指向計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)編程課程教學(xué)模式設(shè)計(jì)

朱丹丹

計(jì)算思維具有多種學(xué)科屬性，如數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程，不同學(xué)者從不同學(xué)科領(lǐng)域出發(fā)對計(jì)算思維進(jìn)行了多種概念界定，雖然目前還沒有統(tǒng)一的定義，但其重要性日益顯現(xiàn)。編程教育作為計(jì)算思維培養(yǎng)的有效途徑已成為廣泛共識。然而，目前小學(xué)編程課堂存在“教師預(yù)設(shè)解題路徑”的問題，主要表現(xiàn)為教師詳盡剖析解題路徑，容易給學(xué)生一種錯覺——編程就是按照教師的既定步驟完成任務(wù)，并不需要自己深入思考和探究，這對學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展會起到一定的阻礙作用。因此，本研究旨在構(gòu)建一個能夠擺脫教師預(yù)設(shè)解題路徑的小學(xué)編程課程教學(xué)模式，并探討其有效性，期望為我國小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)提供一種新思路。

● 指向計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)編程課程教學(xué)新思考

傳統(tǒng)的PBL教學(xué)模式注重項(xiàng)目分解，即將復(fù)雜的問題拆解成簡單的、可解決的小問題。通常教師會預(yù)先創(chuàng)設(shè)復(fù)雜情境，在授課過程中，教師會將任務(wù)目標(biāo)分解成一個個小單元，并提供問題解決的思路和方法。在此過程中，學(xué)生只需要緊跟老師的操作步驟，就可以完成預(yù)期的效果，學(xué)生在課堂的主要任務(wù)不是探究和思考，而是機(jī)械性地復(fù)制教師既定的、統(tǒng)一化的解題路徑。

在本研究中，筆者提出了新思考，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)從最簡單、最小單元出發(fā)，一開始并不創(chuàng)設(shè)復(fù)雜的問題情境，只是簡要概述最終效果。例如，在“龜兔賽跑”中，只告知學(xué)生“烏龜”獲勝是最終效果，而中間的過程、角色、情節(jié)都是空白。整個項(xiàng)目的填充、情節(jié)完善都由學(xué)生完成，教師的主要任務(wù)是幫助學(xué)生將想法變成現(xiàn)實(shí)。這意味著，項(xiàng)目任務(wù)的完成從教師拆解轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生疊加，需要學(xué)生更多思維參與，學(xué)習(xí)不是完成預(yù)設(shè)的問題解決路徑，而是自主構(gòu)建的過程，教師能夠更好地關(guān)注學(xué)生項(xiàng)目完成過程中思維的培養(yǎng)。

● 指向計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)編程課程教學(xué)模式構(gòu)建

筆者以閆寒冰教授的項(xiàng)目式教學(xué)七步法為原型，結(jié)合“項(xiàng)目問題從分解轉(zhuǎn)向疊加，鼓勵學(xué)生思考”的新思考，重新修訂了項(xiàng)目教學(xué)七步法的內(nèi)容，包括設(shè)計(jì)項(xiàng)目、（問題疊加）、制訂計(jì)劃、探究協(xié)作、制作作品、（問題疊加）、匯報(bào)演示、總結(jié)評價(jià)，兩個“問題疊加”中間的步驟表示完成項(xiàng)目的內(nèi)循環(huán)過程。具體教學(xué)過程如下圖所示。

該模式主要圍繞項(xiàng)目的豐富和完善，通過問題分析、算法實(shí)現(xiàn)、測試評估環(huán)節(jié)，使得學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展在與可視化編程工具的交互中得以表達(dá)和呈現(xiàn);教師提供問題支架，學(xué)生豐富問題情境，既解決了難度與學(xué)生差異的適配性問題，又防止了學(xué)生的思維惰性，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。在具體實(shí)施過程中需要注意師生的教學(xué)行為。

1.設(shè)計(jì)項(xiàng)目，創(chuàng)設(shè)情境

教師在這個階段的主要任務(wù)是調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提出一個基礎(chǔ)的、易解決的任務(wù)。學(xué)生的主要任務(wù)是集中注意力，積極配合教師完成情境導(dǎo)入環(huán)節(jié)（如游戲?qū)耄?，明確編程項(xiàng)目的第一個任務(wù)及應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的舞臺效果。

2.問題分解，計(jì)劃制訂

此階段教師的主要任務(wù)是分析問題、表征問題，運(yùn)用流程圖或思維導(dǎo)圖概括問題解決流程，通過問答或?qū)υ挼确椒ㄒ龑?dǎo)學(xué)生思考。學(xué)生的主要任務(wù)是認(rèn)真聽講，學(xué)習(xí)問題分析的思路，理解問題表征的方法，明確自然語言與編程語言的對應(yīng)關(guān)系。

3.算法實(shí)現(xiàn)，問題解決

此階段教師的主要任務(wù)是觀察學(xué)生，查看學(xué)生的程序結(jié)構(gòu)和編程指令，給予學(xué)生實(shí)時(shí)反饋。學(xué)生的主要任務(wù)是自主編寫程序語言，在此過程中可以尋求老師和同學(xué)的幫助，但還是以個體探究為主。

4.總結(jié)評價(jià)，反思優(yōu)化

此階段教師主要引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生表述編譯思路，維持課堂紀(jì)律。學(xué)生的主要任務(wù)是綜合分析同伴們的設(shè)計(jì)思路，對比自己的編程結(jié)構(gòu)，在反復(fù)修改與調(diào)式中內(nèi)化問題解決一般方法，發(fā)展評估、增量迭代以及測評調(diào)試的能力。

5.項(xiàng)目深入，問題疊加

在此階段，教師的主要任務(wù)是啟發(fā)學(xué)生思考，鼓勵學(xué)生表達(dá)自己的“天馬行空”，如寓言故事、動漫、游戲等方面的故事情節(jié)都可以添加到編程設(shè)計(jì)中去。學(xué)生的主要任務(wù)是聯(lián)系生活體驗(yàn)和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，表達(dá)自己的真實(shí)想法。

● 教學(xué)實(shí)踐的應(yīng)用與檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)指向計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)編程課程教學(xué)模式的有效性，本研究設(shè)計(jì)了計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐。共有7個主題項(xiàng)目活動，在某實(shí)驗(yàn)學(xué)校開展了為期兩個月的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，課程結(jié)束后筆者對計(jì)算思維的培養(yǎng)效果，從計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念維度進(jìn)行了評價(jià)和分析。

1.實(shí)驗(yàn)過程

本研究的實(shí)驗(yàn)對象是四年級參加編程社團(tuán)的學(xué)生，共7個班，每班8人，總計(jì)56人。為了檢驗(yàn)“問題疊加”模式對培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的影響，本研究首先對計(jì)算概念的五個方面進(jìn)行了前后測，然后通過編程作品評價(jià)計(jì)算實(shí)踐三個方面的內(nèi)容，最后采用課堂觀察和文本結(jié)構(gòu)化分析獲取學(xué)生計(jì)算觀念方面發(fā)展的證據(jù)。

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）計(jì)算概念維度。為了了解學(xué)生計(jì)算概念的變化，筆者設(shè)計(jì)了“計(jì)算概念前測卷”和“計(jì)算概念后測卷”每道題10分，滿分100分。筆者分別回收前測卷56份、后測卷56份，運(yùn)用SPSS進(jìn)行配對檢驗(yàn)，對統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，最終前后測結(jié)果如下頁表1和表2所示。

根據(jù)表1和表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)對象計(jì)算思維概念維度總成績前后兩組數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果存在顯著差異，t=-10.969，P<0.05，說明實(shí)驗(yàn)對象學(xué)習(xí)后的總成績（M±SD=74.46±14.64）相較于學(xué)習(xí)前的總成績（M±SD=49.46±15.19）有所提升。分維度（分解、抽象、系統(tǒng)化、自動化）前后兩組數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果均存在顯著差異，說明學(xué)生在這四個維度上都有不同程度的提升。至于算法思維前后測不存在差異，筆者分析可能的原因是：本研究課程內(nèi)容與算法思維有關(guān)的知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)不足;算法本身的嚴(yán)謹(jǐn)邏輯相對于小學(xué)生來說存在一定困難。

（2）計(jì)算實(shí)踐維度。為了評估學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的計(jì)算實(shí)踐能力，筆者分析了學(xué)生的游戲作品，并結(jié)合課堂觀察分析學(xué)生增量迭代、測試與調(diào)試、混合與復(fù)用實(shí)踐能力的變化。在作品完成過程中，學(xué)生們綜合使用了多個編程模塊、多個編程指令，進(jìn)行了腳本的優(yōu)化，并在原有的作品上進(jìn)行了再創(chuàng)造。這些現(xiàn)象表明，學(xué)生開始從被動的“拿來主義者”轉(zhuǎn)向主動探究學(xué)習(xí)的“自給自足者”。在作品設(shè)計(jì)過程中，大部分學(xué)生都養(yǎng)成了隨時(shí)調(diào)試運(yùn)行的好習(xí)慣，少數(shù)學(xué)生在教師引導(dǎo)下也能夠遷移運(yùn)用前期的學(xué)習(xí)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)知識的混合與復(fù)用。

（3）計(jì)算觀念維度。創(chuàng)意與表達(dá)能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在問題疊加環(huán)節(jié)，本研究分析了學(xué)生關(guān)于游戲操作過程的文字性描述，以《走迷宮》（前期課程）游戲?yàn)槔?，學(xué)生在描述《走迷宮》游戲時(shí)未能清晰表達(dá)游戲邏輯，如未能說明“綠色”代表安全路線、“碰墻”表示返回起始位置等。在后續(xù)課程中學(xué)生能利用“開始”“然后”“如果……則”“同時(shí)”等邏輯語言完整表達(dá)游戲角色間的關(guān)系，游戲機(jī)制清晰易懂，說明在一段時(shí)間的教學(xué)后，學(xué)生的表達(dá)能力得到了一定的改善。

● 總結(jié)與展望

計(jì)算思維和讀、寫、算一樣，是人工智能時(shí)代人類解決問題的一種普適能力，如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維無疑是一個重要的課題，本研究所設(shè)計(jì)的計(jì)算思維培養(yǎng)模式和開展的教學(xué)實(shí)踐，可在一定程度上支持這一領(lǐng)域的發(fā)展。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生開始從被動接受知識向主動探索學(xué)習(xí)發(fā)展，在豐富故事情節(jié)的過程中學(xué)生計(jì)算觀念（創(chuàng)意與表達(dá)）得到了有效提升，在算法實(shí)現(xiàn)的過程中學(xué)生在計(jì)算實(shí)踐（增量迭代、測試調(diào)試、混合復(fù)用）上的改變也表現(xiàn)明顯，在方案綜合過程中學(xué)生計(jì)算概念（分解、抽象、算法、系統(tǒng)化、自動化）水平在整體上得到了提升，但存在計(jì)算概念要素發(fā)展不均衡的現(xiàn)象，其中算法思維發(fā)展最弱。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算思維培養(yǎng)模式的操作細(xì)節(jié)和豐富課程資源，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維均衡、協(xié)同發(fā)展。

雖然研究開展時(shí)間較短，實(shí)驗(yàn)對象數(shù)目較少，但應(yīng)用結(jié)果初步顯示本研究提出模式的有效性。在之后的研究中，不僅需要延長實(shí)驗(yàn)時(shí)間，還需要進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)對象的規(guī)模，設(shè)置實(shí)驗(yàn)班和對照班，對比分析該模式的有效性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、教學(xué)反思，進(jìn)一步修訂指向計(jì)算思維培養(yǎng)的編程課程教學(xué)模式，以便使這一教學(xué)模式對小學(xué)編程課程教學(xué)實(shí)踐更具參考價(jià)值。