(yǎng)，它能夠有效擴(kuò)展學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)和數(shù)字化工具表達(dá)能力。編程教學(xué)已經(jīng)成為培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)的有效途徑，通過(guò)實(shí)施跨學(xué)科的課程整合設(shè)計(jì)與融合應(yīng)用教學(xué)，能夠有效提升不同情境下學(xué)生解決問(wèn)題的能力。同時(shí)，編程教學(xué)還能夠促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展，這也是編程教學(xué)的重要價(jià)值所在，通過(guò)跨學(xué)科的方式培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維有助于學(xué)生在知識(shí)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)有效遷移與迭代。

關(guān)鍵詞：編程教學(xué);跨學(xué)科;計(jì)算思維

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2021）S2-0018-03

近些年，隨著信息技術(shù)與人工智能的高速發(fā)展，編程教育受到了人們更加廣泛的關(guān)注。國(guó)務(wù)院頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出了要在中小學(xué)階段逐步推廣編程教育，這足以說(shuō)明編程教育將納入中小學(xué)課程體系建設(shè)，由此可見(jiàn)開(kāi)展編程教學(xué)的重要性不言而喻。計(jì)算思維是提升學(xué)生信息素養(yǎng)的有效途徑，通過(guò)實(shí)施編程教學(xué)來(lái)積極促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展將成為重要的突破口。抽象、演繹、歸納、轉(zhuǎn)化等計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法是計(jì)算思維內(nèi)涵的通達(dá)表征，也是計(jì)算思維在編程教學(xué)實(shí)踐中的重要特征與方法。

從跨學(xué)科和學(xué)科融合中看計(jì)算思維的發(fā)展

計(jì)算思維作為重要的科學(xué)思維方式，已經(jīng)被納入《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》四大學(xué)科核心素養(yǎng)之一。由此可見(jiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維已經(jīng)成為信息技術(shù)課程教學(xué)的重要目標(biāo)。編程教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維強(qiáng)有力的工具和方法，已經(jīng)在信息技術(shù)課堂中進(jìn)行了廣泛的實(shí)踐。從小學(xué)階段就開(kāi)始開(kāi)展編程教學(xué)，對(duì)發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維是十分有利的。但是，需要強(qiáng)調(diào)的是，計(jì)算思維并不只是信息技術(shù)學(xué)科才有的思維方式。

計(jì)算思維作為一種科學(xué)有效的問(wèn)題解決的思維方式在其他學(xué)科中也是適用的。例如，小學(xué)生最初對(duì)“抽象”的了解和接觸主要是在小學(xué)低年級(jí)數(shù)學(xué)課程中“數(shù)的認(rèn)識(shí)”，比較不同數(shù)量的水果，通過(guò)抽象出共同的數(shù)量屬性“幾個(gè)”，最后抽象成數(shù)的大小比較，再用符號(hào)來(lái)表示比較的結(jié)果。因此，抽象作為數(shù)學(xué)的首要特征，為推理提供了對(duì)象。由此我們可以看出，計(jì)算思維是一種跨學(xué)科的問(wèn)題解決方式，是融合創(chuàng)新教育背景下產(chǎn)生的強(qiáng)有力的思維“武器”，其作為一種高效的問(wèn)題解決方法與工具，具有很大的發(fā)展空間和推廣價(jià)值。

針對(duì)計(jì)算思維的“抽象”，我們可以認(rèn)為是來(lái)源于數(shù)學(xué)的抽象方法。同時(shí)，筆者認(rèn)為計(jì)算思維是科學(xué)本身的概念，而不是計(jì)算機(jī)科學(xué)引申出的概念。因此，我們可以將計(jì)算思維看作是計(jì)算科學(xué)方法的一個(gè)特征，而不是計(jì)算機(jī)科學(xué)的顯著特征。

在學(xué)科融合中深度體驗(yàn)計(jì)算思維的學(xué)科價(jià)值與內(nèi)涵

學(xué)科的融合與創(chuàng)新發(fā)展對(duì)學(xué)生的認(rèn)知方式發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。計(jì)算思維作為一種高效的問(wèn)題解決方法和工具，在不同學(xué)科中體現(xiàn)出豐富的價(jià)值與內(nèi)涵。因此，計(jì)算思維作為一種科學(xué)高效的構(gòu)造思維，對(duì)跨學(xué)科下的學(xué)科融合發(fā)展與應(yīng)用具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和發(fā)展性。除此以外，計(jì)算思維作為普通高中信息技術(shù)學(xué)科的學(xué)科核心素養(yǎng)，具備了與其他基礎(chǔ)學(xué)科相同的學(xué)科價(jià)值地位與豐富內(nèi)涵，對(duì)發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要價(jià)值導(dǎo)向作用。在跨學(xué)科應(yīng)用與學(xué)科融合創(chuàng)新發(fā)展的基本思路下，通過(guò)采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以處理的方式來(lái)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)有效界定，在對(duì)問(wèn)題特征進(jìn)行抽象的基礎(chǔ)上，建立可計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，最終形成解決問(wèn)題的有效方案和具體的操作過(guò)程。

1.在分解過(guò)程中理解“循環(huán)”的概念

在小學(xué)低年級(jí)階段學(xué)生對(duì)“循環(huán)”的認(rèn)知主要還停留在“乘法口訣”的初步認(rèn)知階段，還沒(méi)有能夠形成一定的學(xué)科思維。例如，在教學(xué)以蘇教版小學(xué)信息技術(shù)五年級(jí)scratch程序設(shè)計(jì)模塊中《繪制角色》一課時(shí)，筆者通過(guò)設(shè)計(jì)微項(xiàng)目式教學(xué)《繪制角色——病毒大戰(zhàn)》案例，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)“有限循環(huán)”與“無(wú)限循環(huán)”形成相對(duì)成熟的概念和理解。如圖1所示，讓“病毒衛(wèi)士”在舞臺(tái)上移動(dòng)10步，可以設(shè)計(jì)三種方案。這三種方案分別是：①一次性讓“病毒衛(wèi)士”移動(dòng)10步;②讓“病毒衛(wèi)士”每次移動(dòng)2步，連續(xù)走5次;③使用重復(fù)執(zhí)行5次“移動(dòng)2步”。通過(guò)逐層逐步分解的方式，幫助學(xué)生有效理解“循環(huán)”的概念，培養(yǎng)學(xué)生分解問(wèn)題的能力和運(yùn)用多種方式解決問(wèn)題的能力。

2.在復(fù)用過(guò)程中理解“循環(huán)”的內(nèi)涵

“循環(huán)”作為一種程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要由循環(huán)語(yǔ)句結(jié)構(gòu)和“循環(huán)體”組成，“循環(huán)體”中所要放置的內(nèi)容就是程序需要“重復(fù)”執(zhí)行的內(nèi)容。例如，筆者在蘇教版小學(xué)信息技術(shù)五年級(jí)scratch程序設(shè)計(jì)模塊中設(shè)計(jì)的微項(xiàng)目案例《繪制角色——病毒大戰(zhàn)》，要想實(shí)現(xiàn)病毒“泛濫”的動(dòng)畫(huà)效果，學(xué)生首先會(huì)考慮到使用“復(fù)制”的方式，即對(duì)病毒角色進(jìn)行復(fù)制操作。如圖2所示，在scratch角色區(qū)使用“復(fù)制”命令可以快速?gòu)?fù)制出更多相同的角色，需要注意的是，如果角色帶有腳本，腳本也會(huì)被復(fù)制過(guò)去。通過(guò)角色復(fù)制的方式充分體現(xiàn)了“復(fù)用思想”的深刻內(nèi)涵，能夠有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)“循環(huán)”的深度理解。同時(shí)，“復(fù)用思想”的關(guān)鍵在于整體性思維，在小學(xué)數(shù)學(xué)問(wèn)題中有時(shí)需要從局部的、簡(jiǎn)單的情況入手，以發(fā)現(xiàn)整體的規(guī)律。例如，在小學(xué)四則混合運(yùn)算中變式法求解復(fù)雜算式，基本思路是把所求式變形后的某些部分看成一個(gè)整體，或者把某些部分看成一個(gè)整體，用字母代替，使原來(lái)比較復(fù)雜的式子變得簡(jiǎn)單。這就是“從整體上看”思想，即通過(guò)把一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行變形，或者把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最后都看成一類整體。在scratch中將角色看作一個(gè)整體，利用角色“復(fù)制”的方式，有效提升了角色數(shù)量和動(dòng)作的批量快速處理能力。

3.在迭代過(guò)程中理解“循環(huán)”的價(jià)值

在設(shè)計(jì)制作病毒“泛濫”動(dòng)畫(huà)效果時(shí)，我們可以采用同體異構(gòu)的方式來(lái)形成各種各樣的病毒“泛濫”的動(dòng)畫(huà)效果。例如，以一個(gè)基礎(chǔ)的病毒角色為本體，通過(guò)采用“隨機(jī)數(shù)”來(lái)控制病毒“克隆體”在舞臺(tái)上的大小、位置、顏色等動(dòng)畫(huà)效果。每一次所產(chǎn)生的新的“克隆體”病毒，將成為下一個(gè)病毒的“本體”，從而產(chǎn)生了迭代效果。該部分的設(shè)計(jì)可以使用角色隱藏來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以在后期學(xué)習(xí)過(guò)“克隆”控件進(jìn)行擴(kuò)展學(xué)習(xí)。通過(guò)對(duì)角色“對(duì)象”的不斷迭代，幫助學(xué)生對(duì)“循環(huán)”的作用與價(jià)值形成有效的遷移與應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)思維的有效迭代。迭代思維在小學(xué)數(shù)學(xué)中也是使用得比較多的方法，迭代法我們也可以稱為輾轉(zhuǎn)法，迭代的基本過(guò)程是通過(guò)小規(guī)模問(wèn)題的解逐步求解大規(guī)模問(wèn)題的解，一般用于數(shù)值計(jì)算，如小學(xué)數(shù)學(xué)中的累加、累乘、求最大公約數(shù)等都可以通過(guò)迭代的方式來(lái)快速有效地提升計(jì)算速度。

因此，跨學(xué)科開(kāi)展計(jì)算思維教學(xué)實(shí)踐，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)了思維的有效遷移應(yīng)用，學(xué)生逐步養(yǎng)成了利用計(jì)算思維工具來(lái)解決問(wèn)題的基本策略和方法，這也充分體現(xiàn)了核心素養(yǎng)背景下計(jì)算思維的學(xué)科價(jià)值。

在編程實(shí)踐中逐步構(gòu)建計(jì)算思維模型

計(jì)算思維屬于構(gòu)造思維，具有較強(qiáng)的可塑性和實(shí)踐操作性。筆者在實(shí)踐探究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上形成了計(jì)算思維的可操作模型，即問(wèn)題解決模式下計(jì)算思維三層架構(gòu)模型，該模型主要分為解決問(wèn)題之抽象層、解決問(wèn)題之建模層，以及解決問(wèn)題之表征層。

1.解決問(wèn)題之抽象層

針對(duì)微項(xiàng)目案例《繪制角色——病毒大戰(zhàn)》，筆者采用了解決問(wèn)題模式下計(jì)算思維的操作方法。將該案例中的“病毒大戰(zhàn)”進(jìn)行了多層次的抽象操作，首先是形成了病毒衛(wèi)士始終追著病毒在舞臺(tái)上移動(dòng)的動(dòng)畫(huà)效果。其次，利用復(fù)制角色的方式來(lái)產(chǎn)生病毒“泛濫”的動(dòng)畫(huà)效果。最后，形成仿造類似“克隆”效果的病毒“泛濫”動(dòng)畫(huà)效果，即由一個(gè)病毒衍生出一個(gè)病毒，新產(chǎn)生的病毒的大小、位置、顏色等都會(huì)有所差異。

2.解決問(wèn)題之建模層

在對(duì)項(xiàng)目案例所要解決的問(wèn)題進(jìn)行抽象的基礎(chǔ)之上，需要對(duì)其建立模型，形成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以解決的問(wèn)題模型。筆者在“病毒大戰(zhàn)”案例中從病毒的產(chǎn)生、移動(dòng)、消失等狀態(tài)入手，構(gòu)建了多層次的數(shù)學(xué)問(wèn)題模型，即由單個(gè)病毒在舞臺(tái)上有規(guī)則的移動(dòng)到多個(gè)相同病毒在舞臺(tái)上有規(guī)則的移動(dòng)，以及多個(gè)不同的病毒在舞臺(tái)上不規(guī)則的移動(dòng)，從而形成了病毒“泛濫”的動(dòng)畫(huà)效果。

3.解決問(wèn)題之表征層

在對(duì)所要解決的問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)有效的抽象，形成可計(jì)算的模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)所要解決的問(wèn)題進(jìn)行形式化的表征，即將其問(wèn)題細(xì)化到每一步的操作過(guò)程中，從而促進(jìn)問(wèn)題的解決。例如，在“病毒大戰(zhàn)”案例中，筆者利用“碰到邊緣就反彈”控件讓病毒角色在舞臺(tái)左右兩側(cè)來(lái)回移動(dòng)，但是學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)“病毒”碰到舞臺(tái)邊緣反彈后角色的上下會(huì)出現(xiàn)顛倒的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)角色區(qū)的探究，學(xué)生發(fā)現(xiàn)可以試著更改角色的“旋轉(zhuǎn)模式”，讓“病毒”只能夠左右翻轉(zhuǎn)，從而解決了角色碰到邊緣反彈后上下顛倒的問(wèn)題。此外，在不增加和修改腳本控件的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)病毒在舞臺(tái)上到處“亂跑”的效果，可通過(guò)使用“桌球”的原理，在角色區(qū)修改角色的初始方向，讓角色在碰到舞臺(tái)邊緣后產(chǎn)生多次反彈，從而產(chǎn)生病毒在舞臺(tái)上到處“亂跑”的動(dòng)畫(huà)效果。

結(jié)束語(yǔ)

在編程教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，筆者嘗試探尋培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的實(shí)踐創(chuàng)新之路，

從具體的實(shí)踐到應(yīng)用，再到創(chuàng)新，最終形成具有可操作性的計(jì)算思維結(jié)構(gòu)模型。在跨學(xué)科的大背景下，通過(guò)解決問(wèn)題模式下計(jì)算思維模型的操作方法，能夠有效促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展，這也將是計(jì)算思維實(shí)踐與探索的新方向。

參考文獻(xiàn)：

李藝，鐘柏昌.談“核心素養(yǎng)”[J].教育研究，2015（09）.