“捕捉”思維,才能更好地發(fā)展計(jì)算思維

許曉璐

新課改強(qiáng)調(diào)發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)，其中發(fā)展計(jì)算思維是當(dāng)前k-12階段教育的重中之重。但如何能夠有效捕捉學(xué)習(xí)者的思維活動(dòng)過程，了解學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的發(fā)展動(dòng)態(tài)，提升其計(jì)算思維素養(yǎng)，是本文研究的重點(diǎn)。因此，本文引入計(jì)算思維可視化表征方法，借助程序流程圖這一可視化思維工具，結(jié)合計(jì)算思維的四個(gè)要素，探索小學(xué)階段有效提升學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的編程教學(xué)方法。

2022年4月，教育部發(fā)布的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》文件，反映了數(shù)字時(shí)代下學(xué)科素養(yǎng)的重要性。課標(biāo)中對“計(jì)算思維”的素養(yǎng)內(nèi)涵闡述為：計(jì)算思維是指個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)，具備計(jì)算思維的學(xué)習(xí)者，能對問題進(jìn)行抽象、分解、建模，并通過設(shè)計(jì)算法形成解決方案;能嘗試模擬、仿真、驗(yàn)證解決問題的過程，反思、優(yōu)化解決問題的方案，并將其遷移運(yùn)用于解決其他問題。計(jì)算思維屬于建構(gòu)性思維，但在學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)編程的過程中，其思維方式及思維加工過程很難被教師所了解，尤其在問題的識(shí)別與分解，對問題進(jìn)行抽象建模，以及算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案這四個(gè)要素中。目前評估學(xué)習(xí)者計(jì)算思維發(fā)展水平的方法中，基本以評估學(xué)習(xí)者制作的編程項(xiàng)目為主。但只是以學(xué)習(xí)者制作的編程項(xiàng)目來評價(jià)其計(jì)算思維的發(fā)展水平，很顯然是一種輕過程重結(jié)果的做法，不利于學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的培育。

從眾多文獻(xiàn)的研究中可以發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于計(jì)算思維的研究，多集中于對計(jì)算思維的概念、內(nèi)涵與課程開發(fā)設(shè)計(jì)的研究。從工程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，目前的研究階段，更多集中在編程項(xiàng)目的方案實(shí)現(xiàn)上。我們在編程教學(xué)課堂中常?？梢钥吹剑處熢O(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)上，在學(xué)生理解、識(shí)別情境問題后便跳躍到腳本編寫的環(huán)節(jié)，中間缺少了對問題的抽象、分解、建模的過程，學(xué)生也就缺乏了將問題從現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槌橄蟮哪芰?。另外，在?dāng)前小學(xué)階段的編程教學(xué)論文中，有關(guān)計(jì)算思維培養(yǎng)策略的實(shí)踐研究并不少，但真正關(guān)注學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維過程并不多，這顯然不利于計(jì)算思維的培養(yǎng)。由此可見，我們必須找到一種能夠監(jiān)測學(xué)習(xí)者思維活動(dòng)過程的工具，以此記錄他們的思維加工過程。因此，筆者在編程教學(xué)中，選擇了作為計(jì)算思維加工過程的可視化承載工具——程序流程圖，通過指導(dǎo)學(xué)習(xí)者繪制程序流程圖，先對問題進(jìn)行識(shí)別，再將問題分解并抽象化表示，最后尋求合理的算法優(yōu)化途徑，直至方案實(shí)現(xiàn)。學(xué)習(xí)者于整個(gè)教學(xué)過程中，在程序流程圖的輔助下，學(xué)會(huì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，一步一步從分析問題到解決問題，最后實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目程序的編制，達(dá)成計(jì)算思維之發(fā)展。

一、現(xiàn)階段編程教學(xué)中存在的問題

（一）教師教學(xué)理念傳統(tǒng)，輕思維能力培養(yǎng)

當(dāng)前教師的教學(xué)目標(biāo)更多聚焦在編程知識(shí)與編程技能的掌握，而忽略在編程學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的現(xiàn)有水平和發(fā)展情況。簡單地說，教師的教學(xué)理念依然比較傳統(tǒng)，重知識(shí)技能訓(xùn)練，輕能力思維培養(yǎng)。比如，課堂上教師使用頻次最多的任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，教師更多地是代替學(xué)習(xí)者把學(xué)習(xí)任務(wù)劃分好，學(xué)習(xí)者只要在老師的指引下，按部就班地完成學(xué)習(xí)任務(wù)即可完成一個(gè)編程項(xiàng)目。這樣傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)習(xí)者能掌握編程知識(shí)，但是這些零碎的知識(shí)得不到建構(gòu)統(tǒng)整。學(xué)習(xí)者失去了主動(dòng)去分析問題、解決問題的機(jī)會(huì)，這在很大程度上阻礙了其計(jì)算思維的發(fā)展。學(xué)習(xí)者頭腦中能否梳理出程序內(nèi)含的邏輯關(guān)系？是否能夠?qū)?fù)雜的問題分解成若干個(gè)較簡單的學(xué)習(xí)任務(wù)，逐個(gè)擊破從而突破難點(diǎn)？這些都是當(dāng)前小學(xué)信息技術(shù)教師比較欠缺考慮的。

（二）學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)方式落后，被動(dòng)學(xué)習(xí)

在編程課堂中，我們經(jīng)?？吹竭@樣的課堂現(xiàn)象——學(xué)習(xí)者通過觀看學(xué)習(xí)視頻或教師演示，完成一個(gè)個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，最后完成整個(gè)編程項(xiàng)目的制作。而在這樣的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)忘記下一步要解決什么問題的困惑，說明學(xué)習(xí)者缺少對問題的統(tǒng)整認(rèn)知，沒有理解程序內(nèi)在的邏輯關(guān)系，只是在視頻或他人的示范下搭建積木腳本，知其然而不知其所以然?？梢?，在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)者缺失了以計(jì)算的視角和方法參與問題解決的全過程，而這個(gè)過程正是計(jì)算思維的發(fā)展過程，它涉及思維加工過程在問題的識(shí)別與理解、問題的分解與重構(gòu)、方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施等多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合發(fā)展。由此可見，傳統(tǒng)的被動(dòng)學(xué)習(xí)方式正在阻礙學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的養(yǎng)成。

二、流程圖“捕捉”計(jì)算思維的實(shí)踐研究

對學(xué)習(xí)者計(jì)算思維素養(yǎng)的培育是否有效，極大程度上取決于教師能否真正理解計(jì)算思維的內(nèi)涵。那么，計(jì)算思維的要素有哪些？如何運(yùn)用程序流程圖將隱含的計(jì)算思維要素表達(dá)出來呢？

由圖1可看出，計(jì)算思維的四大要素分別是：問題識(shí)別、問題分解、抽象與問題解決。其中“問題解決”要素包含了算法與邏輯兩個(gè)方面。計(jì)算思維是學(xué)習(xí)者在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中不斷建構(gòu)出來的思維，從問題的分析環(huán)節(jié)（包含問題識(shí)別、問題分解、抽象）到問題的解決環(huán)節(jié)（算法與邏輯），每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)要素都可以通過程序流程圖呈現(xiàn)出來。下面筆者將結(jié)合案例《猜數(shù)游戲》進(jìn)行具體的分析闡述。

《猜數(shù)游戲》項(xiàng)目過程說明：

用戶輸入所猜的數(shù)，當(dāng)計(jì)算機(jī)提示所猜的數(shù)比答案大，用戶再輸入一個(gè)比上一次小的數(shù);反之，則輸入一個(gè)比上一次大的數(shù)，直到猜中答案（1到10之間的隨機(jī)數(shù)），游戲結(jié)束。

（一）項(xiàng)目中的問題識(shí)別與問題分解

在繪制該項(xiàng)目流程圖之前，學(xué)習(xí)者需要先掌握程序流程圖各類符號(hào)的含義與使用方法，流程線的連接以及簡單的文字表述，這直接關(guān)系到學(xué)習(xí)者能否對問題進(jìn)行正確的界定。程序流程圖的圖形符號(hào)一共分為五類：

1. 起止框：外觀形狀是圓角矩形，表示程序的開始或結(jié)束。

2. 輸入/輸出框：外觀形狀是平行四邊形，表示數(shù)據(jù)輸入或輸出的結(jié)果。

3. 處理框：外觀形狀是矩形，表示程序中的一般過程。

4. 判斷框：外觀形狀是菱形，表示程序中的條件選擇。

5. 流程線：外觀形狀是單向箭頭指向，它是以上四類圖形符號(hào)之間的連線，箭頭方向表示工作流程。

在本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者首先從“猜數(shù)游戲”的情境中識(shí)別出計(jì)算機(jī)生成的隨機(jī)數(shù)是一個(gè)不確定的數(shù)，用處理框來表示這個(gè)隨機(jī)數(shù)。用戶輸入的數(shù)用輸入框來表示，它也是不確定的數(shù)。該游戲的機(jī)制就是比較這兩個(gè)數(shù)字的大小關(guān)系，如果用戶第一次沒有猜中，程序出現(xiàn)相應(yīng)的提示語“大了”或“小了”，用戶再次輸入，以此循環(huán)直到猜中。如果用戶第一次便猜中，提示“恭喜你，猜中啦！”，游戲結(jié)束。程序的整個(gè)過程中涉及兩數(shù)大小關(guān)系的判斷，需要使用判斷框表示。過程中的提示語用處理框表示即可。在選擇流程圖的圖形符號(hào)過程中，學(xué)習(xí)者已經(jīng)完成了對問題的界定。通過對游戲機(jī)制的分析梳理，最后使用流程線連接各個(gè)圖形符號(hào)，完成流程圖的繪制，將一個(gè)大問題分解成不同部分的小問題，流程圖的呈現(xiàn)十分直觀。

（二）抽象建模

情境中用戶往往不可能第一次便猜中，那么如何表示用戶反復(fù)猜測這一過程？關(guān)于兩數(shù)的大小關(guān)系一共有幾種結(jié)果？不同的條件判斷關(guān)系如何體現(xiàn)？為了讓學(xué)習(xí)者能夠順利地進(jìn)一步將現(xiàn)實(shí)的情境要素轉(zhuǎn)變?yōu)槌橄?，教師要適時(shí)地引導(dǎo)學(xué)習(xí)者將其抽象為流程圖中的基本結(jié)構(gòu)，懂得使用順序、選擇、循環(huán)的結(jié)構(gòu)來建構(gòu)它們之間的關(guān)系，從而建立起同類型問題的抽象化模型。比如，用戶反復(fù)猜測涉及基本結(jié)構(gòu)中的重復(fù)循環(huán)，那么要啟發(fā)學(xué)生觀察流程圖的流程走向，思考猜錯(cuò)之后，流程應(yīng)該走到哪個(gè)步驟，用戶才可以繼續(xù)猜測？學(xué)生很快便能發(fā)現(xiàn)，只要在用戶猜錯(cuò)提示之后，將流程線往上畫，回到“用戶輸入數(shù)字”的步驟，就可以表示重復(fù)執(zhí)行。再看情境中兩個(gè)數(shù)的大小關(guān)系一共有3種：a=b或a>b或a

（三）問題解決（算法與邏輯）

同一個(gè)問題可以由不同的算法來解決，但是多種算法中，總是存在相對優(yōu)質(zhì)的算法。比如能夠利用三種基本結(jié)構(gòu)，盡可能減少運(yùn)算的步驟，便是比較好的算法。到這個(gè)環(huán)節(jié)為止，學(xué)習(xí)者已經(jīng)能夠較完整地繪制出整個(gè)項(xiàng)目的程序流程圖。教師可從中觀察出他們的算法優(yōu)劣之分。算法思維是計(jì)算思維中非常重要的一部分，因此教師很有必要積極地引導(dǎo)學(xué)習(xí)者不斷反思流程圖解決問題的思路，找出問題所在，從而優(yōu)化流程圖的設(shè)計(jì)，尋求最佳的解決方案。經(jīng)過這一階段優(yōu)化后的流程圖，能夠?yàn)楹罄m(xù)的方案實(shí)現(xiàn)提供更大的指導(dǎo)價(jià)值。

總而言之，在小學(xué)編程教學(xué)中，借助程序流程圖來“捕捉”學(xué)生的思維，具有一定的指導(dǎo)意義。學(xué)習(xí)者在問題的各個(gè)環(huán)節(jié)繪制流程圖，教師便可直觀地了解學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維發(fā)展水平，針對不同環(huán)節(jié)與不同的計(jì)算思維要素，對學(xué)習(xí)者進(jìn)行針對性地指導(dǎo)。另外，教師注重引導(dǎo)學(xué)習(xí)者對存在問題進(jìn)行反思，修改流程圖，尋求最合理的算法來實(shí)現(xiàn)方案，完成項(xiàng)目程序的編制，能夠進(jìn)一步促進(jìn)他們計(jì)算思維的發(fā)展。而對學(xué)習(xí)者而言，繪制程序流程圖可以幫助他們分解問題，梳理編程的思路，理清程序中各部分之間的邏輯關(guān)系，將問題逐個(gè)擊破，最終完成一個(gè)完整項(xiàng)目的程序編寫，發(fā)展計(jì)算思維的同時(shí)，提升學(xué)習(xí)的深度。