學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)視域下的計(jì)算思維培養(yǎng)模式

摘要：思維具有情境性，對(duì)思維能力的培養(yǎng)需借助于特定情境方能實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)前中小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)中普遍存在情境創(chuàng)設(shè)淺表化明顯、連貫性較弱和延展性不夠等不足，難以有效促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的持續(xù)發(fā)展。創(chuàng)設(shè)情境要素多元且相互關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)情境鏈能有效避免學(xué)生在思維發(fā)展中的“跳躍感”和“斷層”現(xiàn)象，有利于形成可促進(jìn)其計(jì)算思維持續(xù)漸進(jìn)發(fā)展的學(xué)習(xí)情境閉環(huán)?；趯W(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)視角所構(gòu)建的計(jì)算思維培養(yǎng)模式，通過對(duì)遞進(jìn)式問題情境、支架式探究情境、互助式合作情境、平等化交流情境及延展性應(yīng)用情境的創(chuàng)設(shè)，形成了計(jì)算思維“喚醒—激活—強(qiáng)化—升華”的培養(yǎng)閉環(huán)，有助于促進(jìn)計(jì)算思維的螺旋式發(fā)展。該模式在以“遞歸算法——神奇的斐波那契數(shù)列”為主題開展的Scratch編程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用表明，其能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生問題界定、特征抽象、算法設(shè)計(jì)、評(píng)估迭代和遷移應(yīng)用等計(jì)算思維核心能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;培養(yǎng)模式;學(xué)習(xí)情境鏈;Scratch編程

中圖分類號(hào)：G434 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1009-5195（2021）05-0072-10 ?doi10.3969/j.issn.1009-5195.2021.05.008

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“民族地區(qū)優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源均等化配置機(jī)制研究：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與政策仿真”（71764036）;云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃面上項(xiàng)目“數(shù)字教育資源精準(zhǔn)服務(wù)模式及關(guān)鍵技術(shù)研究”（2019FB088）。

作者簡(jiǎn)介：楊文正，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，云南師范大學(xué)信息學(xué)院（云南昆明 650500）。

一、問題提出

隨著計(jì)算思維內(nèi)涵的逐漸明晰和外延的不斷豐富，計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐方式也呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展趨勢(shì)，但仍有其共同之處：強(qiáng)調(diào)將計(jì)算思維培養(yǎng)與生活實(shí)踐接軌，將思維過程與技術(shù)工具結(jié)合，讓學(xué)生在運(yùn)用編程技術(shù)解決問題的過程中實(shí)現(xiàn)邏輯推理、抽象歸納、遷移應(yīng)用等高階思維能力的提升（孫立會(huì)等，2020）。編程教學(xué)以其在邏輯思維、算法設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)上的特有潛能成為計(jì)算思維培養(yǎng)的有效途徑（傅騫等，2019）?？梢暬幊淘诒Ａ羲惴ê诵乃枷氲耐瑫r(shí)降低了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得以提升并能留出更多的認(rèn)知資源聚焦于計(jì)算思維的發(fā)展，更適合中小學(xué)生的認(rèn)知水平（范文翔等，2018）。在信息技術(shù)課程教學(xué)中，常見的可視化編程工具有App Inventor、Scratch、Mixly等，其中Scratch編程軟件技術(shù)門檻低，將抽象的語法規(guī)則、算法結(jié)構(gòu)蘊(yùn)藏于積木式的圖形化語言中，大大降低了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷水平，成為中小學(xué)教師開展編程教學(xué)的主要工具。

皮亞杰的發(fā)生認(rèn)識(shí)論認(rèn)為，思維是在主體不斷迭代的邏輯運(yùn)演中動(dòng)態(tài)生成的，當(dāng)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生邏輯沖突時(shí)，便可以通過對(duì)圖式的重構(gòu)來觸發(fā)思維的螺旋式發(fā)展（林琳等，2019）。這種思維結(jié)構(gòu)的豐富性不僅要求學(xué)習(xí)者融入到特定學(xué)習(xí)情境中，更需要教師挖掘特定學(xué)習(xí)情境之間的關(guān)聯(lián)性，創(chuàng)設(shè)有助于思維培養(yǎng)的學(xué)習(xí)情境生態(tài)閉環(huán)。在計(jì)算思維培養(yǎng)過程中，有效的學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)可以“挑起”學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生不斷通過更高級(jí)的邏輯運(yùn)演領(lǐng)會(huì)計(jì)算機(jī)解決問題的思想、原理與方式。

然而，當(dāng)前中小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)中的學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)仍然存在諸多不足：（1）與學(xué)生實(shí)際生活聯(lián)系不夠緊密。有些學(xué)習(xí)情境的選擇過于拘泥于教材，未能與學(xué)生熟知的生活現(xiàn)實(shí)緊密貼合，未能闡明問題解決在實(shí)際生活中應(yīng)用的價(jià)值。（2）問題情境挑戰(zhàn)性不足。教師所創(chuàng)設(shè)的問題情境有明確的指向性，這在一定程度上易于引起學(xué)生參與編程學(xué)習(xí)的興趣，但復(fù)雜性、挑戰(zhàn)性不足的問題卻可能使學(xué)生的持續(xù)性思考與探究難以維持。（3）學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)連貫性較弱。多數(shù)情境創(chuàng)設(shè)只存在于教學(xué)的引入部分或嵌入在某一教學(xué)活動(dòng)片段中，未能將情境學(xué)習(xí)理念貫穿于編程教學(xué)過程的始終。（4）學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)淺表化。有些學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)未能將多元情境要素與計(jì)算思維培養(yǎng)過程有機(jī)融合，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)算法原理和信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的思考停留在淺表層面。（5）學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)的延展性不強(qiáng)。能夠促進(jìn)學(xué)生協(xié)作開展知識(shí)構(gòu)建的開放式交互情境設(shè)計(jì)不多，計(jì)算思維遷移應(yīng)用場(chǎng)景增拓較少，不利于學(xué)生思維活動(dòng)的深化。

思維具有情境性，思維能力的培養(yǎng)不能脫離真實(shí)情境。如何挖掘與計(jì)算思維培養(yǎng)活動(dòng)相適應(yīng)的多元情境要素？如何構(gòu)建各類情境要素優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的協(xié)同機(jī)制，發(fā)揮其對(duì)學(xué)生思維能力發(fā)展的協(xié)同效應(yīng)？這既是計(jì)算思維教學(xué)的實(shí)踐訴求，也是中小學(xué)校信息技術(shù)課程教學(xué)改革的內(nèi)在需求。針對(duì)在計(jì)算思維教學(xué)中學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)存在片斷化、單一化和淺表化等問題，本研究提出學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)的新思路。學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)可以彌補(bǔ)多元情境教學(xué)中情境創(chuàng)設(shè)不連續(xù)、片斷化的不足，削弱孤立、零散的情境元素給學(xué)生認(rèn)知和思維發(fā)展造成的“跳躍感”和“斷層”現(xiàn)象，有利于形成計(jì)算思維漸進(jìn)發(fā)展的實(shí)踐場(chǎng)域。本研究基于對(duì)計(jì)算思維概念的解構(gòu)和情境學(xué)習(xí)理論核心要義的剖析，闡明學(xué)習(xí)情境鏈的內(nèi)涵，進(jìn)而依循項(xiàng)目式教學(xué)基本流程，構(gòu)建基于學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式，最后以“遞歸算法——神奇的斐波那契數(shù)列”為主題開展Scratch編程教學(xué)活動(dòng)，旨在探索多元情境要素與計(jì)算思維核心能力培養(yǎng)耦合的實(shí)踐途徑，為計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐提供范例。

二、理論依據(jù)

1.計(jì)算思維概念解構(gòu)

周以真教授認(rèn)為，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)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等的一系列思維活動(dòng)（Wing，2006）。國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（ISTE et al.，2011）共同為K-12教育中的計(jì)算思維下了操作性定義，認(rèn)為計(jì)算思維是解決問題的過程，通常包括：能夠使用計(jì)算機(jī)或其他工具來解決問題;有條理、有邏輯地分析和組織數(shù)據(jù);將數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象，并通過模型來表示;運(yùn)用算法和程序設(shè)計(jì)自動(dòng)化解決問題的方案;試行方案和對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化或完善，并在實(shí)施過程中實(shí)現(xiàn)資源有效整合;對(duì)問題解決過程進(jìn)行概括，并進(jìn)行遷移應(yīng)用。英國(guó)學(xué)者Selby等（2013）通過文本分析方法總結(jié)出計(jì)算思維具有抽象、分解、算法思維、評(píng)估和概括五大特征。我國(guó)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出了計(jì)算思維培養(yǎng)的要求：通過抽象的方式（如模型、模擬）表示數(shù)據(jù);設(shè)計(jì)算法形成自動(dòng)化解決問題的方案;總結(jié)解決問題的一般過程與方法，并遷移至更寬泛的問題解決中（中華人民共和國(guó)教育部，2018）。吳忭等（2019）認(rèn)為，計(jì)算思維并不是單一的認(rèn)知技能，而是“專業(yè)概念”“專業(yè)實(shí)踐”和“專業(yè)認(rèn)識(shí)”多方能力維度的有機(jī)結(jié)合。

基于以上對(duì)計(jì)算思維概念及特征的分析，本研究認(rèn)為計(jì)算思維是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想、原理、方法解決實(shí)際問題的高階思維能力，并將其解構(gòu)為更具操作意義的五大核心能力：界定問題能力、抽象特征能力、設(shè)計(jì)算法能力、評(píng)估迭代能力和遷移應(yīng)用能力。界定問題能力是指學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的問題情境中發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行需求分析，從而區(qū)分問題邊界，明確學(xué)習(xí)任務(wù)的能力;抽象特征能力是指能提取問題的關(guān)鍵特征，并用形式化的方式表征問題的能力;設(shè)計(jì)算法能力是指選擇合適算法設(shè)計(jì)問題解決方案，并用編程語言等數(shù)字化工具實(shí)現(xiàn)方案的能力;評(píng)估迭代能力是指依據(jù)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的普遍原則對(duì)問題解決方案進(jìn)行全面評(píng)估和迭代優(yōu)化的能力;遷移應(yīng)用能力是指總結(jié)問題解決的一般過程與方法，并應(yīng)用于解決學(xué)習(xí)、生活中的其他相關(guān)問題的能力。計(jì)算思維五大核心能力的發(fā)展過程就是從界定問題到解決問題的路徑迭代，體現(xiàn)出學(xué)習(xí)者在邏輯運(yùn)演中不斷拓展和豐富思維結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程?！按龠M(jìn)計(jì)算思維，培養(yǎng)編程能力”作為中小學(xué)信息技術(shù)課程的核心目標(biāo)，不僅要讓學(xué)生能夠理解信息系統(tǒng)工作原理，而且要讓學(xué)生學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心概念和方法，培養(yǎng)其抽象與邏輯思考、系統(tǒng)化思考等思維能力（張進(jìn)寶等，2018）。

2.學(xué)習(xí)情境鏈內(nèi)涵解析

尤爾根·哈貝馬斯（Jürgen Habermas）認(rèn)為，人的理性總是嵌入在具體事件當(dāng)中，知識(shí)的加工正是在這種情境理性的氛圍中發(fā)生的（尤爾根·哈貝馬斯，2004）。情境學(xué)習(xí)理論提出了關(guān)于學(xué)習(xí)的新觀點(diǎn)：“思維和學(xué)習(xí)只有在特定的情境中才有意義”“不存在非情境化的學(xué)習(xí)”“學(xué)習(xí)是合法的邊緣性參與”“學(xué)習(xí)是社會(huì)協(xié)商”（戴維·H.喬納森，2002）。情境學(xué)習(xí)理論的核心要義是讓學(xué)習(xí)者進(jìn)入與專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的真實(shí)情境，在教師的指導(dǎo)下參與學(xué)習(xí)共同體活動(dòng)，在合作協(xié)商、探究反思和解決問題中潛移默化地習(xí)得默會(huì)知識(shí)和思維技能。心理學(xué)領(lǐng)域的情境認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)“個(gè)體參與‘實(shí)習(xí)場(chǎng)中的情境活動(dòng)以建構(gòu)知識(shí)”;人類學(xué)領(lǐng)域的情境學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)“個(gè)體通過合法的邊緣性參與實(shí)踐共同體獲得意義和身份的建構(gòu)”。在編程教學(xué)實(shí)踐中，“實(shí)習(xí)場(chǎng)”的設(shè)計(jì)就是要讓學(xué)生進(jìn)入結(jié)構(gòu)不良和具有挑戰(zhàn)性的真實(shí)問題情境中，運(yùn)用編程工具體驗(yàn)計(jì)算機(jī)解決問題的原理和方式;“實(shí)踐共同體”的創(chuàng)建強(qiáng)調(diào)學(xué)生在共同的項(xiàng)目任務(wù)下組建學(xué)習(xí)共同體，通過合作探究、經(jīng)驗(yàn)互動(dòng)和意義協(xié)商解決實(shí)際問題。二者都聚焦在計(jì)算思維與問題情境之間建立聯(lián)系，創(chuàng)設(shè)有助于驅(qū)動(dòng)學(xué)生參與知識(shí)建構(gòu)和融入社會(huì)協(xié)商的開放式交互情境，對(duì)提升學(xué)生編程興趣和發(fā)展其計(jì)算思維具有顯著意義（張進(jìn)寶，2019）。

思維發(fā)展是分階段或分步驟的演變過程，計(jì)算思維也是階段性提升的，其遵循螺旋式發(fā)展的規(guī)律（孫立會(huì)等，2020）。學(xué)習(xí)情境與計(jì)算思維培養(yǎng)過程緊密關(guān)聯(lián)，學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)要遵循計(jì)算思維發(fā)展的邏輯結(jié)構(gòu)，以“鏈”式樣態(tài)有序關(guān)聯(lián)各情境要素，形成促進(jìn)計(jì)算思維能力發(fā)展與品質(zhì)升華的學(xué)習(xí)情境鏈。本研究所指的學(xué)習(xí)情境鏈?zhǔn)且远鄠€(gè)相互關(guān)聯(lián)的情境為“節(jié)點(diǎn)”，隨著教學(xué)活動(dòng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展，將多元情境要素有機(jī)聯(lián)接，形成連貫有序的情境環(huán)路。學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)就是要在教學(xué)過程中，圍繞教學(xué)主題設(shè)計(jì)多元學(xué)習(xí)情境要素，讓各要素沿著計(jì)算思維教學(xué)環(huán)節(jié)逐級(jí)“流動(dòng)”，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展的學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)，最終形成有利于學(xué)生計(jì)算思維漸進(jìn)發(fā)展的閉環(huán)，觸發(fā)思維品質(zhì)的升華。

基于此，本研究從情境學(xué)習(xí)理論的核心要義中抽取出了問題情境、探究情境、合作情境、交流情境、應(yīng)用情境5個(gè)情境要素，探尋其貫穿于教學(xué)過程中的隱含線索和相互作用，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的學(xué)習(xí)情境鏈。問題情境應(yīng)當(dāng)充分生活化，激發(fā)學(xué)生解決問題的需要，提升其對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)價(jià)值的認(rèn)可，從而調(diào)動(dòng)內(nèi)部動(dòng)機(jī)（趙國(guó)慶等，2018）;探究情境是指在教師的支持下，學(xué)生圍繞項(xiàng)目任務(wù)制定計(jì)劃并開展自主探究活動(dòng)的場(chǎng)域;合作情境強(qiáng)調(diào)創(chuàng)建氛圍良好的學(xué)習(xí)共同體，促進(jìn)同伴合作交流、知識(shí)協(xié)同發(fā)展;交流情境旨在為學(xué)生創(chuàng)造展示探究成果的平臺(tái)與機(jī)會(huì)，實(shí)施過程性評(píng)價(jià)，驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目作品的迭代改進(jìn);應(yīng)用情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)積極挖掘教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)展解決新問題的遷移能力。學(xué)習(xí)情境鏈與計(jì)算思維核心能力之間是典型的耦合關(guān)系。學(xué)習(xí)情境鏈?zhǔn)怯啥鄠€(gè)異質(zhì)性情境要素構(gòu)成的學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)，通過學(xué)習(xí)情境“節(jié)點(diǎn)”之間的情境要素“流動(dòng)”，增強(qiáng)項(xiàng)目式編程教學(xué)活動(dòng)中學(xué)習(xí)的交互性，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維核心能力發(fā)展。

3.多元情境教學(xué)應(yīng)用引鑒

美國(guó)教育家約翰·杜威（John Dewey）認(rèn)為，思維是從直接經(jīng)驗(yàn)開始的，人們只有沉浸于不確定的情境中，才能引起積極探索與思考的強(qiáng)烈動(dòng)機(jī)（約翰·杜威，2011）。著名教育技術(shù)學(xué)者戴維·H.喬納森（David H. Jonassen）認(rèn)為，情境是指能夠作用于人的思維并引起情感變化和行為活動(dòng)的時(shí)空環(huán)境，具有復(fù)雜性、真實(shí)性和多樣性等特點(diǎn)（戴維·H.喬納森，2002）。學(xué)習(xí)情境對(duì)學(xué)習(xí)者知識(shí)建構(gòu)、思維啟迪、情感體驗(yàn)等方面的促進(jìn)作用成為人們的共識(shí)，多數(shù)學(xué)科教師在教學(xué)實(shí)踐中積極嘗試創(chuàng)設(shè)多元學(xué)習(xí)情境以促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知和思維發(fā)展。例如，針對(duì)地理學(xué)科特性，姜喬（2019）提出了融合“直觀情境、問題情境、合作情境、探究情境和生活情境”等地理多元情境的教學(xué)模式;針對(duì)通用技術(shù)三種課程類型（技術(shù)理論課、技術(shù)繪圖課、技術(shù)制作課），鄭瑤瑤（2014）設(shè)計(jì)了“應(yīng)用情境”“問題情境”“媒體情境”“語言情境”等學(xué)習(xí)情境要素，并交叉運(yùn)用在“情境準(zhǔn)備”“情境創(chuàng)設(shè)”“情境展開”“情境深入”和“情境提升”等環(huán)節(jié)的教學(xué)過程中。其共同點(diǎn)在于：情境創(chuàng)設(shè)緊密貼合學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)科思維特性，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行橫向拓展或縱向挖掘;認(rèn)為有效的學(xué)習(xí)情境應(yīng)具備生活性、真實(shí)性、探究性、情感性和可變性等特征;多元學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)旨在喚醒學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)，在自主或合作探究解決真實(shí)問題的過程中激活學(xué)生的思維，提升思維品質(zhì)。

然而，多數(shù)學(xué)科教學(xué)中創(chuàng)設(shè)的學(xué)習(xí)情境彼此孤立，多元情境要素之間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，未能構(gòu)成一條貫穿于教學(xué)過程始終的連續(xù)回路，這勢(shì)必影響思維發(fā)展階段的銜接與黏合。學(xué)習(xí)情境鏈以多元情境要素為節(jié)點(diǎn)，前后銜接的兩個(gè)情境要素組合成一個(gè)鏈節(jié)，多個(gè)鏈節(jié)首尾相連，從而形成閉合環(huán)路，以此彌補(bǔ)多元情境教學(xué)中情境創(chuàng)設(shè)單一、不連續(xù)的問題。作為課堂教學(xué)一以貫之的情境主線，學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)可以在很大程度上削減孤立零散的情境要素給學(xué)生認(rèn)知發(fā)展造成的“跳躍感”和“斷層”現(xiàn)象。學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)對(duì)編程教學(xué)活動(dòng)中計(jì)算思維的培養(yǎng)具有明顯的啟迪、激活、強(qiáng)化和升華功能：?jiǎn)栴}情境創(chuàng)設(shè)能喚醒學(xué)生的前概念，以富有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜問題觸發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，引發(fā)思考的強(qiáng)烈欲望，讓學(xué)生在情境感知中啟迪思維的火花;教學(xué)活動(dòng)中的多元化學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)可以從不同層次、多個(gè)側(cè)面挖掘?qū)W習(xí)資源，持續(xù)激活學(xué)生思維、塑造整體認(rèn)知環(huán)境;創(chuàng)設(shè)開放的學(xué)習(xí)情境能為學(xué)生提供計(jì)算概念再現(xiàn)的實(shí)踐場(chǎng)域，在遷移應(yīng)用過程中強(qiáng)化其對(duì)計(jì)算思維內(nèi)涵的理解;依循學(xué)生思維漸進(jìn)發(fā)展的規(guī)律創(chuàng)設(shè)連貫的學(xué)習(xí)情境，既有助于學(xué)生將零散的知識(shí)串聯(lián)，又可以保持連續(xù)、平滑的思維發(fā)展過程，促成計(jì)算思維的升華。

三、模式構(gòu)建

編程教學(xué)活動(dòng)中蘊(yùn)含了大量難以用語言清晰描述和直接傳授的“主觀知識(shí)”和“實(shí)踐情境知識(shí)”（鄭浩等，2017）。學(xué)生只有在不同的情境脈絡(luò)中運(yùn)用復(fù)雜的思維技能進(jìn)行問題求解，才能深度理解“隱形”于編程語言環(huán)境中的計(jì)算思維（姜強(qiáng)等，2020）。學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)有助于學(xué)生在編程教學(xué)中實(shí)現(xiàn)思維活動(dòng)的外顯化、趣味化和深度化。學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)強(qiáng)調(diào)情境對(duì)學(xué)科知識(shí)意義建構(gòu)和遷移應(yīng)用的獨(dú)特作用，注重學(xué)生在情境感知、實(shí)踐操作和親身體驗(yàn)中提升學(xué)科素養(yǎng)。真實(shí)性是構(gòu)建一切情境要素的基礎(chǔ)，各類情境要素的設(shè)計(jì)應(yīng)以貼近學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)為導(dǎo)向，使個(gè)體從自身經(jīng)歷的角度來詮釋和建構(gòu)知識(shí)（歐陽忠明等，2018）。創(chuàng)設(shè)貼近真實(shí)世界的學(xué)習(xí)情境有利于還原學(xué)科知識(shí)的產(chǎn)生過程，闡明學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，滿足學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展訴求。各類情境要素不是彼此割裂的，而是相互聯(lián)系、交叉和融通的，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)實(shí)際情況和學(xué)生的原有認(rèn)知水平，優(yōu)化組合各類情境要素，形成學(xué)習(xí)情境鏈。學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)要貫穿于編程教學(xué)過程的始終，各情境要素間應(yīng)體現(xiàn)出一定的連續(xù)性、層次性和深度性，讓學(xué)生在遞進(jìn)式的情境化教學(xué)過程中逐漸深化計(jì)算思維。

為探索多元情境要素與計(jì)算思維核心能力培養(yǎng)耦合的實(shí)踐途徑，本研究針對(duì)中小學(xué)校編程教學(xué)實(shí)踐中的情境創(chuàng)設(shè)問題，依循項(xiàng)目式教學(xué)基本流程，構(gòu)建了“基于學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式”（如圖1所示）。該模式以問題情境創(chuàng)設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，將探究情境、合作情境、交流情境、應(yīng)用情境融入教學(xué)活動(dòng)全過程，形成各情境要素之間靈活組合、有序銜接和循環(huán)流動(dòng)的學(xué)習(xí)情境鏈。該模式的關(guān)鍵是將計(jì)算思維五大核心能力的培養(yǎng)附載于學(xué)習(xí)情境鏈的動(dòng)態(tài)生成過程中，師生在每一情境節(jié)點(diǎn)上充分交互，教師通過調(diào)節(jié)教學(xué)活動(dòng)，促使學(xué)生計(jì)算思維得到充分發(fā)展。這具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：基于學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)的真實(shí)問題創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生在感知體驗(yàn)和獨(dú)立思考中界定問題能力得到發(fā)展;創(chuàng)設(shè)探究情境，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架，輔助學(xué)生抽象出復(fù)雜問題的特征;創(chuàng)設(shè)合作情境，為學(xué)生參與學(xué)習(xí)共同體、共享算法設(shè)計(jì)和互助合作編程提供環(huán)境支撐;創(chuàng)設(shè)交流情境，鼓勵(lì)學(xué)生積極展示成果，通過自評(píng)、互評(píng)等多種表現(xiàn)性評(píng)價(jià)手段促進(jìn)程序算法的迭代優(yōu)化;挖掘應(yīng)用情境，引導(dǎo)學(xué)生將自動(dòng)化、系統(tǒng)化解決問題的能力遷移應(yīng)用到新的問題情境中，由此再次引發(fā)學(xué)生持續(xù)運(yùn)用計(jì)算思維解決挑戰(zhàn)性更強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)問題。

思維發(fā)生在過程之中，計(jì)算思維發(fā)展的軌跡呈現(xiàn)出由低層次結(jié)構(gòu)樣態(tài)向高層次結(jié)構(gòu)樣態(tài)迭代演進(jìn)的“非線性”邏輯脈絡(luò)（張沿沿等，2020）。學(xué)習(xí)情境鏈中的多元情境要素遵循計(jì)算思維發(fā)展的內(nèi)在邏輯，將彼此關(guān)聯(lián)起來，以非線性、動(dòng)態(tài)迭代的方式靈活地嵌入在項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)之中，以促進(jìn)計(jì)算思維結(jié)構(gòu)向更高層次發(fā)展。計(jì)算思維核心能力與學(xué)習(xí)情境要素在動(dòng)態(tài)耦合中相互作用、螺旋上升、協(xié)同發(fā)展。例如，界定問題能力既可在問題情境創(chuàng)設(shè)中培養(yǎng)，也可以在探究情境、合作情境、應(yīng)用情境等各類學(xué)習(xí)情境中得到發(fā)展。教師預(yù)設(shè)挑戰(zhàn)性問題情境，支持學(xué)生聯(lián)系生活實(shí)際，回溯原有知識(shí)結(jié)構(gòu)，拓展前后知識(shí)間的邏輯關(guān)聯(lián)，從而促進(jìn)界定問題能力發(fā)展;學(xué)生在探究性學(xué)習(xí)情境中及時(shí)改進(jìn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，重新審視問題界定的準(zhǔn)確性;小組成員在良好的合作情境中反復(fù)測(cè)試程序、優(yōu)化算法，不斷在試錯(cuò)中發(fā)現(xiàn)問題并設(shè)計(jì)新的程序方案;在新的應(yīng)用情境中，學(xué)生重新思考作品的現(xiàn)實(shí)意義，針對(duì)新的生活場(chǎng)景遷移應(yīng)用成果，拓展問題邊界，再次界定問題。與此同時(shí)，問題情境也不僅限于培養(yǎng)學(xué)生的界定問題能力，還能為其他核心能力發(fā)展提供支持。例如，學(xué)生依托問題情境快速投入到體驗(yàn)式學(xué)習(xí)活動(dòng)中，借助生活實(shí)例將客觀事實(shí)內(nèi)化為知識(shí)，在克服認(rèn)知沖突中逐漸明晰問題域，提升界定問題能力;通過創(chuàng)設(shè)問題情境可以啟發(fā)學(xué)生提取先驗(yàn)知識(shí)，概括問題關(guān)鍵特征并對(duì)問題進(jìn)行形式化表達(dá)，使其抽象特征能力得到發(fā)展;在編程測(cè)試環(huán)節(jié)設(shè)置問題情境有助于引導(dǎo)學(xué)生共同協(xié)作，優(yōu)化算法并進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)算法能力;在交流評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中創(chuàng)設(shè)問題情境，可以提升學(xué)生問題意識(shí)，使其針對(duì)小組自評(píng)或互評(píng)的反饋建議，迭代完善項(xiàng)目作品;學(xué)生在新創(chuàng)設(shè)的問題情境中再次反思項(xiàng)目成果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，靈活運(yùn)用編程知識(shí)與技能解決新問題，從而提升遷移應(yīng)用能力。

下文以學(xué)習(xí)情境要素為切入點(diǎn)，從遞進(jìn)式問題情境、支架式探究情境、互助式合作情境、平等化交流情境和延展性應(yīng)用情境創(chuàng)設(shè)方面，闡述如何通過學(xué)習(xí)情境鏈的創(chuàng)設(shè)促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展。

1.遞進(jìn)式問題情境創(chuàng)設(shè)

問題情境以結(jié)構(gòu)不良、真實(shí)的生活問題為中心，促使學(xué)生在與真實(shí)情境發(fā)生互動(dòng)時(shí)產(chǎn)生認(rèn)知沖突，從而激發(fā)創(chuàng)造性解決問題的內(nèi)驅(qū)力。在編程教學(xué)中，教師結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生經(jīng)驗(yàn)，通過引入真實(shí)生活案例或組織實(shí)地參觀等方式創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生在觀察體驗(yàn)中自主發(fā)現(xiàn)問題，明確任務(wù)主題，從中培養(yǎng)界定問題的能力。此外，教師通過提問引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)回顧算法設(shè)計(jì)的核心思想，重新思考探究成果投入現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用方式，使其在新的問題情境中加深對(duì)算法思想的理解，實(shí)現(xiàn)遷移應(yīng)用能力的提升。在初步感知問題和再次遷移應(yīng)用的遞進(jìn)式問題情境創(chuàng)設(shè)中，學(xué)生將計(jì)算思維逐步“滲入”自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

2.支架式探究情境創(chuàng)設(shè)

探究情境旨在為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架，輔助學(xué)生抽象出復(fù)雜問題的特征，并運(yùn)用算法設(shè)計(jì)解決問題的方案。在編程教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用流程圖和思維導(dǎo)圖等認(rèn)知工具抽象問題特征、分解問題求解步驟、建立數(shù)學(xué)模型以及自主設(shè)計(jì)問題解決方案，從而促進(jìn)抽象特征能力的發(fā)展。同樣，小組成員借助偽代碼、自然語言和案例資源等認(rèn)知工具，合作探究算法設(shè)計(jì)過程，比較算法執(zhí)行效率，優(yōu)選算法策略和編寫程序腳本，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)算法能力的提升。支架式探究情境的創(chuàng)設(shè)不僅有助于拓展探究活動(dòng)方式和延伸探究活動(dòng)時(shí)間，還有利于抽象特征能力與設(shè)計(jì)算法能力的銜接發(fā)展，在充分尊重學(xué)生探究興趣的基礎(chǔ)上促進(jìn)計(jì)算思維培養(yǎng)的逐層深化。

3.互助式合作情境創(chuàng)設(shè)

學(xué)生圍繞特定任務(wù)在學(xué)習(xí)共同體中共享算法設(shè)計(jì)過程，互助實(shí)現(xiàn)編程，以此實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)的意義建構(gòu)和學(xué)科思維的深度培養(yǎng)。在編程教學(xué)中，教師通過創(chuàng)建互助小組，引導(dǎo)組內(nèi)學(xué)生明確任務(wù)分配;組長(zhǎng)帶領(lǐng)組員探究各自主導(dǎo)的任務(wù)領(lǐng)域，反思優(yōu)化算法，協(xié)作完成編程任務(wù)，逐步培養(yǎng)算法設(shè)計(jì)能力。在完成程序設(shè)計(jì)作品之后，教師組織形式多樣的評(píng)價(jià)活動(dòng)，為小組成員合作討論程序設(shè)計(jì)過程和交流分享算法設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提供交互平臺(tái);學(xué)生在交流展示和優(yōu)化程序的過程中，其評(píng)估迭代能力得以提升。合作情境讓學(xué)生在合作協(xié)商中經(jīng)歷“設(shè)計(jì)算法—編寫程序—交流評(píng)價(jià)—迭代程序”螺旋式上升發(fā)展過程，潛移默化地達(dá)成培養(yǎng)設(shè)計(jì)算法能力的目標(biāo)。

4.平等化交流情境創(chuàng)設(shè)

平等化的交流情境鼓勵(lì)學(xué)生積極展示成果，通過自評(píng)、互評(píng)等多種表現(xiàn)性評(píng)價(jià)手段促進(jìn)程序的迭代優(yōu)化。學(xué)生在編程教學(xué)的多樣化評(píng)價(jià)活動(dòng)中，展示程序設(shè)計(jì)作品，分享項(xiàng)目活動(dòng)收獲，聽取師生評(píng)價(jià)建議和迭代改進(jìn)程序設(shè)計(jì)。靈活設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)活動(dòng)不僅能培養(yǎng)學(xué)生的評(píng)估迭代能力，還有助于鍛煉學(xué)生的溝通表達(dá)能力。交流情境不只限于總結(jié)性評(píng)價(jià)活動(dòng)，更體現(xiàn)在過程性評(píng)價(jià)活動(dòng)中。教師應(yīng)在學(xué)生制定好算法設(shè)計(jì)方案后及時(shí)組織評(píng)價(jià)活動(dòng)，對(duì)學(xué)生的問題特征進(jìn)行分析，針對(duì)數(shù)學(xué)建模思路和程序流程圖設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性提出反饋建議，幫助學(xué)生修改完善問題解決方案，從中培養(yǎng)其抽象特征能力。

5.延展性應(yīng)用情境創(chuàng)設(shè)

應(yīng)用情境強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)在結(jié)構(gòu)不良的、復(fù)雜的新問題情境中有效遷移和整合應(yīng)用（王美等，2018）。在編程教學(xué)中，學(xué)生在總結(jié)算法思想的基礎(chǔ)上，思考如何遷移算法思維來解決實(shí)際生活中的其他問題，探討成果如何應(yīng)用于日常生活以滿足用戶需求，在此過程中不斷培養(yǎng)遷移應(yīng)用能力。同時(shí)，教師應(yīng)設(shè)計(jì)貼近學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)的案例資源或項(xiàng)目活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生回歸問題產(chǎn)生的逼真情境，再次培養(yǎng)學(xué)生的界定問題能力。應(yīng)用情境的創(chuàng)設(shè)將探究問題的產(chǎn)生和算法思想的應(yīng)用還原到真實(shí)情境中，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)踐應(yīng)用中重新發(fā)現(xiàn)問題，生成新的探究主題，探索解決新問題的思路。

四、應(yīng)用案例

1.案例背景簡(jiǎn)介

案例以“遞歸算法——神奇的斐波那契數(shù)列”為主題，依托YN省KM市某中學(xué)高中二年級(jí)Y班“信息技術(shù)”課程中“算法初步”選修模塊展開。教學(xué)對(duì)象已習(xí)得迭代、分治、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等算法初步知識(shí)。本案例的教學(xué)三維目標(biāo)是：在知識(shí)與技能方面，了解斐波那契數(shù)列中蘊(yùn)含的遞歸算法思想，知道遞歸算法的基本特征;在過程與方法方面，掌握測(cè)試算法效率的方法，比較遞歸算法與其他算法的優(yōu)劣，嘗試優(yōu)化遞歸算法，并能用Scratch編程實(shí)現(xiàn)算法;在情感態(tài)度與價(jià)值觀方面，在優(yōu)化算法和解決問題的過程中體會(huì)運(yùn)用算法解決問題的優(yōu)勢(shì)，體驗(yàn)圖形化編程的樂趣。案例教學(xué)流程依據(jù)本研究所構(gòu)建的“基于學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式”設(shè)計(jì)，圍繞5個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)展開，分6個(gè)課時(shí)完成。在活動(dòng)實(shí)施過程中，教師充分創(chuàng)設(shè)問題情境、探究情境、合作情境、交流情境和應(yīng)用情境，并將其靈活組合應(yīng)用于教學(xué)過程。

2.教學(xué)過程中的學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)

（1）創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)界定問題

此環(huán)節(jié)旨在創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣，在發(fā)現(xiàn)斐波那契數(shù)列規(guī)律中發(fā)展界定問題能力。在每個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)開始之前，教師向?qū)W生發(fā)放植物觀察記錄表，告知學(xué)生觀察校園植物時(shí)對(duì)植物的花瓣和葉片數(shù)量進(jìn)行記錄。學(xué)生實(shí)地觀察校園種植的花草樹木，根據(jù)記錄表的要求記錄植物名稱、植物的花瓣或葉片數(shù)量，并進(jìn)行拍照記錄。在實(shí)地觀察結(jié)束后，教師組織學(xué)生分享觀察結(jié)果，并將統(tǒng)計(jì)好的數(shù)據(jù)展示出來，供學(xué)生尋找規(guī)律。期間，教師提問：“同學(xué)們看這組數(shù)列‘1，1，2，3，5，8，13，…發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律了嗎？”有學(xué)生隨即回答：“自第三項(xiàng)開始，每一項(xiàng)等于前兩項(xiàng)之和?！边@時(shí)教師結(jié)合教學(xué)視頻和課件向?qū)W生介紹斐波那契數(shù)列在自然界和數(shù)學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。此后，教師繼續(xù)發(fā)問：“當(dāng)你在爬一個(gè)十級(jí)的樓梯時(shí)，每次可以選擇爬一級(jí)或兩級(jí)，請(qǐng)問一共有多少種爬法？”學(xué)生XL說：“如果爬兩級(jí)樓梯，我有兩種方案——可以先一級(jí)一級(jí)地爬，或者一次爬兩級(jí)?！苯處燀槃?shì)引導(dǎo)：“那么爬五級(jí)、十級(jí)呢？”學(xué)生們開始在草稿紙上進(jìn)行推導(dǎo)演算，最后發(fā)現(xiàn)爬樓梯問題的答案與斐波那契數(shù)列規(guī)律類似。教師總結(jié)：“推導(dǎo)演算的方法是運(yùn)用數(shù)學(xué)思維來解決問題，人工運(yùn)算較為耗時(shí)低效，那么如何通過Scratch編程來提高問題解決的效率呢？”

（2）運(yùn)用探究情境，抽象問題特征

教師以程序流程圖等為中介，創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究情境，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)模型提取和表征爬樓梯問題的關(guān)鍵特征，并應(yīng)用Scratch編程語言實(shí)現(xiàn)，發(fā)展抽象特征能力。經(jīng)過教師對(duì)遞歸算法的講解，學(xué)生認(rèn)識(shí)到遞歸算法的核心思想是問題分解，即根據(jù)求解問題尋找遞歸體和結(jié)束條件。在靈活運(yùn)用相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生自主探究爬樓梯問題的數(shù)學(xué)模型。期間，教師對(duì)學(xué)生數(shù)學(xué)建模遇到的困難進(jìn)行引導(dǎo)。例如，學(xué)生GZF在尋找斐波那契數(shù)列的遞歸體時(shí)遇到了問題，教師快速對(duì)其進(jìn)行引導(dǎo)：“回憶一下斐波那契數(shù)列的規(guī)律是什么？”學(xué)生GZF回答：“從第三項(xiàng)開始，每一項(xiàng)是前兩項(xiàng)之和。”教師繼續(xù)提問：“假設(shè)走法數(shù)為F（n），樓梯數(shù)為n，用函數(shù)公式怎么表達(dá)前兩項(xiàng)之和？”經(jīng)過教師的啟發(fā)，學(xué)生GZF明白了遞歸體就是要找出原問題F（n）與子問題F（n-1）的遞推關(guān)系，即F（n）=F（n-1）+F（n-2），n≥3。隨后，學(xué)生采用繪制程序框圖的方法，自主設(shè)計(jì)解決爬樓梯問題的程序框圖，如圖2（a）所示。教師設(shè)計(jì)過程性評(píng)價(jià)活動(dòng)，組織學(xué)生分享自主設(shè)計(jì)的程序框圖，引導(dǎo)學(xué)生互評(píng)，發(fā)現(xiàn)哪些算法設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔、高效，最后提出算法改進(jìn)建議，并讓學(xué)生初步嘗試編寫遞歸算法程序腳本，圖2（b）是學(xué)生GZF設(shè)計(jì)的程序腳本。

（3）營(yíng)造合作情境，設(shè)計(jì)最優(yōu)算法

此環(huán)節(jié)通過營(yíng)造良好合作的學(xué)習(xí)氛圍，促使小組分配任務(wù)和互助解決難題。教師以引導(dǎo)者、組織者和支持者的角色幫助學(xué)生循環(huán)測(cè)試和迭代優(yōu)化算法。學(xué)生在教師指導(dǎo)下以組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制形式組建合作小組。教師給予學(xué)生充分思考和探究的時(shí)間和試錯(cuò)機(jī)會(huì)，在適當(dāng)時(shí)機(jī)對(duì)學(xué)生提出的疑惑進(jìn)行指導(dǎo)。小組成員根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)進(jìn)行任務(wù)分配，每位學(xué)生作為部分任務(wù)的主要負(fù)責(zé)人，帶領(lǐng)其他成員完成小組任務(wù)，共同推進(jìn)項(xiàng)目的實(shí)施。例如：A組學(xué)生JZY的主要任務(wù)是將程序框圖轉(zhuǎn)換成偽代碼，學(xué)生DL用自然語言檢查遞歸算法程序腳本的正確性，學(xué)生LB編寫程序，學(xué)生WJ調(diào)試和改進(jìn)程序。在將程序框圖轉(zhuǎn)換成偽代碼的過程中，學(xué)生JZY發(fā)現(xiàn)有同伴不知道偽代碼的概念，便利用教師提供的“導(dǎo)學(xué)案”進(jìn)行講解，幫助其突破學(xué)習(xí)難點(diǎn);在組織同伴調(diào)試程序的過程中，學(xué)生WJ通過演示操作向同伴講解自己擅長(zhǎng)的調(diào)試策略，實(shí)現(xiàn)與小組成員的知識(shí)共享;在合作完成程序編寫之后，學(xué)生LB和學(xué)生WJ發(fā)現(xiàn)隨著輸入項(xiàng)數(shù)增多，程序執(zhí)行結(jié)果的輸出時(shí)間就越長(zhǎng)，這讓他們意識(shí)到用遞歸算法實(shí)現(xiàn)的程序設(shè)計(jì)并不是最高效的解決方案。待全班大部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題時(shí)，教師運(yùn)用課件向?qū)W生講解計(jì)算算法時(shí)空復(fù)雜度的方法。之后，A組學(xué)生合作計(jì)算出用遞歸算法解決爬樓梯問題的時(shí)空復(fù)雜度為T（n）=T（n-1）+T（n-2）+O（1），又通過樹形結(jié)構(gòu)表示算法執(zhí)行過程，發(fā)現(xiàn)這種自頂向下的遞歸算法重復(fù)的結(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)隨著n的增大而急劇增多，說明遞歸算法的運(yùn)行時(shí)間是以n的指數(shù)遞增，算法設(shè)計(jì)還存在優(yōu)化的空間。

隨后，教師引導(dǎo)A組學(xué)生思考，運(yùn)用其他算法策略是否可以提高程序執(zhí)行效率。經(jīng)過小組頭腦風(fēng)暴，學(xué)生LB提議：“我們可以逆向思考，用自底向上的思路設(shè)計(jì)算法，這樣程序重復(fù)調(diào)用自身的次數(shù)就會(huì)大大降低?！睂W(xué)生JZY表示：“可以用之前學(xué)過的迭代算法或動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法嘗試設(shè)計(jì)?！睂W(xué)生DL運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法將問題分解為“樓梯數(shù)為1”“樓梯數(shù)為2”和“樓梯數(shù)大于等于3”三種情況進(jìn)行求解，程序設(shè)計(jì)腳本如圖3（a）所示。學(xué)生LB發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法雖然可讀性強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)，但是程序變量設(shè)置和語句嵌套過于繁瑣。他使用賦值語句并采用循環(huán)迭代的思想，對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法程序設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3（b）所示。此時(shí)，學(xué)生WJ發(fā)現(xiàn)，雖然迭代算法設(shè)計(jì)的程序執(zhí)行效率高、代碼簡(jiǎn)潔，但仍然使用了4個(gè)變量。對(duì)此他提出使用鏈表結(jié)構(gòu)對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行存儲(chǔ)，既可以提高程序執(zhí)行效率，還能將樓梯數(shù)n對(duì)應(yīng)的每一項(xiàng)走法數(shù)F（n）呈現(xiàn)出來，如圖3（c）所示。經(jīng)過小組成員的協(xié)商討論，決定選用鏈表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的程序腳本作為最終程序設(shè)計(jì)作品。

（4）共創(chuàng)交流情境，評(píng)估迭代程序

該環(huán)節(jié)注重創(chuàng)建交流情境，促進(jìn)師生以游戲化的形式開展小組自評(píng)、組間互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)活動(dòng)，反思迭代程序作品。小組合作完成編程后，教師組織“算法效率大比拼”游戲，以檢驗(yàn)程序執(zhí)行效率。游戲規(guī)則要求教師和一名學(xué)生分別擔(dān)任裁判員和計(jì)時(shí)員，各組抽簽決定比賽順序和對(duì)手組別。在游戲活動(dòng)過程中，參與比賽的小組在裁判員宣布輸入某一具體樓梯級(jí)數(shù)后，同時(shí)點(diǎn)擊綠旗開始運(yùn)行程序，計(jì)時(shí)員將兩組程序運(yùn)行時(shí)間記錄下來進(jìn)行比較。隨著比賽的深入，裁判員會(huì)逐漸增大輸入樓梯級(jí)數(shù)的數(shù)值，各組程序的執(zhí)行效率差異也會(huì)更加明顯。游戲活動(dòng)通過3輪比賽決出冠亞軍小組。最后，教師邀請(qǐng)各組交流分享算法設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目活動(dòng)收獲，組內(nèi)成員和組間成員對(duì)程序設(shè)計(jì)作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。教師對(duì)每組程序設(shè)計(jì)作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，小組成員再次改進(jìn)程序設(shè)計(jì)作品，將作品上傳至Scratch社區(qū)供更多的編程愛好者討論。

（5）挖掘應(yīng)用情境，促進(jìn)遷移應(yīng)用

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧運(yùn)用遞歸算法求解問題的過程，通過提問啟發(fā)學(xué)生總結(jié)分享遞歸算法的核心思想，并引發(fā)學(xué)生思考斐波那契數(shù)列在現(xiàn)實(shí)生活中的廣泛應(yīng)用，提升學(xué)生的遷移應(yīng)用能力。例如，學(xué)生WJ認(rèn)為：“遞歸算法的核心在于問題分解，通過數(shù)學(xué)建模將大規(guī)模問題分解成若干小規(guī)模問題，直至找到終止條件，然后再通過回溯逐個(gè)解決小規(guī)模問題，最后大規(guī)模問題也就迎刃而解了?！睘橥卣谷蝿?wù)情境，教師播放介紹黃金分割法則的教學(xué)視頻，引發(fā)學(xué)生思考，讓其發(fā)現(xiàn)更多斐波那契數(shù)列在日常生活中的應(yīng)用事例。學(xué)生WHS分享觀點(diǎn)：“蕨類植物的葉片生長(zhǎng)順序也體現(xiàn)了神奇的黃金分割法則?！睂W(xué)生YL認(rèn)為：“除了自然界，在藝術(shù)構(gòu)圖時(shí)也會(huì)運(yùn)用到黃金分割法則，比如《蒙娜麗莎的微笑》?！庇懻摻Y(jié)束后，教師讓學(xué)生回歸日常生活，運(yùn)用黃金分割構(gòu)圖法拍攝生活中的美景，并通過攝影展的形式組織學(xué)生分享。

3.教學(xué)反思

這一基于學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)的計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)案例綜合呈現(xiàn)了真實(shí)、連續(xù)和豐富的多元學(xué)習(xí)情境要素，其在教學(xué)目標(biāo)上強(qiáng)調(diào)學(xué)生要追溯問題情境中算法產(chǎn)生的規(guī)律，以抽象化、形式化思維對(duì)真實(shí)問題進(jìn)行描述，比較同一問題解決的不同算法效率。算法設(shè)計(jì)作為計(jì)算思維培養(yǎng)的重要組成部分，是信息技術(shù)教學(xué)的重點(diǎn)，也是本案例需要突破的難點(diǎn)。算法知識(shí)專業(yè)性較強(qiáng)，將情境教學(xué)法滲透到教學(xué)全程中可以有效避免單純講授知識(shí)點(diǎn)所帶來的枯燥乏味感。教師將優(yōu)化組合和進(jìn)階式設(shè)計(jì)的思路應(yīng)用于學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)中，挖掘遞歸算法的應(yīng)用場(chǎng)景，生成驅(qū)動(dòng)性和挑戰(zhàn)性強(qiáng)的探究問題;采用支架式教學(xué)策略，為學(xué)生“從始源情境（受客觀條件制約的現(xiàn)實(shí)世界）向目標(biāo)情境（有利于學(xué)習(xí)者知識(shí)建構(gòu)的情境）轉(zhuǎn)化”提供支持（王志軍等，2019）。在教學(xué)實(shí)施過程中，教師采用項(xiàng)目式教學(xué)形式，將學(xué)習(xí)任務(wù)置于多元學(xué)習(xí)情境中，注重學(xué)生參與編程活動(dòng)的體驗(yàn)而非僅限于問題解決的結(jié)果。教師引導(dǎo)學(xué)生在問題情境中表征遞推關(guān)系;在探究情境中設(shè)計(jì)合適的算法并體驗(yàn)算法效率的差異;在合作情境中依托情境資源協(xié)同探究遞歸算法的優(yōu)化方法及其編程實(shí)現(xiàn);在交流情境中以游戲競(jìng)賽方式開展評(píng)價(jià)反思活動(dòng);在應(yīng)用情境中拓寬遞歸算法的應(yīng)用范圍，形成用算法思維解決實(shí)際問題的遷移能力。面對(duì)不同的教學(xué)目標(biāo)與學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)習(xí)情境鏈呈現(xiàn)出對(duì)教與學(xué)過程的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和鏈接作用，各情境要素協(xié)同促進(jìn)教與學(xué)活動(dòng)的有效進(jìn)行，由此形成思維“喚醒—激活—強(qiáng)化—升華”的學(xué)習(xí)情境閉環(huán)（田陽等，2020）。

五、結(jié)語

思維的迸發(fā)需要情境的熏陶，連續(xù)的情境創(chuàng)設(shè)有助于鍛煉思維的敏捷性、靈活性、獨(dú)創(chuàng)性和深刻性，促進(jìn)思維內(nèi)在品質(zhì)的升華。計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，能讓學(xué)生體驗(yàn)利用計(jì)算科學(xué)的基本概念和方法，進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)建構(gòu)和人類行為理解的心智活動(dòng)（陳鵬等，2018）。當(dāng)前，多數(shù)編程教學(xué)實(shí)踐還難以擺脫純粹認(rèn)知活動(dòng)的缺陷，未能從“去情境化”走向?qū)W生豐富的“生活世界”，從“單一情境”走向“多元情境”，從“片斷情境”走向“連續(xù)情境”。如何創(chuàng)設(shè)具有探究性、生成性、連續(xù)性和延展性的多元情境要素，是有序增進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維螺旋式發(fā)展的著力點(diǎn)。本研究提出的學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)，以設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣、逐次遞進(jìn)的多元情境要素為核心，形成思維“喚醒—激活—強(qiáng)化—升華”的培養(yǎng)閉環(huán)，為計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)提供良好的啟迪;構(gòu)建的“基于學(xué)習(xí)情境鏈創(chuàng)設(shè)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式”厘清了計(jì)算思維與多元情境要素的耦合關(guān)系，為計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐提供了新思路。學(xué)習(xí)情境鏈有助于學(xué)生在思維活動(dòng)與情境之間建立關(guān)聯(lián)，促進(jìn)學(xué)生思維品質(zhì)的迭代升華。智能時(shí)代人們對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)寄予很高期望的同時(shí)，智能技術(shù)也將為計(jì)算思維培養(yǎng)創(chuàng)建更佳的學(xué)習(xí)情境，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的真實(shí)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)習(xí)情境達(dá)到“真實(shí)化”“個(gè)性化”和“精準(zhǔn)化”（蘭國(guó)帥等，2020）。如何利用新興智能技術(shù)賦能情境學(xué)習(xí)，從而為中小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)和測(cè)評(píng)提供有力支持，這將是后續(xù)研究的焦點(diǎn)。

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收稿日期 2021-03-29責(zé)任編輯 楊銳

The Training Model of Computational Thinking ?from the Perspective of

Learning Situation Chain Creation

YANG Wenzheng

Abstract： Thinking is situational， and the cultivation of thinking ability can only be realized with the help of specific situations. However， in the current teaching of computational thinking in primary and secondary schools， there are widespread deficiencies in situational creation， including obvious superficiality， weak coherence and insufficient ductility， etc.， which makes it difficult to effectively promote the sustainable development of students computational thinking ability. Creating a learning situation chain with multiple and interrelated situational elements can effectively avoid the phenomenon of “thinking jumping and interruption” in the development of students thinking， which is conducive to the formation of a learning situation loop that can promote the sustainable and progressive development of students computational thinking. Based on the perspective of learning situation chain creation， a training model of computational thinking is constructed. Through the creation of progressive problem situation， scaffolding inquiry situation， mutual assistance cooperation situation， equal communication situation and extensible application situation， this model forms a computational thinking training loop of “awakening， activation， strengthening and sublimation”， which helps to promote the spiral development of computational thinking. The application in the teaching practice of Scratch programming with the theme of “Recursive Algorithm—The Magical Fibonacci Sequence” shows that this model can better realize the cultivation of core computational thinking capabilities of students， such as problem definition， feature abstraction， algorithm design， evaluation iteration， migration application and so on.

Keywords： Computational Thinking; Training Model; Learning Situation Chain; Scratch Programming