探析學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

王滬林

計(jì)算思維是學(xué)生適應(yīng)21世紀(jì)人工智能時(shí)代的必備思維方式。計(jì)算思維的培養(yǎng)是學(xué)校核心素養(yǎng)落實(shí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的有效途徑之一就是通過程序設(shè)計(jì)組織，而依托Scratch圖形化編程教學(xué)，能體現(xiàn)學(xué)生在信息技術(shù)課堂中解決問題的關(guān)鍵能力。本文在Scratch教學(xué)設(shè)計(jì)過程中融入計(jì)算思維的五要素，旨在幫助學(xué)生提升計(jì)算思維能力。

陶行知說：“活的人才教育，不是灌輸知識(shí)，而是將開發(fā)文化寶庫的鑰匙，盡我們知道的交給學(xué)生。”近年來，隨著信息化的發(fā)展，信息技術(shù)教學(xué)中知識(shí)與技能的傳授已逐步減弱，計(jì)算思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)越來越受到人們的關(guān)注。作為一名從教近20年的小學(xué)信息技術(shù)教師，筆者認(rèn)為，將計(jì)算思維的元素滲透到小學(xué)信息技術(shù)課堂中，特別是Scratch圖形化編程教學(xué)中，是小學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的重要媒介。

一、什么是計(jì)算思維

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科的知識(shí)、規(guī)則來求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。例如，今天家里要來客人吃飯，你該怎么辦？首先你要考慮做什么菜，對(duì)應(yīng)著需要購買什么材料，接著你會(huì)通過手機(jī)等查閱做菜的步驟。然后你會(huì)計(jì)算做菜的時(shí)間，對(duì)菜品制作有個(gè)先后順序的排列。在明確關(guān)鍵細(xì)節(jié)后，你會(huì)開始實(shí)施做菜的各個(gè)環(huán)節(jié)。炒菜過程中出現(xiàn)問題，如太咸了，你會(huì)馬上灑一些水進(jìn)行補(bǔ)救。這時(shí)你知道炒一盤菜大概需要多少鹽比較合適，最后這個(gè)數(shù)據(jù)形成一個(gè)固定數(shù)值。以后再做菜時(shí)，就不容易犯同樣的錯(cuò)誤了。其實(shí)這就是日常生活中用計(jì)算思維去解決問題，在這些描述中就包含了計(jì)算思維的五要素，即分解、抽象、算法、調(diào)試、泛化。

二、計(jì)算思維與Scratch的關(guān)系

小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)有多種途徑，而程序設(shè)計(jì)教學(xué)是非常有效的途徑之一。蘇教版五年級(jí)《信息技術(shù)》引入了Scratch圖形化編程軟件，它是美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的一款非常受學(xué)生喜愛的模塊化編程軟件。圖形化編程軟件不需要輸入復(fù)雜難懂的代碼，而是直接通過模塊化的命令積木塊拼接，實(shí)現(xiàn)程序的快速編寫。它的素材表現(xiàn)力直觀，有自帶的資源庫素材，也可以導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)下載的資源。學(xué)生可以根據(jù)場(chǎng)景選擇喜歡的角色創(chuàng)造交互式故事、動(dòng)畫、游戲等。

Scratch圖形化編程不是簡單地培養(yǎng)學(xué)生編程技巧，而是更注重培養(yǎng)學(xué)生在解決問題時(shí)，綜合運(yùn)用邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等常用的計(jì)算方式和思維能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)程序編寫的過程中需要厘清各個(gè)事件發(fā)生的先后順序，以及它們之間的邏輯關(guān)系，在此基礎(chǔ)上完成各個(gè)模塊的搭建、修改，由此深入淺出地解決問題，從而提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。

三、如何培養(yǎng)計(jì)算思維

以蘇教版五年級(jí)《信息技術(shù)》第9課《賽車游戲》為例。本課通過“問題驅(qū)動(dòng)—分析歸納—腳本搭建—調(diào)試問題—延伸拓展”五個(gè)步驟，引導(dǎo)學(xué)生思考和操作，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決問題的能力。

（一）問題驅(qū)動(dòng)? 激發(fā)興趣

首先播放“無人駕駛的汽車”視頻作為導(dǎo)入，讓學(xué)生了解無人駕駛技術(shù)已經(jīng)由夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。接著詢問學(xué)生無人駕駛技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的？有哪些關(guān)鍵因素？我們能否在Scratch中模擬無人駕駛？通過幾個(gè)問題建立聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)、探究無人駕駛技術(shù)的興趣。

（二）分析歸納? 掌握概念

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)搜索獲知：無人駕駛實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)代替人腦進(jìn)行各種數(shù)據(jù)運(yùn)算;用精準(zhǔn)的傳感器代替人眼識(shí)別路標(biāo)和各種障礙;編寫的自動(dòng)駕駛程序系統(tǒng)處理各種情況下的汽車行駛的狀態(tài)。對(duì)無人駕駛技術(shù)有了一定的了解之后，大家又一起分析能不能在Scratch中模擬無人駕駛。我?guī)е鴮W(xué)生一起分析。首先，信息技術(shù)課堂不缺的就是計(jì)算機(jī);其次，Scratch是計(jì)算機(jī)編程軟件，能夠運(yùn)用偵測(cè)和判斷語句編寫具有自動(dòng)駕駛功能的程序;最后，只需安裝上模擬傳感器應(yīng)該就能實(shí)現(xiàn)無人駕駛。通過這樣的分析，學(xué)生對(duì)原本陌生的無人駕駛技術(shù)有了較詳細(xì)的了解，同時(shí)對(duì)在Scratch中模擬無人駕駛充滿了信心。

（三）腳本搭建? 建立算法

在了解了無人駕駛的原理后，學(xué)生自主添加任務(wù)角色，并在賽車前方分別安裝了兩個(gè)傳感器。然后開始嘗試搭建程序腳本：當(dāng)左側(cè)傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)應(yīng)控制賽車向右轉(zhuǎn)向，當(dāng)右側(cè)傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)控制賽車向左轉(zhuǎn)向。想要讓程序運(yùn)行起來，還需要在事件模塊中找一個(gè)觸發(fā)積木塊，同時(shí)添加重復(fù)模塊，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，看看運(yùn)行效果吧！腳本搭建的過程就是學(xué)生思維提升的過程、算法建立的過程。

（四）調(diào)試問題? 優(yōu)化方案

基本程序腳本搭建完成后，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)賽道轉(zhuǎn)角較大時(shí)會(huì)有沖出賽道的情況。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？引導(dǎo)學(xué)生調(diào)整腳本數(shù)據(jù)后得出：是賽車速度與轉(zhuǎn)角度數(shù)不匹配造成的，可以通過降低車速或增加旋轉(zhuǎn)角度解決。學(xué)生通過這樣的過程訓(xùn)練，形成思維能力，再碰到類似的問題，相信學(xué)生能夠運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)來解決問題。因此，調(diào)試程序腳本就是一個(gè)方案優(yōu)化、完善的過程，也是人的計(jì)算思維提升的過程。

（五）延伸拓展? 建構(gòu)體系

通過賽車游戲的設(shè)計(jì)，學(xué)生清楚了傳感器的重要性，也明白了無人駕駛技術(shù)的關(guān)鍵，更重要的是學(xué)生提升了運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來思考、解決問題的能力。其實(shí)，關(guān)于傳感器的應(yīng)用比比皆是，如空調(diào)里需裝有溫度傳感器，防盜報(bào)警器中有紅外線傳感器，掃地機(jī)器人中有超聲波傳感器，等等。于是我給學(xué)生布置了課后作業(yè)：了解掃地機(jī)器人里安裝了什么傳感器，并在Scratch中模擬掃地機(jī)器人工作。通過課后作業(yè)的練習(xí)，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)泛化、迭代，建構(gòu)知識(shí)與技能體系，促進(jìn)計(jì)算思維能力的形成。

四、計(jì)算思維存在的誤區(qū)

（一）錯(cuò)把計(jì)算思維當(dāng)計(jì)算機(jī)的思維

計(jì)算思維是人像計(jì)算機(jī)一樣思維還是培養(yǎng)人的思維？有的教師之所以有這樣的疑問，歸根結(jié)底是他們對(duì)計(jì)算思維理解不夠。計(jì)算思維是指人們能運(yùn)用計(jì)算機(jī)知識(shí)來思考、規(guī)劃解決問題。歸根結(jié)底，計(jì)算思維是人的思維，是任何人都可以學(xué)習(xí)、掌握的基本技能。這種能力不只屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，也屬于普通人。和人的閱讀、寫作、算術(shù)等能力一樣，它是人類未來分析和解決問題的重要能力。

（二）狹隘地將編程看作計(jì)算思維

至今仍有很多教師認(rèn)為培養(yǎng)計(jì)算思維就是培養(yǎng)學(xué)生的編程能力。這種誤解的根源可以追溯到計(jì)算思維培養(yǎng)的早期。當(dāng)時(shí)，受計(jì)算機(jī)編程熱潮的影響，認(rèn)為學(xué)會(huì)了編程就擁有了計(jì)算思維能力;后來圖形化編程的出現(xiàn)，更加劇了這種偏見。圖形化編程通過較直觀性的模塊堆積，極大地激發(fā)了中小學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣，讓“談編程變色”時(shí)代不復(fù)存在。然而，在生活和學(xué)習(xí)過程中，我們還可以借助各種軟件來解決問題，這些都是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。因此，計(jì)算思維不只是編程，編程思維的全過程只是計(jì)算思維的一個(gè)重要方面。

（三）誤將計(jì)算思維認(rèn)為是少數(shù)學(xué)生的天賦

“計(jì)算思維是少數(shù)高智商學(xué)生才具有的天賦！”這是不少剛接觸計(jì)算思維的教師的誤區(qū)。早期的中小學(xué)信息技術(shù)教材多以技術(shù)傳授為主，在一定程度上忽視了中小學(xué)生的年齡特征和學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生跟著教師示范，機(jī)械、重復(fù)地操作，導(dǎo)致他們產(chǎn)生了厭學(xué)的心理，只有少數(shù)學(xué)生能夠接受這樣的“魔鬼”訓(xùn)練模式。如今的信息技術(shù)課堂更加注重以學(xué)生為中心，通過各種情境、任務(wù)激發(fā)所有學(xué)生的興趣，學(xué)生也樂于運(yùn)用計(jì)算機(jī)來解決各種問題。其實(shí)，這就是學(xué)生計(jì)算思維能力的形成。因此，計(jì)算思維的訓(xùn)練是適合所有學(xué)生的。

五、結(jié)語

計(jì)算思維是人的思維，更是人類適應(yīng)未來社會(huì)的一種必備能力。計(jì)算思維能力的培養(yǎng)和提升可以采取多種形式多種渠道。小學(xué)信息技術(shù)課堂只是其中之一，也可以與語文、數(shù)學(xué)等學(xué)科相結(jié)合，這些都是促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力發(fā)展的有效途徑。事實(shí)上，小學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是一個(gè)漫長的過程，需要所有教育工作者共同努力。只有所有教育工作者都認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維的重要性，不斷提升教學(xué)能力、改進(jìn)教學(xué)策略，才能讓所有學(xué)生的計(jì)算思維能力得到質(zhì)的提升。