利用流程圖促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的研究

王晴燕　陸志海

計(jì)算思維作為以識(shí)別問(wèn)題、統(tǒng)籌考量問(wèn)題、尋找最佳途徑最終解決問(wèn)題為導(dǎo)向的思維，被列為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。已有計(jì)算思維研究主要集中在計(jì)算思維概念的闡述與內(nèi)涵分析、編程教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)的必要性和可行性闡述、中小學(xué)編程教學(xué)中計(jì)算思維的培養(yǎng)策略上，而針對(duì)使用某一種具體的策略或方法作為自變量來(lái)檢驗(yàn)計(jì)算思維的發(fā)展，以及如何發(fā)展的研究鮮有涉及。因此，筆者結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐，在已有研究基礎(chǔ)上，嘗試?yán)门囵B(yǎng)計(jì)算思維發(fā)展的策略之一——流程圖法來(lái)探明小學(xué)信息技術(shù)算法與程序設(shè)計(jì)單元教學(xué)中計(jì)算思維是否在這一策略的應(yīng)用中真正得到發(fā)展，以及它的發(fā)展規(guī)律。

● 研究背景

1.關(guān)于流程圖

流程圖，也叫框圖，是由圖形、線條和簡(jiǎn)單說(shuō)明文字組成的，用以描述算法的一種圖形。為了方便交流與應(yīng)用，一般采用一些常用的流程圖符號(hào)表示特定的意義，如圓角矩形是程序的起止框;矩形是處理框，菱形框是判斷框;平行四邊形是輸入輸出框。用流程圖表示算法，可以將程序執(zhí)行的步驟和各步驟間的邏輯關(guān)系清晰且直觀地展現(xiàn)在編程者面前，方便編程。

小學(xué)階段的程序設(shè)計(jì)教學(xué)是學(xué)生第一次接觸計(jì)算機(jī)編程，即便流程圖已經(jīng)足夠簡(jiǎn)便，但對(duì)第一次接觸計(jì)算機(jī)編程類學(xué)習(xí)的小學(xué)生來(lái)說(shuō)，還是顯得偏向規(guī)范類、說(shuō)明類，容易使學(xué)生興趣丟失。因此，筆者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的流程圖進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即通用一種圓角矩形代指所有特定意義，短線箭頭標(biāo)示程序走向。

2.計(jì)算思維的評(píng)價(jià)

計(jì)算思維是否得到發(fā)展，歸根結(jié)底需要有一個(gè)評(píng)價(jià)體系來(lái)進(jìn)行判斷。近年來(lái)，雖然針對(duì)計(jì)算思維的評(píng)價(jià)并沒(méi)有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者和一線教育工作者也都在致力于不斷完善計(jì)算思維的評(píng)價(jià)體系，創(chuàng)建評(píng)價(jià)工具。評(píng)價(jià)依據(jù)有相對(duì)統(tǒng)一的出發(fā)點(diǎn)，即周以真教授對(duì)計(jì)算思維的定義表述，據(jù)此，國(guó)外學(xué)者Alexander Repenning注重就計(jì)算思維與解決問(wèn)題的密切聯(lián)系，將計(jì)算思維滲透到三個(gè)問(wèn)題解決的發(fā)展過(guò)程中，這三個(gè)問(wèn)題分別是最初遇到問(wèn)題時(shí)的問(wèn)題描述、問(wèn)題解決方案的表達(dá)、解決方案的實(shí)施與評(píng)估。有研究者進(jìn)一步細(xì)化以上三個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，融入問(wèn)題解決步驟中的九大核心要素，將問(wèn)題的描述分為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá);問(wèn)題解決方案的表達(dá)細(xì)分為問(wèn)題的分解，問(wèn)題抽象、算法與程序、自動(dòng)化;解決方案的實(shí)施與評(píng)估則分為仿真和并行化兩個(gè)二級(jí)指標(biāo)，同時(shí)，該研究者依據(jù)這些評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了計(jì)算思維培養(yǎng)效果調(diào)查問(wèn)卷。在本研究中，筆者借鑒前人研究成果，并根據(jù)本研究中學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)和使用的流程圖策略，針對(duì)性修改該份效果調(diào)查問(wèn)卷，然后用來(lái)對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行量化測(cè)評(píng)。

3.教學(xué)實(shí)踐

筆者所在學(xué)校每個(gè)年級(jí)有八個(gè)平行班，學(xué)生們?cè)谖迥昙?jí)開(kāi)始接觸編程類課程，經(jīng)過(guò)一學(xué)年的沉淀和比較后，筆者選擇了六年級(jí)的兩個(gè)平行班級(jí)為本研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中一個(gè)班級(jí)使用流程圖策略進(jìn)行教學(xué)，成為實(shí)驗(yàn)班，另一個(gè)班級(jí)不使用流程圖策略，成為對(duì)照班。這兩個(gè)班級(jí)總?cè)藬?shù)均為37人，其中實(shí)驗(yàn)班女生18人，男生19人，對(duì)照班女生15人，男生22人，兩個(gè)班級(jí)的男女性別比例基本均衡，學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)能力相差不多，有一定的基礎(chǔ)操作知識(shí)，會(huì)簡(jiǎn)單的編程。

在研究實(shí)驗(yàn)中，就相同的教學(xué)主題“砸金蛋”設(shè)計(jì)4課時(shí)，持續(xù)一個(gè)月，對(duì)兩個(gè)班級(jí)分別實(shí)施不同的教學(xué)策略，即實(shí)驗(yàn)班在第一課時(shí)便明確使用流程圖，對(duì)照班不使用流程圖進(jìn)行教學(xué)。經(jīng)過(guò)一個(gè)主題單元教學(xué)之后，對(duì)兩班學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，每班發(fā)放37份問(wèn)卷，有效回收率100%，將問(wèn)卷問(wèn)題進(jìn)行分類、賦分、編碼，利用Excel分析數(shù)據(jù)。

● 研究結(jié)果與分析

總結(jié)計(jì)算思維的權(quán)威定義和內(nèi)涵解讀可知，計(jì)算思維不是只屬于某一部分人的思維能力，而是每個(gè)人都需要擁有的求解問(wèn)題的基本思維能力。本研究提取問(wèn)題求解中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，即發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的問(wèn)題描述—給出問(wèn)題解決的方案—執(zhí)行并評(píng)估方案，再?gòu)倪@三個(gè)歷程中具化出計(jì)算思維的九個(gè)核心要素，每個(gè)要素對(duì)應(yīng)一條陳述編制到問(wèn)卷中。參照李克特量表的賦分方法，每條陳述分別有“非常同意”記5分、“基本同意”記4分、“不確定”記3分、“基本不同意”記2分、“非常不同意”記1分五種回答。學(xué)生通過(guò)問(wèn)卷反饋答案，筆者統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)并試圖透過(guò)分?jǐn)?shù)解讀計(jì)算思維能力在兩個(gè)班級(jí)中反映出的走向變化。

1.問(wèn)題描述階段：流程圖幫助梳理信息，明確問(wèn)題

在以問(wèn)題的徹底處理和解決為導(dǎo)向的一系列活動(dòng)中，首先經(jīng)歷的便是描述這個(gè)問(wèn)題，即明確遇到的是什么問(wèn)題，是否能夠應(yīng)用已有知識(shí)進(jìn)行解決，清楚“已知條件”，排除干擾，明晰需求解的“未知項(xiàng)”，對(duì)應(yīng)計(jì)算思維的數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表示三個(gè)要素。由圖1可知，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的數(shù)據(jù)收集能力、數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)表示能力都得到一定程度的提升，特別是數(shù)據(jù)表示能力提升了將近20%，其對(duì)應(yīng)的題目為“我總能把語(yǔ)言描述的步驟轉(zhuǎn)化成流程圖”，這也真實(shí)反映出本研究中采用的流程圖策略取得了實(shí)效。

2.解決方案表達(dá)階段：流程圖促成逐步分解，歸納總結(jié)方案

在問(wèn)題描述清晰后，求解問(wèn)題需要面臨的便是拿出解決方案，回應(yīng)的是“你準(zhǔn)備怎么做”這樣的疑慮，這一階段滲透的計(jì)算思維核心要素包括問(wèn)題分解、抽象、算法與程序、自動(dòng)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，每一個(gè)計(jì)算思維的核心要素都有不同程度的提升，特別是問(wèn)題分解能力，經(jīng)過(guò)流程圖思想的貫徹，學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)，會(huì)先將大的問(wèn)題分解成一個(gè)個(gè)小的問(wèn)題。例如，學(xué)生會(huì)將“砸金蛋”這個(gè)大的問(wèn)題，逐步分解成設(shè)置背景、添加角色、編寫(xiě)腳本，又將設(shè)置背景細(xì)化為兩個(gè)背景——一個(gè)是游戲歡迎界面，另一個(gè)是游戲進(jìn)行中的背景，依次分解，直至問(wèn)題解決。在抽象思維層面，實(shí)驗(yàn)班比對(duì)照班能更快地將程序中的流程圖在腦海中轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的腳本語(yǔ)句，如金蛋被砸碎，抽象成“將造型切換為‘破碎’”。而算法與程序這一核心要素，主要指能夠歸納總結(jié)方式方法，并最終形成問(wèn)題解決方法的能力。筆者在所簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的流程圖中，將整個(gè)程序中所涉及的背景和每個(gè)角色列為對(duì)象，從背景到角色依次排開(kāi)，一個(gè)對(duì)象一條流程，這樣的方式有利于學(xué)生對(duì)比不同流程中的相同腳本，從而總結(jié)出解決某個(gè)問(wèn)題所要使用的腳本，使算法與程序能力得到鍛煉與提升。另外，由于流程圖將思維可視化、留痕化，學(xué)生每走一步都不自覺(jué)地想要對(duì)照流程圖看有沒(méi)有實(shí)現(xiàn)效果，邊寫(xiě)程序邊測(cè)試效果，重復(fù)驗(yàn)證腳本，最終促使自動(dòng)化能力的提升。

3.方案的執(zhí)行與評(píng)估：模型化解決方法，多任務(wù)執(zhí)行方案

問(wèn)題解決最終走向方案的執(zhí)行和評(píng)估，而這一層面所涉及的計(jì)算思維核心要素包括仿真與并行化兩方面。其中，仿真可通俗地理解為能夠效仿范例，并能夠在理解的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新;并行化即學(xué)習(xí)者能像計(jì)算機(jī)一樣可同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)。由圖2可以看出，在仿真方面，學(xué)生沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的差異，也就是說(shuō)流程圖策略基本不會(huì)影響到學(xué)生是否會(huì)“在掌握老師給定的程序示例的基礎(chǔ)上，建構(gòu)模型，利用自己的知識(shí)體系再修改發(fā)揮”。另外，流程圖策略對(duì)并行化層面的影響明顯更大，實(shí)驗(yàn)班比對(duì)照班的并行化能力提升了近31%，這同樣要?dú)w功于流程圖的可視化和留痕化，流程圖清晰地將待處理的任務(wù)展示在學(xué)習(xí)者面前，并且各個(gè)任務(wù)和知識(shí)之間并不是孤立的、分散的，而是通過(guò)流程圖相互聯(lián)系起來(lái)。例如，在《砸金蛋》單元的學(xué)習(xí)中，程序開(kāi)始時(shí)金蛋和錘子以及獎(jiǎng)品是隱藏的，到切換游戲狀態(tài)時(shí)才會(huì)顯示，在流程圖的提醒下，學(xué)生能夠?qū)⑦@三個(gè)角色的隱藏與顯示并行化處理，而不是孤立地做完金蛋的腳本，再去做錘子或獎(jiǎng)品的腳本。

● 結(jié)語(yǔ)

在本研究中，筆者依托前人研究經(jīng)驗(yàn)，基于計(jì)算思維的權(quán)威定義，解構(gòu)計(jì)算思維為九大核心要素，對(duì)其進(jìn)行了更深更細(xì)致的探索。利用兩個(gè)學(xué)習(xí)水平相近的平行班級(jí)進(jìn)行使用流程圖策略和不使用流程圖策略的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)得出的主要研究結(jié)論有：首先，在問(wèn)題描述階段，流程圖有效促進(jìn)計(jì)算思維核心要素中數(shù)據(jù)收集、分析和表達(dá)能力的提升;其次，解決方案的形成過(guò)程中所滲透的計(jì)算思維也得到全面提高，其中又以問(wèn)題的分解層面表現(xiàn)更為突出;最后，在方案的執(zhí)行與評(píng)估中，雖然對(duì)計(jì)算思維的仿真要素影響不多，但越來(lái)越多的學(xué)生習(xí)慣于像計(jì)算機(jī)一樣可以多任務(wù)并行處理，并行化能力得到鍛煉。但不可否認(rèn)的是，本研究中實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容只選取了一個(gè)教學(xué)單元，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間也較短，研究結(jié)論的普適性還有待進(jìn)一步提高。