學(xué)科融合視角下初中計(jì)算思維專題教學(xué)研究

劉慶歡

近年來(lái)，世界各國(guó)都非常重視對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。在教育部頒布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，計(jì)算思維被列為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。計(jì)算思維最早由周以真提出。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)。2013年，南安普敦大學(xué)的塞爾比和伍拉德在ISTE&CSTA操作定義的基礎(chǔ)上，基于計(jì)算思維的概念提煉出五大思維活動(dòng)：抽象、分解、算法思維、評(píng)估、歸納。筆者參考?xì)W盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心2016年發(fā)布的《在義務(wù)教育階段發(fā)展計(jì)算思維研究報(bào)告》以及一些學(xué)者或研究機(jī)構(gòu)的研究成果，將核心思維活動(dòng)分為分解、模式識(shí)別、抽象、算法思維、評(píng)估和歸納6步。下面，筆者結(jié)合課例“智能時(shí)鐘”，從學(xué)科融合視角設(shè)計(jì)初中計(jì)算思維專題教學(xué)的內(nèi)容和模式，介紹教學(xué)實(shí)施步驟和方法，探索新的教學(xué)途徑。

一、基于計(jì)算思維的教學(xué)模型

計(jì)算思維教育被理解為運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行問(wèn)題求解的過(guò)程，它所關(guān)注的不是簡(jiǎn)單的知識(shí)學(xué)習(xí)和技能操練，而是讓學(xué)生通過(guò)獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、訓(xùn)練技能、實(shí)踐應(yīng)用的過(guò)程，內(nèi)化為自己的思維并增長(zhǎng)智慧^[1]。筆者基于計(jì)算思維的教學(xué)理念，設(shè)計(jì)了與之相對(duì)應(yīng)的問(wèn)題求解活動(dòng)，使計(jì)算思維從內(nèi)涵形式轉(zhuǎn)化為可操作、可評(píng)價(jià)的課堂教學(xué)行為。以計(jì)算思維的六大核心思維活動(dòng)為“橋梁”，筆者構(gòu)建了計(jì)算思維教學(xué)模型（如圖1）。

此模型主要包括以下三個(gè)層次的要素：①一個(gè)核心概念，即計(jì)算思維，也是模型的核心、出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。②六大核心思維活動(dòng)，即分解、模式識(shí)別、抽象、算法思維、評(píng)估、歸納。以此對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行顯化，既詮釋了計(jì)算思維內(nèi)涵，表征了計(jì)算思維特點(diǎn)，又易于學(xué)生理解和掌握，還有利于教師基于這些思維活動(dòng)設(shè)計(jì)具體的問(wèn)題求解活動(dòng)，進(jìn)行教學(xué)探索。③六步問(wèn)題求解過(guò)程：首先，教師將復(fù)雜的問(wèn)題分解成一系列小而易于管理的問(wèn)題（分解）;其次，對(duì)這些小問(wèn)題進(jìn)行單獨(dú)觀察，考慮以前是否解決過(guò)類似問(wèn)題（模式識(shí)別）;再次，分別研究這些小問(wèn)題，忽略不相關(guān)的細(xì)節(jié)，僅關(guān)注其重要特征（抽象）;接著，設(shè)計(jì)解決每個(gè)小問(wèn)題的簡(jiǎn)單步驟或規(guī)則，形成解決問(wèn)題的一組可執(zhí)行的指令（算法思維）;然后，對(duì)形成的問(wèn)題解決方案進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)化方案并執(zhí)行（評(píng)估）^[2];最后，將具有共性的問(wèn)題、過(guò)程、方法、數(shù)據(jù)等歸納為一種具有相似性的模型，并將此法遷移用于解決其他問(wèn)題（歸納）。

此模型還實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)層次的循環(huán)：“核心思維活動(dòng)”循環(huán)和“問(wèn)題求解”循環(huán)。

二、專題教學(xué)設(shè)計(jì)

計(jì)算思維是高中信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，義務(wù)教育階段雖然還未提出，但是教師對(duì)此非常認(rèn)可，常以此指導(dǎo)教學(xué)。目前，教材還沒(méi)有改版，計(jì)算思維培養(yǎng)始終貫穿于教學(xué)中，其中與之最為密切的內(nèi)容是程序設(shè)計(jì)。然而，程序設(shè)計(jì)的教學(xué)側(cè)重學(xué)生學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言、算法和相關(guān)知識(shí)，且只是計(jì)算思維中的一環(huán)（核心思維活動(dòng)），在培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的計(jì)算思維方面有所欠缺。為提高學(xué)生能力，教師需要對(duì)現(xiàn)行教材進(jìn)行統(tǒng)整和豐富，以項(xiàng)目為單位開展教學(xué)。初中計(jì)算思維專題教學(xué)就是在此背景下產(chǎn)生的。

筆者所指的學(xué)科融合是以主導(dǎo)學(xué)科（要學(xué)習(xí)的學(xué)科）為統(tǒng)領(lǐng)的、多學(xué)科參與的融合教育，未打破學(xué)科界限，也非簡(jiǎn)單意義上的跨學(xué)科教育。這樣融合有利于為主導(dǎo)學(xué)科提供解決問(wèn)題的情境、資源、方法和手段，有效地解決問(wèn)題，更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，并在問(wèn)題解決的過(guò)程中全面培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。雖然是多學(xué)科的參與和融入，但是學(xué)科之間還是有主次之分的，更多地體現(xiàn)主導(dǎo)學(xué)科的個(gè)性和特質(zhì)，即主導(dǎo)學(xué)科是認(rèn)知的主要對(duì)象和目標(biāo)，其他學(xué)科充當(dāng)輔助和支持的角色。這樣，學(xué)生能更好地學(xué)習(xí)主導(dǎo)學(xué)科知識(shí)，豐富學(xué)習(xí)資源，拓寬認(rèn)知視野，鞏固和深化對(duì)被融合學(xué)科的認(rèn)識(shí)和理解。

（一）教學(xué)內(nèi)容選擇

筆者將計(jì)算思維作為一個(gè)專題單獨(dú)教學(xué)，選用網(wǎng)易有道卡搭（圖形化編程平臺(tái)）作為編程平臺(tái)，并應(yīng)用教學(xué)模型，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選擇與設(shè)計(jì)。教學(xué)內(nèi)容要求：首先，要符合初中生的認(rèn)知特點(diǎn)，貼近他們的學(xué)習(xí)和生活;其次，要能與其他學(xué)科相融合，可以設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)相關(guān)的趣味小游戲或與生活相關(guān)的小程序;第三，所選內(nèi)容要易于外顯和分享，且能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生獲得成就感。

該專題安排在七年級(jí)下學(xué)期，分6個(gè)項(xiàng)目（3課時(shí)/項(xiàng)目）教學(xué)（見表1）。為引導(dǎo)和幫助學(xué)生，筆者針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)單，包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、情境引入、作品效果、任務(wù)分析、程序流程圖、知識(shí)加油站、小試牛刀、挑戰(zhàn)自我、知書達(dá)理、自我評(píng)價(jià)10個(gè)模塊。

（二）初中計(jì)算思維專題教學(xué)模式

筆者借鑒經(jīng)典思維教學(xué)程序研究成果，基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)、認(rèn)知發(fā)展、自主學(xué)習(xí)等理論，綜合了計(jì)算思維的思維活動(dòng)研究、教學(xué)實(shí)踐成果和教學(xué)內(nèi)容的要求，設(shè)計(jì)了基于核心思維活動(dòng)的初中計(jì)算思維專題教學(xué)模式（如圖2）。

第一層，計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)層。計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)是教學(xué)的基礎(chǔ)。計(jì)算思維是建立在計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念之上的，是基于此而進(jìn)行的求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、理解人類行為和自動(dòng)化處理解決方案的思維活動(dòng)。初中階段的計(jì)算思維培養(yǎng)仍處于基礎(chǔ)階段，選擇什么樣的計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平?jīng)Q定。

第二層，學(xué)科融合層。筆者以學(xué)生所學(xué)其他學(xué)科內(nèi)容為基礎(chǔ)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，將所要傳授的知識(shí)、技術(shù)和方法包裹在問(wèn)題之中。學(xué)生經(jīng)歷解決問(wèn)題的過(guò)程，既訓(xùn)練了計(jì)算思維，掌握了新知識(shí)，又鞏固了舊知識(shí)。筆者將計(jì)算思維培養(yǎng)貫穿于問(wèn)題求解之中，設(shè)計(jì)的問(wèn)題貼近學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活。學(xué)科融合是教師設(shè)計(jì)計(jì)算思維問(wèn)題的有效路徑。

第三層，計(jì)算思維核心思維活動(dòng)層。筆者組織核心思維活動(dòng)，使隱性的計(jì)算思維變?yōu)轱@性的教學(xué)行為。以核心思維活動(dòng)為指導(dǎo)，應(yīng)用計(jì)算思維解決問(wèn)題的一般過(guò)程如下：①將復(fù)雜的問(wèn)題分解成一系列小而易于管理的問(wèn)題（分解） ;②對(duì)這些小問(wèn)題進(jìn)行單獨(dú)觀察和分析，考慮以前是否解決過(guò)類似的問(wèn)題（模式識(shí)別）;③分別研究這些小問(wèn)題，忽略不相關(guān)的細(xì)節(jié)，僅關(guān)注其重要特征（抽象）;④設(shè)計(jì)解決每個(gè)小問(wèn)題的簡(jiǎn)單步驟或規(guī)則（算法思維），形成解決問(wèn)題的一組可執(zhí)行指令;⑤對(duì)形成的問(wèn)題解決方案進(jìn)行評(píng)估（評(píng)估），優(yōu)化方案并執(zhí)行;⑥將具有共性的問(wèn)題、過(guò)程、方法、數(shù)據(jù)等歸納為具有相似性的模型（歸納），并將此法遷移用于解決其他問(wèn)題。

第四層，教學(xué)環(huán)節(jié)層。筆者將計(jì)算思維的核心思維活動(dòng)按照問(wèn)題解決的一般步驟轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的教學(xué)環(huán)節(jié)。從教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，評(píng)估對(duì)初中生來(lái)說(shuō)有一定的難度。在教學(xué)中，教師如果完全按照“使用計(jì)算思維解決問(wèn)題的一般步驟”組織教學(xué)，會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在繪制流程圖后，基本無(wú)法對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估，而直接進(jìn)入執(zhí)行解決問(wèn)題方案的環(huán)節(jié)。筆者讓學(xué)生進(jìn)行方案調(diào)試時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)指令不夠優(yōu)化，以此觸發(fā)他們?nèi)ネ晟扑惴ㄖ噶睿鞒虉D），其實(shí)這一過(guò)程就是在實(shí)踐的前提下進(jìn)行評(píng)估。隨著生活閱歷和解決問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，漸漸地學(xué)生會(huì)在調(diào)試之前進(jìn)行評(píng)估。另外，教師在“迭代測(cè)試，優(yōu)化方案”環(huán)節(jié)還可以給出建議，幫助學(xué)生評(píng)估所設(shè)計(jì)的算法指令。

第五層，教師活動(dòng)。課堂上教與學(xué)的活動(dòng)，是教師組織課堂教學(xué)手段和策略的具體體現(xiàn)。教師作為情境的創(chuàng)設(shè)者、問(wèn)題的設(shè)計(jì)者、問(wèn)題分析的組織者、問(wèn)題解決的指導(dǎo)者與幫助者，應(yīng)根據(jù)核心思維活動(dòng)發(fā)生的順序，引導(dǎo)學(xué)生思考、分析、解決問(wèn)題并建構(gòu)知識(shí)。

第六層，學(xué)生活動(dòng)。學(xué)生活動(dòng)是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的一系列問(wèn)題求解學(xué)習(xí)活動(dòng)。學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題情境中學(xué)習(xí)，界定問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，逐步掌握解決問(wèn)題的方法，并能將獲取的方法遷移用于解決其他問(wèn)題，進(jìn)而提高計(jì)算思維能力。

三、案例分析

“智能時(shí)鐘”是與數(shù)學(xué)學(xué)科融合的一課。在時(shí)、分、秒的數(shù)量關(guān)系的基礎(chǔ)上，筆者引導(dǎo)學(xué)生觀察并標(biāo)出時(shí)針、分針、秒針每秒鐘旋轉(zhuǎn)的度數(shù)，進(jìn)而完成制作智能時(shí)鐘的任務(wù)。本節(jié)課的教學(xué)是建立在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之上的，核心是數(shù)學(xué)知識(shí)的運(yùn)用和表達(dá)，而整個(gè)過(guò)程訓(xùn)練的是學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行問(wèn)題求解的能力。

筆者創(chuàng)設(shè)“時(shí)間飛逝”的情境，提出“如何感受時(shí)間的存在”的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生研發(fā)電子時(shí)鐘?！爸悄軙r(shí)鐘”的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分兩步完成：第一步，學(xué)生用圖形化編程中的重復(fù)執(zhí)行、向右旋轉(zhuǎn)、等待1秒等指令，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)功能（第1課時(shí)）;第二步，用圖形化編程中的重復(fù)執(zhí)行、面向……方向、目前的（時(shí)、分、秒、日期……）、運(yùn)算符等指令，實(shí)現(xiàn)智能顯示計(jì)算機(jī)中的時(shí)間、日期、午別、周幾等信息（第2課時(shí)）。教學(xué)案例框架如下（如圖3）。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，分解問(wèn)題（分解）

學(xué)生根據(jù)筆者創(chuàng)設(shè)的“時(shí)間飛逝”情境，明確制作智能時(shí)鐘的問(wèn)題，并將問(wèn)題分解為時(shí)針、分針、秒針（以下簡(jiǎn)稱“三針”）在表盤上有規(guī)律旋轉(zhuǎn)這樣一組小問(wèn)題。

（二）討論交流，識(shí)別問(wèn)題（模式識(shí)別）

學(xué)生以小組為單位，借助實(shí)物時(shí)鐘，分別觀察“三針”的運(yùn)動(dòng)情況，弄清它們之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，然后聯(lián)想過(guò)往是否解決過(guò)類似的問(wèn)題。

（三）抽象特征，組織數(shù)據(jù)（抽象）

筆者引導(dǎo)學(xué)生糾正一些錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，忽略時(shí)、分、秒之間的數(shù)量關(guān)系，僅關(guān)注“三針”每秒鐘旋轉(zhuǎn)的角度，并計(jì)算或標(biāo)出各針旋轉(zhuǎn)的角度。

（四）顯現(xiàn)思維，設(shè)計(jì)方案（算法思維）

筆者對(duì)問(wèn)題進(jìn)行梳理：每秒鐘“三針”都在獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)，只是旋轉(zhuǎn)的角度不同，此時(shí)先忽略時(shí)、分、秒之間的數(shù)量關(guān)系。在上述基礎(chǔ)上，學(xué)生以組為單位繪制“三針”的程序流程圖。

（五）迭代測(cè)試，優(yōu)化方案（評(píng)估）

筆者介紹本節(jié)課圖形化編程所需要用到的一些新指令，如運(yùn)算符、新建變量、偵測(cè)計(jì)算機(jī)中的時(shí)間等，然后讓學(xué)生進(jìn)行方案的測(cè)試和優(yōu)化。筆者根據(jù)各組情況，適時(shí)給出優(yōu)化提示和指導(dǎo)。

（六）歸納遷移，分享評(píng)價(jià)（歸納）

筆者引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)簡(jiǎn)單電子時(shí)鐘開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而完成智能顯示時(shí)鐘的創(chuàng)作，讓學(xué)生分享智能時(shí)鐘的設(shè)計(jì)理念、方案，評(píng)價(jià)時(shí)鐘性能。

計(jì)算思維作為人工智能時(shí)代的重要能力和基礎(chǔ)思維，其重要性日益凸顯，也是各國(guó)重視的原因所在。經(jīng)合組織（OECD）指出，計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算思維可以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用解決問(wèn)題、創(chuàng)造和協(xié)作的能力，并將測(cè)試計(jì)算思維的問(wèn)題納入2021年國(guó)際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目（PISA）數(shù)學(xué)評(píng)估之中，以此評(píng)估學(xué)生邏輯或解決問(wèn)題的能力。

筆者基于計(jì)算思維的教學(xué)理念開展學(xué)科融合教學(xué)，建立了計(jì)算思維內(nèi)涵與問(wèn)題求解活動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系，在一定程度上豐富了計(jì)算思維培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)，為中小學(xué)開展計(jì)算思維教育提供參考。但由于研究能力有限，筆者尚不能提供相關(guān)數(shù)據(jù)證明上述模式的有效性。后續(xù)，筆者將借助科爾馬茲等人的計(jì)算思維量表和“北京大學(xué)計(jì)算思維測(cè)評(píng)”系統(tǒng)開展實(shí)證研究，獲取并分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證該模型的有效性和科學(xué)性。

注：本文系廈門市第十二期中學(xué)學(xué)科帶頭人培養(yǎng)對(duì)象課題“指向核心技能特征的初中計(jì)算思維課程開發(fā)研究”（立項(xiàng)編號(hào)：XMZXXD202012055）的階段性研究成果。

參考文獻(xiàn)

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（作者系北京師范大學(xué)廈門海滄附屬學(xué)校教師）