小初高一體化學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)策略研究

北京日壇中學(xué) 王玉英 梁 巖 田 宇

在新課標(biāo)的引領(lǐng)下，計(jì)算思維已經(jīng)成為中小學(xué)信息技術(shù)課程的核心教學(xué)內(nèi)容，這也是信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)在價(jià)值的體現(xiàn)。關(guān)于中學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)也應(yīng)成為中小學(xué)信息技術(shù)教師特別關(guān)注的核心問題。但長(zhǎng)期以來，在教學(xué)實(shí)踐中存在重視程序語(yǔ)法教學(xué)，忽視真實(shí)問題分析與解決的現(xiàn)象，這導(dǎo)致學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際問題分析能力的鍛煉，學(xué)習(xí)沒有遷移性，這是阻礙學(xué)生核心素養(yǎng)提升的因素之一。研究團(tuán)隊(duì)基于對(duì)小初高一體化的學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，在三年的教學(xué)實(shí)踐研究基礎(chǔ)上總結(jié)提煉出學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)策略，以期對(duì)小初高各階段學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)起到借鑒作用。

一、核心概念界定

2017 年版《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)計(jì)算思維的界定：計(jì)算思維是指?jìng)€(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)。所謂教學(xué)策略，是以一定的教學(xué)觀念和教學(xué)理論為指導(dǎo)，為完成特定的教學(xué)目標(biāo)或教學(xué)任務(wù)，充分關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)，對(duì)影響教學(xué)的各個(gè)要素進(jìn)行系統(tǒng)化的總體研究，并最終形成可以具體操作的整體化實(shí)施方案（李芒，1999）。

二、小初高一體化培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的策略研究

（一）利用調(diào)查問卷摸清教學(xué)對(duì)象計(jì)算思維基礎(chǔ)

在進(jìn)行每輪教學(xué)實(shí)踐研究之前，我們分小學(xué)中段、小學(xué)高段、初中、高中四個(gè)階段采用問卷調(diào)查的形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行了信息技術(shù)基礎(chǔ)及計(jì)算思維情況調(diào)查。通過分析錯(cuò)誤率發(fā)現(xiàn)小學(xué)生一方面對(duì)于相關(guān)知識(shí)掌握不到位，另一方面沒有真正理解題意，導(dǎo)致后續(xù)采取的解決方法不對(duì)，從而出現(xiàn)方向性錯(cuò)誤。初中生和高中生主要出現(xiàn)的問題是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，沒有形成用計(jì)算機(jī)解決問題的思維方式，導(dǎo)致相關(guān)問題正確率很低。

（二）梳理、提煉組成計(jì)算思維的“五要素”

高中信息技術(shù)新課標(biāo)中對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵進(jìn)行了描述并作了水平劃分，我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐研究的基礎(chǔ)上梳理出計(jì)算思維組成的五要素。要素一，分析問題、界定問題，對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行分解。這是利用計(jì)算機(jī)解決問題的基礎(chǔ)。如果問題比較復(fù)雜還可以根據(jù)功能或作用分解成小問題以便于后續(xù)制定問題解決方案。要素二，提取問題特征，對(duì)問題進(jìn)行抽象處理，并用合理的方式表達(dá)。提取問題的特征，剔除與解決問題無關(guān)的因素，找到解決問題的關(guān)鍵因素，依據(jù)關(guān)鍵因素的特征選擇合理的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)組織和表達(dá)。要素三，根據(jù)抽象的特征，運(yùn)用合理的算法形成問題解決方案。根據(jù)問題抽象的特征，找到問題解決的方案形成合理的算法，進(jìn)而形成問題解決方案。要素四，運(yùn)用一種編程語(yǔ)言或其他數(shù)字化工具進(jìn)行數(shù)據(jù)組織分析處理，實(shí)現(xiàn)問題解決方案。要素五，評(píng)估、反思、優(yōu)化以上過程并遷移到其他問題解決中。通過總結(jié)、反思、評(píng)估以上過程，優(yōu)化解決的方案并遷移到其他問題解決的過程中，這也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和方法的重要體現(xiàn)。

這“五要素”以分析界定問題為起點(diǎn)，形成一個(gè)循環(huán)的關(guān)系，上一個(gè)要素是下一個(gè)要素的基礎(chǔ)，它們共同構(gòu)成了計(jì)算思維。在教學(xué)中依據(jù)這五個(gè)要素進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)有利于計(jì)算思維培養(yǎng)的落實(shí)。

（三）制定并實(shí)施小初高一體化學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)方案

對(duì)此，我們制定了小初高一體化學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)方案，針對(duì)小初高學(xué)生普遍計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)不扎實(shí)、缺乏利用計(jì)算機(jī)解決問題的訓(xùn)練等情況，首先從教學(xué)內(nèi)容入手，提煉相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行編碼并與計(jì)算思維培養(yǎng)“五要素”進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

1.小學(xué)、初中教學(xué)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)與計(jì)算思維“五要素”關(guān)聯(lián)

小學(xué)和初中都以Scratch 模塊化語(yǔ)言為依托，梳理了教學(xué)中涉及到的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)并與計(jì)算思維“五要素”進(jìn)行了對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)。如：認(rèn)識(shí)Scratch編程界面、了解Scratch 的主要功能關(guān)聯(lián)計(jì)算思維要素四；認(rèn)識(shí)命令模塊庫(kù)（運(yùn)動(dòng)、外觀、聲音）、添加/刪除角色、編寫（修改）腳本程序的基本方法關(guān)聯(lián)計(jì)算思維要素一、四、五；增添/切換舞臺(tái)背景/角色造型，關(guān)聯(lián)計(jì)算思維要素一、四、五；數(shù)字運(yùn)算符，關(guān)聯(lián)計(jì)算思維要素二、三；選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、循環(huán)嵌套關(guān)聯(lián)計(jì)算思維要素一、三、四；程序控制結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)用關(guān)系計(jì)算思維要素一至五等。

2.高中教學(xué)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)與計(jì)算思維“五要素”關(guān)聯(lián)

高中以人教出版社《信息技術(shù)》必修一、必修二為教材，以Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為依托，統(tǒng)一對(duì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了梳理并于計(jì)算思維“五要素”進(jìn)行關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)編碼關(guān)聯(lián)計(jì)算思維要素四；數(shù)據(jù)類型關(guān)聯(lián)要素三、四；函數(shù)關(guān)系要素三、四；經(jīng)典算法關(guān)聯(lián)要素一至五；主題學(xué)習(xí)及項(xiàng)目制作關(guān)聯(lián)要素一至五等。

在知識(shí)點(diǎn)梳理并與計(jì)算思維要素相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，我們利用面向課堂教學(xué)、校本選修課、課外活動(dòng)等多種課堂形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行了計(jì)算思維培養(yǎng)。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、游戲化學(xué)習(xí)以及任務(wù)驅(qū)動(dòng)式學(xué)習(xí)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了效果總結(jié)，形成了完整的小初高一體化計(jì)算思維培養(yǎng)體系。

（四）提煉小初高一體化計(jì)算思維培養(yǎng)策略

依據(jù)計(jì)算思維“五要素”，我們進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐探索，通過引導(dǎo)學(xué)生從分析、界定、分解問題入手，將實(shí)際問題根據(jù)不同的教學(xué)語(yǔ)言進(jìn)行抽象表達(dá)，再選擇合適的算法、形成解決方案，以達(dá)到問題解決和反思優(yōu)化的目的。經(jīng)過幾輪的教學(xué)實(shí)踐提煉出以下教學(xué)策略：

1.重視問題界定與分析、抽象表達(dá)的策略

對(duì)學(xué)生抽象能力的培養(yǎng)對(duì)于提升計(jì)算思維有至關(guān)重要的作用。抽象是有層次的，具體的哪些問題抽象到什么層次與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的實(shí)際要求以及學(xué)生的思維水平緊密相關(guān)，要準(zhǔn)確把握，同時(shí)要注意對(duì)問題的抽象一定要有利于用這種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2.整體化、單元化教學(xué)設(shè)計(jì)策略

計(jì)算思維是用計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法來解決問題，而計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法是前后聯(lián)系相互貫通的，所以要重視知識(shí)的前后聯(lián)系，引領(lǐng)學(xué)生形成知識(shí)網(wǎng)，從而發(fā)展計(jì)算思維。梳理教學(xué)知識(shí)點(diǎn)并進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，利用單元式、主題式教學(xué)將這些知識(shí)點(diǎn)有機(jī)串聯(lián)起來，課時(shí)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)才有可能達(dá)到有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)期目標(biāo)。

3.依據(jù)計(jì)算思維“五要素”重構(gòu)教學(xué)流程策略

在教學(xué)中，我們將教學(xué)流程調(diào)整為先出示基于真實(shí)情境的問題，然后引領(lǐng)學(xué)生分析、界定問題，明確要解決的問題，如果問題比較復(fù)雜再將問題分解成數(shù)個(gè)小問題，接下來找到這些問題的關(guān)鍵要素進(jìn)行抽象化表達(dá)，然后選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而設(shè)計(jì)合適的算法形成解決方案，再利用Scratch 或Python 編寫程序?qū)崿F(xiàn)問題解決，最后給學(xué)生留出擴(kuò)展的空間進(jìn)行知識(shí)的遷移，這就是計(jì)算思維解決問題的過程。

4.依據(jù)小初高不同階段學(xué)生的特點(diǎn)實(shí)施不同的教學(xué)活動(dòng)的策略

小學(xué)階段，教師將知識(shí)點(diǎn)或者算法滲透到各個(gè)實(shí)例中，從而由一個(gè)問題層層遞進(jìn)逐步突破，在問題求解過程中不斷學(xué)習(xí)掌握新知的基礎(chǔ)上進(jìn)行自主探索創(chuàng)作；初中階段，著重基于生活實(shí)際情境化教學(xué)策略的課堂教學(xué)活動(dòng)，通過符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的情境化教學(xué)策略來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，幫助學(xué)生不斷提高對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)知度，重新構(gòu)建思維模式，運(yùn)用創(chuàng)新的方法來解決各種實(shí)際問題；高中階段，在教學(xué)整體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，圍繞知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)一系列符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的項(xiàng)目，將計(jì)算思維“五要素”有機(jī)融合到項(xiàng)目的實(shí)施過程中，將計(jì)算思維形成的過程作為項(xiàng)目學(xué)習(xí)與實(shí)施的內(nèi)在線索，引導(dǎo)學(xué)生反復(fù)親歷計(jì)算思維的全過程，學(xué)生在此過程中獲得數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的技能，發(fā)展計(jì)算思維的同時(shí)也提高了信息意識(shí)進(jìn)而增加信息社會(huì)責(zé)任。

三、小初高一體化培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的效果及反思

經(jīng)過三年的教學(xué)實(shí)踐，本研究取得了一些成效，學(xué)生更加趨向于從界定問題、分析問題出發(fā)，遵從計(jì)算思維“五要素”的路線完成問題解決和創(chuàng)意制作。越來越多的學(xué)生電子創(chuàng)意作品獲得各級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，這些作品體現(xiàn)了學(xué)生利用計(jì)算思維解決實(shí)際問題的過程和成果。在教學(xué)過程中學(xué)生主動(dòng)探究問題不同的解決方案，形成了濃濃的研究學(xué)習(xí)的氛圍。我校組織學(xué)生連續(xù)三年參與“百博思計(jì)算思維主題活動(dòng)”，滿分率越來越高，80 分（滿分100 分）以上的同學(xué)占比越來越大。

總之，學(xué)生計(jì)算思維核心素養(yǎng)不能自然形成，教師要依據(jù)不同年齡段學(xué)生特點(diǎn)堅(jiān)持不懈反復(fù)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷用計(jì)算機(jī)科學(xué)解決實(shí)際問題的過程，提升他們的計(jì)算思維，從而增強(qiáng)在信息社會(huì)生活的從容感和責(zé)任感。