主題式編程教學(xué)提升小學(xué)生計(jì)算思維的實(shí)踐研究

【摘要】對(duì)小學(xué)信息技術(shù)編程教學(xué)而言，近幾年關(guān)于要改革的呼聲很高，在“教什么”“怎么教”等方面理論思辨也較多，但缺乏充分的實(shí)踐論證。本文探討了利用“主題式編程教學(xué)”的方式促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維提升的可行性，這并非推翻原有編程知識(shí)體系，而是變革知識(shí)和方法在教學(xué)中呈現(xiàn)的方式，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知和問題解決能力的提升，從而達(dá)到提升學(xué)生計(jì)算思維的目的。

【關(guān)鍵詞】主題式編程? 計(jì)算思維? 實(shí)踐研究? 小學(xué)生

【課題項(xiàng)目】本文系福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度立項(xiàng)課題“基于計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)編程校本課程建設(shè)研究”（課題編號(hào)：FJJKXB20-534）的研究成果。

【中圖分類號(hào)】G623.58 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2022）03-0058-03

對(duì)于小學(xué)信息技術(shù)課程而言，“計(jì)算思維”是信息技術(shù)四大學(xué)科核心素養(yǎng)中最能體現(xiàn)“計(jì)算機(jī)科學(xué)思維過程”的一種素養(yǎng)。資料顯示，國內(nèi)對(duì)計(jì)算思維的研究起步較晚，在小學(xué)階段主要以信息技術(shù)“編程課或編程社團(tuán)”的途徑來培養(yǎng)。不少專家、教師已經(jīng)探究出信息技術(shù)課程培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模式及方法，然而遺憾的是，許多編程課程仍將教學(xué)重心聚焦于編程技能本身，這從某種程度上縮小了計(jì)算思維的研究廣度;不少教師把課堂上學(xué)生能力的培養(yǎng)簡化為“步驟學(xué)習(xí)”和“技術(shù)操練”，不能給予學(xué)生發(fā)展思維的空間，長此以往，導(dǎo)致學(xué)生缺乏靈活的問題求解思維。筆者經(jīng)過實(shí)踐探究發(fā)現(xiàn)，將編程以“主題式教學(xué)”的方式引入小學(xué)課堂，對(duì)提升小學(xué)生計(jì)算思維、豐富小學(xué)信息技術(shù)課程體系是一種有價(jià)值的探究嘗試。并在教學(xué)實(shí)踐中摸索出主題式編程教學(xué)的五個(gè)步驟，即：確定主題—分析問題—設(shè)計(jì)方案—編程實(shí)踐—評(píng)價(jià)反思。

一、確定主題：聚焦學(xué)科育人目標(biāo)，問題引領(lǐng)有的放矢

美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授指出：“計(jì)算思維是以一種計(jì)算機(jī)或人或機(jī)器能夠有效地執(zhí)行的方式來表征問題、表達(dá)解決方案的一種思維過程。”2017版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中也提到：計(jì)算思維是個(gè)體在運(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)。

本文所關(guān)注的“主題式編程教學(xué)”指的是創(chuàng)設(shè)基于學(xué)生認(rèn)知領(lǐng)域的真實(shí)情境，以“計(jì)算機(jī)編程教學(xué)”為載體，建立與教學(xué)主題相關(guān)的各教學(xué)要素之間的聯(lián)系，發(fā)揮各教學(xué)要素最大效能，以編程作品為最終呈現(xiàn)的教學(xué)模式。那么，主題式教學(xué)如何對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的提高產(chǎn)生影響？筆者認(rèn)為，實(shí)施主題式教學(xué)首先應(yīng)該聚焦學(xué)科育人目標(biāo)。而學(xué)科育人目標(biāo)的落地，需要具體的教學(xué)內(nèi)容作為載體。目前市面上能找到的編程教材仍然沿襲了軟件教學(xué)的思維習(xí)慣，基本上是按照“知識(shí)點(diǎn)”的方式來呈現(xiàn)，操作性的傾向比較明顯，未能很好地體現(xiàn)培養(yǎng)計(jì)算思維的目標(biāo)。因此，基于計(jì)算思維教育的信息技術(shù)課堂教學(xué)，就要求教師梳理出適合本校校情的具體教學(xué)內(nèi)容，并將其作為學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在線索，引導(dǎo)學(xué)生在完成教學(xué)任務(wù)的過程中反復(fù)親歷思維的全過程，主題式編程教學(xué)能較好地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

基于計(jì)算思維的教學(xué)原則，需要兼顧教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)過程中的問題設(shè)計(jì)尤其重要。以筆者教學(xué)實(shí)踐中“計(jì)算機(jī)編程畫分形圖”這個(gè)主題為例展開分析，可以看出，分形圖看上去是不規(guī)則圖形，但本質(zhì)是以“某一種基本形狀”通過邊長、直徑、大小、位置等改變而形成的一種有規(guī)律的復(fù)雜圖形，其最大特點(diǎn)是“復(fù)雜但有規(guī)律”。因此，要首先讓學(xué)生基于情境提出問題，并明確問題的對(duì)象——分形圖。這個(gè)主題的研究可以分為這樣幾個(gè)課時(shí)展開：《編程貓畫多邊形》《圍繞中心點(diǎn)盛開的花》《編程貓的花花世界》《千變?nèi)f化的分形圖》《“潮”服紋樣我設(shè)計(jì)》。通過圍繞同個(gè)主題開展編程教學(xué)，改變了目前某些編程教材模塊零散的教學(xué)方式，讓學(xué)生在主題學(xué)習(xí)中既能掌握基本編程技巧，又能對(duì)這個(gè)研究主題有更深度的學(xué)習(xí)和感知。

二、分析問題：提升任務(wù)分解能力，突破困難循序漸進(jìn)

在信息技術(shù)編程教學(xué)中，教師通常過于強(qiáng)調(diào)程序代碼的編寫和編程效果的實(shí)現(xiàn)，從而忽略了問題解決中蘊(yùn)含的計(jì)算思維過程與方法的指導(dǎo)，而這恰恰是計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵所在。計(jì)算思維本質(zhì)上是一個(gè)解決問題的過程，這個(gè)過程中需要利用計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)解決方案，這個(gè)過程在拖動(dòng)第一個(gè)指令塊的時(shí)候就已經(jīng)開始了。筆者在教育教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，要想將編程教學(xué)從“操作層面”提升至“思維和理解層面”，學(xué)生“任務(wù)分解能力”的培養(yǎng)不容忽視?！叭蝿?wù)分解”本質(zhì)上是一種化繁為簡的能力，其基本思路是：用簡單方法梳理出復(fù)雜問題內(nèi)部的邏輯主線，把“解決復(fù)雜問題”轉(zhuǎn)化為“解決規(guī)模小的相似問題”作為突破口，利用解決小問題，逐步達(dá)到解決復(fù)雜問題的目的。

以“計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)角色移動(dòng)”這個(gè)主題為例，編程角色的移動(dòng)可以分為相對(duì)移動(dòng)、絕對(duì)移動(dòng)、跟隨鼠標(biāo)移動(dòng)、光標(biāo)控制鍵控制移動(dòng)、循環(huán)移動(dòng)、在區(qū)域面積內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)等多種情況，對(duì)學(xué)生來說是比較復(fù)雜的情況。編程初學(xué)者的學(xué)習(xí)需要一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，教師可以利用“分解任務(wù)”的思路為其打開解決問題的關(guān)鍵。這個(gè)角色的移動(dòng)有沒有條件？這個(gè)角色的移動(dòng)是否跟其他角色產(chǎn)生聯(lián)系？是無限運(yùn)動(dòng)還是可停止的運(yùn)動(dòng)？如果可停止，移動(dòng)停止的條件是什么？……在這些問題的引導(dǎo)下，學(xué)生逐步深入思考，逐步理解角色移動(dòng)的各種可能，這樣分析問題的過程充分培養(yǎng)和展現(xiàn)了學(xué)生的思維過程。這個(gè)主題的研究可以分為這樣幾個(gè)課時(shí)展開：《下雨了》一課，實(shí)現(xiàn)“雨滴角色”在區(qū)域面積內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)又從天而降的效果;《垃圾分類我能行》一課，實(shí)現(xiàn)光標(biāo)控制“垃圾角色”實(shí)現(xiàn)垃圾分類的效果;《清理海洋垃圾》一課，實(shí)現(xiàn)“海洋垃圾角色”在區(qū)域范圍內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)的效果;《太空垃圾清理衛(wèi)星》一課，實(shí)現(xiàn)“太空垃圾”在軌道內(nèi)循環(huán)移動(dòng)的效果。通過圍繞“角色移動(dòng)”這個(gè)知識(shí)點(diǎn)在各個(gè)編程內(nèi)容之間建立聯(lián)系，各教學(xué)要素之間相互支持、共同協(xié)作，并滲透開展生態(tài)環(huán)保教育。對(duì)學(xué)生而言，他們?cè)谛纬蓡栴}解決方案的過程中像科學(xué)家一樣思考，在解決問題過程中結(jié)合信息技術(shù)開展綜合性的實(shí)踐活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)提升計(jì)算思維的最終目標(biāo)。

三、設(shè)計(jì)方案：鍛造創(chuàng)新創(chuàng)造能力，循循善誘解決問題

通過提出問題、分析問題、設(shè)計(jì)方案的過程，每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)成為發(fā)現(xiàn)者、創(chuàng)造者。筆者嘗試實(shí)施的“主題式編程教學(xué)”則有助于學(xué)生高階創(chuàng)新能力的提高，為學(xué)生“在較為復(fù)雜的情境中提升計(jì)算思維”提供了有利條件。可見，計(jì)算思維并不是少數(shù)“聰明孩子”才有的思維。現(xiàn)在常用的圖形化編程軟件采用直接拼搭的方式，直觀地構(gòu)建出程序的各種界面和邏輯，過去那種談“編程色變”的時(shí)代已經(jīng)過去，計(jì)算思維的培養(yǎng)也已面向全體學(xué)生，不再是那些能靜下心學(xué)傳統(tǒng)編程的孩子的特權(quán)。這就體現(xiàn)在計(jì)算思維的培養(yǎng)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)——方案設(shè)計(jì)。

經(jīng)過實(shí)踐探究，“忽視方案設(shè)計(jì)合理性和可行性”以及“總是想當(dāng)然著急解決問題”的學(xué)生，往往事倍功半，花了大量時(shí)間著手編寫程序，到頭來一遍又一遍推翻重來，沒有針對(duì)性又花費(fèi)了大量的時(shí)間。筆者在二次創(chuàng)作課時(shí)中以“提供腳手架、創(chuàng)意支持”的形式幫助學(xué)生優(yōu)化自己所設(shè)計(jì)的問題解決方案，助力學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。在前一節(jié)課學(xué)生創(chuàng)作的基礎(chǔ)上，適時(shí)拔高與引導(dǎo)，借鑒頭腦風(fēng)暴、小組研討、思維導(dǎo)圖等合作學(xué)習(xí)方式，發(fā)展學(xué)生發(fā)散性思維，這對(duì)學(xué)生而言是一個(gè)綜合運(yùn)用與知識(shí)深度加工的階段。這樣兩類進(jìn)階課程循環(huán)往復(fù)，學(xué)生既筑牢了基礎(chǔ)知識(shí)，又發(fā)展了計(jì)算思維。

四、編程實(shí)踐：涵養(yǎng)計(jì)算思維觀念，學(xué)科滲透由此及彼

經(jīng)歷了前面幾個(gè)環(huán)節(jié)后，學(xué)生開始進(jìn)入完成編程作品的核心環(huán)節(jié)——編程實(shí)踐。在編程教學(xué)中，教學(xué)目標(biāo)片面化、任務(wù)之間缺乏關(guān)聯(lián)性、教育評(píng)價(jià)一帶而過、小組合作淺嘗輒止等問題容易造成學(xué)生看似掌握了編程基本操作，實(shí)則缺乏探究發(fā)現(xiàn)過程的現(xiàn)象。長期缺乏思維指導(dǎo)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，將使學(xué)生的思維局限于課堂所學(xué)知識(shí)范圍內(nèi)，很難做到靈活運(yùn)用、舉一反三，這不利于信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)的計(jì)算思維的培養(yǎng)。在編程教學(xué)中滲透計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)知識(shí)，學(xué)生比較容易理解計(jì)算機(jī)有序執(zhí)行（即自動(dòng)化）的實(shí)施過程，同時(shí)也能從程序的編制、調(diào)試、運(yùn)行過程感受從感性到理性、從具體到抽象，最后又從理性回到感性，從抽象回到具體進(jìn)行檢驗(yàn)的過程，并最終達(dá)到運(yùn)用編程解決問題的目的。強(qiáng)調(diào)“面向全班”的主題式編程教學(xué)要比強(qiáng)調(diào)“面向社團(tuán)學(xué)生”的教學(xué)更注重“整合”，整合內(nèi)容與形式，整合分散的知識(shí)點(diǎn)，以求在分層教學(xué)中讓不同程度的學(xué)生的計(jì)算思維均能得以提升。

在實(shí)踐中筆者發(fā)現(xiàn)，要想幫助學(xué)生形成計(jì)算思維觀念，就得關(guān)注學(xué)生“將思考與計(jì)劃付諸實(shí)踐”的過程，得有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生在一組組代碼塊（順序、循環(huán)、事件、并行、條件、運(yùn)算符和數(shù)據(jù)）的幫助下，通過編寫程序進(jìn)行思考和學(xué)習(xí)，并在這個(gè)過程中學(xué)會(huì)如何解決問題。因?yàn)槌绦蛟O(shè)計(jì)過程有傳統(tǒng)的模式和限定的知識(shí)點(diǎn)，教師容易教，學(xué)生容易模仿。和“程序設(shè)計(jì)”相比，“程序調(diào)試”出現(xiàn)的問題是生成性、因生而異的，“程序調(diào)試”也比“程序設(shè)計(jì)”需要更多的思維能力。計(jì)算思維在程序調(diào)試過程中通常有很好的體現(xiàn)。除此之外，教師還能利用編程評(píng)價(jià)，通過“表達(dá)、聯(lián)系、質(zhì)疑”三個(gè)層面來審視學(xué)生計(jì)算思維觀念的養(yǎng)成情況。其中，“表達(dá)”指將解決問題的過程形成計(jì)劃，并用代碼明確地逐步呈現(xiàn)出來的能力;而“質(zhì)疑”則更多地體現(xiàn)在“試驗(yàn)與調(diào)試”階段，一個(gè)程序的完成需要經(jīng)歷反復(fù)“編程—調(diào)試—再編程—再調(diào)試”的過程。一個(gè)優(yōu)秀的程序編寫者通常會(huì)花費(fèi)更多時(shí)間來“調(diào)試”，而不是“編寫”，這是教師需要幫助學(xué)生在計(jì)算實(shí)踐過程形成的意識(shí)和能力。

五、評(píng)價(jià)反思：形成計(jì)算思維習(xí)慣，遷移應(yīng)用“節(jié)外生枝”

編程作品的完成，并不意味著階段學(xué)習(xí)的結(jié)束。教師通過直觀性教學(xué)原則的貫徹和前面幾個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的落實(shí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到編程作品背后的計(jì)算思維思想和方法，了解編程學(xué)習(xí)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)人類日常生活和科學(xué)技術(shù)的深刻影響。如果學(xué)生還能進(jìn)一步從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，在日后的學(xué)習(xí)中能合理、合法地運(yùn)用編程技能，這就達(dá)到了思維層次躍升的教學(xué)目標(biāo)。而這一步目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，離不開編程實(shí)踐后對(duì)教學(xué)過程的評(píng)價(jià)和反思。重視評(píng)價(jià)反思的教師，將從課堂教學(xué)中收獲“節(jié)外生枝”的喜悅。

在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展程度的評(píng)價(jià)是研究的難點(diǎn)。學(xué)生的計(jì)算思維能力存在不同程度的不平等，在同一個(gè)層面上分析和評(píng)價(jià)學(xué)生計(jì)算思維的變化，其結(jié)果將產(chǎn)生一定程度的誤差。筆者曾經(jīng)嘗試“實(shí)驗(yàn)前測”和“后測作品”的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)。在開展前測量表時(shí)，利用信息技術(shù)教室“極域教室多媒體軟件”向同個(gè)班級(jí)學(xué)生發(fā)布問卷，并收集自動(dòng)生成的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，初步了解該班級(jí)學(xué)生計(jì)算思維初始情況。經(jīng)過測試可以發(fā)現(xiàn)，樣本班學(xué)生原有計(jì)算思維水平基本一致。以學(xué)期或?qū)W年為單位，學(xué)生經(jīng)過主題式編程教學(xué)的學(xué)習(xí)，具備了一定能力的計(jì)算思維能力后，再通過“后測作品”的方式展開測試。經(jīng)過實(shí)踐和觀察，大部分學(xué)生一開始試圖用已有知識(shí)去解釋和編寫后測作品，結(jié)果不少學(xué)生抱怨“老師沒教過”或“從來沒學(xué)過”，而不習(xí)慣從現(xiàn)有題目中發(fā)現(xiàn)規(guī)律。經(jīng)過對(duì)學(xué)生完成過程和最終作品的查閱和分析可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)施主題式編程教學(xué)班級(jí)的學(xué)生更主動(dòng)開展整體策劃，思考問題、解決問題的能力更強(qiáng)，基本完成問題解決的學(xué)生比例較高。然而，更成熟的教學(xué)模式和評(píng)價(jià)體系的建立還需要通過大量實(shí)踐和長期探索來實(shí)現(xiàn)，這對(duì)一線信息技術(shù)教師而言是一項(xiàng)長久而艱巨的任務(wù)。

主題式編程教學(xué)緊扣計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)要求：以主題式教學(xué)為任務(wù)，以問題解決為過程，從知識(shí)的本質(zhì)理解技術(shù)原理，教會(huì)學(xué)生合理使用技術(shù)、用概念圖、流程圖等工具把思維過程可視化，并能遷移應(yīng)用計(jì)算思維解決實(shí)際問題，幫助學(xué)生形成像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣的思維方式。我們的學(xué)生未來將“征戰(zhàn)”廣闊的世界舞臺(tái)，他們更應(yīng)該熱心于計(jì)算思維的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。

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作者簡介：

陳燕彬（1988年8月-），女，福建廈門人，廈門市集美區(qū)園博學(xué)校一級(jí)教師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：小學(xué)信息技術(shù)教育教學(xué)。