面向小學計算思維培養(yǎng)的項目式教學設計

吳瑩穎

摘要：計算思維是信息技術(shù)學科重要的核心素養(yǎng)之一。如何高效開展小學生計算思維培養(yǎng)成為研究重點。本文以計算思維六大過程要素為切入點，結(jié)合項目式學習，探索面向?qū)W習者計算思維培養(yǎng)的項目式教學模型，并以“2022冬奧會宣傳”為具體案例，通過“提出問題—分析問題—探究實踐—討論交流—評價展示”這一教學流程，提升學生的計算思維素養(yǎng)。

關鍵詞：計算思維;可視化編程;項目式教學

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）21-0046-04

計算思維是指“運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計，以及人類行為理解等一系列思維活動”，其包括六大過程要素：界定問題、抽象特征、建立模型、設計算法、實施算法、遷移應用。計算思維作為信息技術(shù)核心素養(yǎng)之一已成為小學信息技術(shù)教學的主要任務與目標之一。小學階段學生的低認知水平與計算思維的高要求之間形成一對主要矛盾，如何高效開展小學生計算思維培養(yǎng)成為研究重點。

項目式學習（PBL）是以學習者為中心，學生圍繞真實復雜的問題進行探究，并在主動探究的過程中積極建構(gòu)新知，形成一定的成果，從而提高自身綜合素質(zhì)的一種教學模式。巴克教育研究所對項目式學習提出了“黃金標準”：富有挑戰(zhàn)性的問題或困難、持續(xù)探究、真實性、學生的發(fā)言權(quán)和選擇、全程反思、批判和修訂、作品公開展示。項目式教學模式契合計算思維核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，它能更好地幫助編程活動設計明晰起點與目標，從而提升學生的計算思維。因此，筆者以計算思維六大過程要素為切入點，結(jié)合項目式學習的特征與標準，構(gòu)建了面向?qū)W習者計算思維培養(yǎng)的項目式教學模型（如上頁圖1），同時，基于可視化編程軟件，以“2022冬奧會宣傳”項目式教學設計為例，具體展示面向計算思維培養(yǎng)的項目式教學設計。

提出問題，分解任務

編程教學經(jīng)常進入傳統(tǒng)教學模式誤區(qū)，以知識點教學為主。看似“有序”的知識點教學對于學生的知識建構(gòu)而言恰恰是“無序”的，學生學習了基礎的計算概念，但是卻很難將這些計算概念建立有效的關聯(lián)，在后期的編程創(chuàng)作中，知識的遷移應用成了難點，同時學生的計算實踐以及計算觀念也很難得到發(fā)展。而在較大的項目情境學習時，學生將不斷地與問題情境產(chǎn)生互動，在已有經(jīng)驗與新問題之間不斷建立關聯(lián)，創(chuàng)設意義，建構(gòu)知識體系。同時，較大的項目式學習將給予學生更充分的實踐時間，更有利于學生的深度學習。

以“2022冬奧會宣傳”這一項目學習為例，教師通過展示一段冬奧會的視頻，創(chuàng)設問題情境：2022年冬奧會即將在我國北京舉行，同學們能不能利用所學的可視化編程軟件，宣傳2022冬奧會。通過這樣一個真實的劣構(gòu)問題，激發(fā)學生展開頭腦風暴。學生圍繞著問題情境，搜索相關資料，開展小組討論，對程序進行全局規(guī)劃設計，提出了關于此問題的相關規(guī)劃構(gòu)思（如圖2）。

教師引導學生在諸多想法中，尋找可操作、可執(zhí)行的設計想法，并將設計想法進行有效的識別歸類、篩選形成可執(zhí)行的設計方案。通過這樣的頭腦風暴，能夠引導學生更好地發(fā)散思維，不斷豐富預設目標，擴充程序內(nèi)容。在學生自行擬定的規(guī)劃框架之上，師生共同探討、篩選出主要任務“線上越野滑雪比賽”，并分析任務，化繁為簡，將這一大任務分解成了三個小任務：吉祥物冰墩墩滑雪;障礙物不斷出現(xiàn);冰墩墩與障礙物。通過明確主要任務，分解任務，引導學生在接下來的項目學習過程中有的放矢。

分析問題，抽象建模

根據(jù)明確的主要任務，教師通過問題分析引導學生將真實問題轉(zhuǎn)化為抽象的編程問題，厘清要素并從中挖掘要素與要素之間的關系，尋找內(nèi)在邏輯。在這一任務中，教師通過任務單的形式，引導學生小組討論，并填寫相應的表格（如表1），將問題從自然語言的表述向積木搭建轉(zhuǎn)化，從而將問題抽象化。例如，任務1學生的自然語言描述為“吉祥物冰墩墩能夠根據(jù)控制上下左右移動”，而“上下左右移動”這一自然語言表述在計算機中是不可識別的，因此教師可引導學生轉(zhuǎn)換為“X/Y坐標的增加與減少”，提煉出關鍵要素，建立初步模型：事件（按鍵）—動作（X/Y坐標變化）。任務2學生的自然語言描述為“障礙物不斷出現(xiàn)”，在編程中如何實現(xiàn)障礙物的反復出現(xiàn)呢？教師通過引導使學生能夠歸納分析出“克隆”這一關鍵詞。任務3學生的自然語言描述為“冰墩墩如果碰到障礙物就抖動減分”。這時教師應注意引導學生將語言轉(zhuǎn)換為“當冰墩墩碰到障礙物時，就抖動并且變量減少”。把減分轉(zhuǎn)換為“變量的減少”，簡化抽象模型：偵測—決策（變量變化，動作變化）。通過這樣的引導轉(zhuǎn)化，從具體向抽象逐步轉(zhuǎn)化，提升了學生分析問題能力以及抽象能力，為后期的編程實踐打下基礎。

探究實踐，算法設計

項目式學習最重要的環(huán)節(jié)是學生的主動探究實踐，程序設計更離不開學生的探究實踐，學生在反復試錯的過程中不斷反思，收獲新知。例如，學生在根據(jù)“線上越野滑雪比賽”分析任務單進行自主編程時，會發(fā)現(xiàn)任務1中對冰墩墩套用“事件（按鍵）—動作（X/Y坐標變化）”模型之后，冰墩墩會移出屏幕且周圍背景無變化。這時，教師根據(jù)學生在實踐過程中遇到的問題，提出相對運動這個知識點，并播放動畫《汽車與小樹》。“當我們坐在汽車上看窗外的小樹時，是不是覺得小樹在移動，但實際上是車在運動，小樹是靜止的。如果我們是站在小樹旁看汽車，這時的汽車是運動的而我們是靜止的，所以運動、靜止是相對的，它們與物體相對于選定的參照物有關。同樣的道理，如果冰墩墩靜止，背景運動了，那么看起來是不是感覺冰墩墩在運動呢？”“那如何將‘事件（按鍵）—動作（Y坐標變化）這一模型套用在背景上呢？”學生根據(jù)教師的不斷提問，不斷深入學習實踐，從而發(fā)現(xiàn)如果把背景的Y坐標進行反方向變化，冰墩墩靜止，這時即可形成冰墩墩正向移動的視覺體驗。這時學生可能又會發(fā)現(xiàn)問題：“背景移動，冰墩墩靜止，雖然讓冰墩墩看上去移動了，但這時靜止的障礙物看上去也一起跟著移動了?！边@時，教師可以引導學生討論解決方案，學生通過思考想到“背景移動，冰墩墩靜止，障礙物移動，而且背景移動速度要與障礙物移動速度相等”的解決方案，并進行算法的設計。通過探究實踐，反復試錯、不斷反思、批判與修訂，從一個個問題的提出到一個個問題的解決，學生在這一過程中提升了解決問題的能力，并能夠感受程序設計“反復與遞增”“測試與調(diào)試”的計算實踐過程。

討論交流，優(yōu)化算法

“條條道路通羅馬”，算法設計更是如此。在項目式編程學習的過程中，教師應該引導學生發(fā)散思維，形成多樣化的解決方案，并通過討論交流優(yōu)化方案。例如，在進行任務3時，學生掌握了“偵測—決策”這一抽象模型，在實際的算法設計時，學生提出了以下幾種可能的算法設計方案：冰墩墩偵測障礙物顏色、冰墩墩偵測障礙物這個角色、障礙物克隆體偵測冰墩墩等。然而在討論交流過程中會發(fā)現(xiàn)，第一種方案由于障礙物存在多種顏色，所以以偵測顏色進行算法設計存在偶然性。第二種方案通過嘗試，可以很好地偵測冰墩墩與障礙物的碰觸，然而變量的計算卻出現(xiàn)了一些問題，原因是冰墩墩與障礙物克隆體出現(xiàn)反復碰觸導致變量不斷增加，所以需要在偵測到克隆體后刪除克隆體，然而在冰墩墩角色腳本當中只能刪除障礙物本身，無法實現(xiàn)克隆體的刪除，因此這一方案也存在漏洞。第三種方案可以實現(xiàn)冰墩墩與障礙物碰觸的偵測，同時也能實現(xiàn)在碰觸后刪除克隆體，變量也能正常變化了。當主要任務完成之后，教師可引導學生通過同伴之間的思維碰撞、交流、互動，激活思維的火花，針對學生提出的多樣化優(yōu)化方案，引導學生對其進行適當?shù)膿駜?yōu)與指導。

評價展示，遷移應用

在完成了主要任務之后，教師引導學生梳理總結(jié)，遷移應用（如下頁表2）。例如，學生學習了“事件（按鍵）—動作（X/Y坐標變化）”這一模型，可以將其應用在“線上冰壺比賽”中，通過“事件—動作”這一模型控制冰壺石的移動，應用“偵測—決策”判斷冰壺石與拱線的碰觸情況等。

同時，教師應給予學生足夠的時間，根據(jù)學生在項目啟動階段所預設的“2022冬奧會宣傳的規(guī)劃框架”，繼續(xù)完善程序，形成最終的成果。在這一過程中，教師要給予學生腳手架，如知識點微課、學習資料，引導學生通過資料查詢、動手實踐、同伴互助、教師個別指導等方式完善程序。

成果的完成并不是終點而是補給站，教師可通過呈現(xiàn)輔助描述手冊以及評價標準，引導學生描述自己的作品，并結(jié)合評價標準對自己以及他人的作品進行評價，如引導學生表達“我的冬奧會宣傳作品包括哪幾個部分”“我的創(chuàng)意點有……”“我在實踐的過程中遇到了什么困難”“我是通過什么方式解決的”“我覺得還有哪些地方可以再進一步完善”等;引導學生評價他人作品，如“我覺得你的作品的優(yōu)點是……”“但我建議你還可以從這些方面進一步改善作品”“我想請教你這一部分是如何完成的”“我覺得你的作品給了我很大的啟發(fā)，我可以在……地方改善我自己的作品”等。引導學生在與他人的交流互動中，不斷改善作品，再利用再創(chuàng)造、遞增與迭代，提升計算觀念，獲得成長。

總之，從知識點教學轉(zhuǎn)向項目式教學，引導學生在大項目中“提出問題—分析問題—探究實踐—討論交流—評價展示”，并在反復迭代的過程中，引導學生主動與他人分享交流，從而培養(yǎng)學生的計算思維。

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本文系福建省教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度立項課題“計算思維三維框架在小學編程教學中的應用探究”（立項批準號：FJJKXB20-561）部分研究成果。