編程教學(xué)中計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

周麗

摘要：計(jì)算思維是21世紀(jì)學(xué)生的核心能力，與閱讀、寫作和算術(shù)等基本技能同等重要。為此，以諾寶RC“自動(dòng)避障和尋光機(jī)器人”編程教學(xué)為例，探討培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的策略。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;編程;策略

信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)主要有信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新和信息社會(huì)責(zé)任。計(jì)算思維作為信息技術(shù)四大核心素養(yǎng)之一，是現(xiàn)代人的基本能力，現(xiàn)代人賴以生存的世界就建立在形形色色、或顯或隱的計(jì)算之上。計(jì)算機(jī)科學(xué)和電信委員會(huì)認(rèn)為，計(jì)算思維是21世紀(jì)學(xué)生的核心能力，與閱讀、寫作和算術(shù)等基本技能同等重要，是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，其教育重視程度決定了各國(guó)未來創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)力的水平。具備計(jì)算思維能力，是學(xué)生應(yīng)對(duì)各項(xiàng)挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)，是學(xué)生發(fā)展組織能力、邏輯思維能力、問題分析與解決能力的重要前提。

一、計(jì)算思維

計(jì)算思維（computational thinking）概念是周以真教授于2006年首先提出的。她認(rèn)為，計(jì)算思維本質(zhì)上是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)并對(duì)人類行為進(jìn)行理解的思維方式。2017年《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)計(jì)算思維的概念界定是：計(jì)算思維是個(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)。也就是說，具備計(jì)算思維能夠解決生活、學(xué)習(xí)中的問題，當(dāng)遇到問題后，能夠?qū)栴}進(jìn)行界定、分析，并嘗試解決問題，學(xué)以致用，以用促創(chuàng)。

二、編程學(xué)習(xí)與計(jì)算思維的聯(lián)系

編程作品的制作不是一蹴而就的，而是在探索與實(shí)踐中不斷地完善與修改，作品最終的完成與學(xué)生的計(jì)算思維能力具有密不可分的關(guān)系。第一，編程學(xué)習(xí)能夠體現(xiàn)學(xué)生對(duì)于腳本設(shè)計(jì)的邏輯思維能力。在作品創(chuàng)作過程中，學(xué)生根據(jù)不同的任務(wù)添加相應(yīng)的腳本和運(yùn)用合適的流程控制。第二，編程學(xué)習(xí)能夠體現(xiàn)學(xué)生對(duì)于問題的分析能力。不同的學(xué)生在創(chuàng)作和任務(wù)完成過程中會(huì)遇到不同的問題，此時(shí)分析、解決問題的能力顯得尤為關(guān)鍵。第三，編程學(xué)習(xí)能夠體現(xiàn)學(xué)生對(duì)于程序的優(yōu)化處理能力。當(dāng)作品完成后，會(huì)出現(xiàn)執(zhí)行的效果與預(yù)想的效果不同的情況，需要學(xué)生修改腳本參數(shù)或者命令，以達(dá)到理想效果。

三、培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐（以諾寶RC“自動(dòng)避障和尋光機(jī)器人”編程教學(xué)為例）

相關(guān)研究表明，培養(yǎng)計(jì)算思維最有效的途徑是學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言，不同年齡階段學(xué)習(xí)不同的程序語(yǔ)言，編程的難易程度各有不同?，F(xiàn)在小學(xué)階段主要通過學(xué)習(xí)諾寶RC及GoC語(yǔ)言來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，大多采用可視化程序模塊，大大降低了程序的復(fù)雜程度。本文就以諾寶RC編程的教學(xué)實(shí)踐為例，探討編程教學(xué)中計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

美國(guó)著名“統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制之父”休哈特首先提出了PDCA循環(huán)理論：P（Plan）指的是計(jì)劃，是實(shí)施一系列行動(dòng)的基礎(chǔ);D（Do）指的是實(shí)施，是任務(wù)完成的核心;C（Check）指的是檢查，通過多元檢查不斷地完善作品;A（Action）指的是總結(jié)處理，是思維能力的進(jìn)一步升華。在編程教學(xué)中，將一個(gè)個(gè)小小的案例以項(xiàng)目的形式呈現(xiàn)，結(jié)合PDCA理論，更能有效地激發(fā)學(xué)生自主探究的欲望，培養(yǎng)其計(jì)算思維能力。

（一）Plan：計(jì)劃階段

明確目標(biāo)，借助故事情節(jié)或者創(chuàng)設(shè)情境，在腦海中形成任務(wù)邏輯體系。比如，設(shè)計(jì)一款機(jī)器人模擬洞穴逃生的程序，學(xué)生能夠在腦海中形成故事情節(jié)，并且分小組開展頭腦風(fēng)暴，組織小組討論、歸納，設(shè)計(jì)問題，激發(fā)思維，結(jié)合已有生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行信息加工，得出結(jié)論：機(jī)器人要想實(shí)現(xiàn)洞穴逃生功能，須具備可行走、能避障、會(huì)尋光等功能。

這里，我們通過“自然語(yǔ)言+思維導(dǎo)圖”的教學(xué)策略，不僅方便了學(xué)生形象地分解大問題、逐一破解小問題，降低了學(xué)習(xí)難度，而且讓學(xué)生懂得做事的先后順序和先決條件，訓(xùn)練了學(xué)生的抽象和分解思維能力，使思維過程有據(jù)可循。

（二）Do：實(shí)施階段

此階段主要是編寫程序，提升分析與操作能力。結(jié)合計(jì)劃階段的思維導(dǎo)圖，理清思路以后，通過運(yùn)用算法流程圖和編寫程序，讓學(xué)生感受程序思維的表達(dá)方式。比如，為了解決高速電機(jī)行走問題，通過“紅外避障傳感器”充當(dāng)機(jī)器人的眼睛，通過“永久循環(huán)”實(shí)現(xiàn)不斷探測(cè)障礙物的功能，通過“條件判斷”來實(shí)現(xiàn)判斷、解決避障問題，通過“光敏傳感器”解決尋光問題等。學(xué)生需要不斷地思考，最后得出預(yù)設(shè)的效果。

實(shí)施階段是將計(jì)劃付諸實(shí)踐，也是主要的學(xué)習(xí)新知的過程。學(xué)生在操作過程中會(huì)遇到多種問題，而問題如何解決是關(guān)鍵。實(shí)施階段的設(shè)計(jì)意圖是讓學(xué)生根據(jù)創(chuàng)設(shè)情境中的目標(biāo)，結(jié)合學(xué)習(xí)的新知探索完成任務(wù)，當(dāng)遇到瓶頸時(shí)，通過對(duì)問題的探索、分析，在解決的過程中提升計(jì)算思維。

（三）Check：檢查階段

當(dāng)學(xué)生初步完成并運(yùn)行程序時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些程序的運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)不同，需要通過程序調(diào)試進(jìn)行找錯(cuò)、糾錯(cuò)、修正。這是程序設(shè)計(jì)必不可少的基本步驟。為了更直觀地幫助學(xué)生理出頭緒，可以采用“調(diào)試單”的方法，讓學(xué)生把錯(cuò)誤現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤腳本，包括修改后的腳本以及解決了什么問題記錄下來。調(diào)試單是一個(gè)學(xué)習(xí)支架，可以幫助學(xué)生羅列程序運(yùn)行的不足，并以此追根溯源地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。比如，在理解“永久循環(huán)”模塊時(shí)，通過第一次運(yùn)行程序，學(xué)生發(fā)現(xiàn)僅僅運(yùn)用條件判斷并不能解決避障問題。經(jīng)過老師的引導(dǎo)，學(xué)生通過分析思考，結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中的場(chǎng)景，對(duì)知識(shí)進(jìn)行遷移，進(jìn)一步對(duì)信息進(jìn)行加工整合，能更深刻地理解添加“永久循環(huán)”這個(gè)模塊的意義。再比如，學(xué)生通過嘗試用“直行”模塊替代“高速電機(jī)”模塊，運(yùn)行程序時(shí)發(fā)現(xiàn)不能實(shí)現(xiàn)避障功能，通過檢查模塊參數(shù)進(jìn)行思考和再嘗試，學(xué)生能自己總結(jié)出“直行”和“高速電機(jī)”這兩個(gè)模塊的區(qū)別。

自我檢查是檢驗(yàn)成果的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生運(yùn)行程序并審視作品，在自我檢查的過程中，能夠拓展思維的廣度和深度。廣度是指可以采取多種思路獲取解決問題的答案;深度是指對(duì)問題的解決要透徹，將抽象問題具體化，從而培養(yǎng)計(jì)算思維能力。檢查階段和實(shí)施階段通常是交錯(cuò)進(jìn)行。學(xué)生自我思考的過程，正是培養(yǎng)計(jì)算思維的過程。

檢查階段還包括同伴檢查，主要目的是將自己操作過程中遇到的問題和同伴分享，雙方交流、探討遇到的問題以及解決措施，通過分享的過程加深對(duì)問題的理解。本環(huán)節(jié)不僅能夠促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展、 加深學(xué)生對(duì)于問題的理解，還能夠讓學(xué)生學(xué)會(huì)交流與分享成果，提高學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力，并反思自己作品中的優(yōu)點(diǎn)與不足，使思維得到進(jìn)一步的延伸。

（四）Action：總結(jié)糾正階段

總結(jié)收獲、反思作品才能啟發(fā)創(chuàng)新，讓思維不斷升華。本環(huán)節(jié)主要是學(xué)生對(duì)自己作品進(jìn)行糾正，對(duì)任務(wù)完成情況做出反思。學(xué)生完成程序設(shè)計(jì)后，通過仿真操作展示自己的作品，并對(duì)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行說明，包括制作過程中遇到的問題、修改的思路、解決問題的方法等。此過程是對(duì)思維進(jìn)行梳理、總結(jié)、提煉的過程，這正是計(jì)算思維中“概況”思維的一種表現(xiàn)。同時(shí)，學(xué)生還可以互評(píng)他人的作品，發(fā)現(xiàn)他人作品中的優(yōu)點(diǎn)和不足，通過交流進(jìn)一步提升計(jì)算思維能力。

編程能力是最重要的信息技術(shù)能力之一，在一線教學(xué)中，我們要從“學(xué)習(xí)編程”轉(zhuǎn)向“通過編程學(xué)習(xí)”。編程教育的目標(biāo)并不是培養(yǎng)程序員，而是要讓學(xué)生在編程的過程中了解如何使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行創(chuàng)作，進(jìn)而培養(yǎng)嚴(yán)密的邏輯思維和良好的計(jì)算思維。發(fā)展計(jì)算思維，正是編程教育的價(jià)值所向。

計(jì)算思維培養(yǎng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，不光是信息技術(shù)學(xué)科肩負(fù)的使命，更需要數(shù)學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)、人文藝術(shù)等學(xué)科的融入與結(jié)合，以及不同學(xué)段教育的共同努力，才能結(jié)出豐富的碩果。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭爽，魏加猛.在編程教學(xué)中融合計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2020（10）.

（責(zé)任編輯：奚春皓）