新課標(biāo)理念下如何培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維

鄒衛(wèi)華

摘要：本文基于《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對計算思維培養(yǎng)的要求，對學(xué)校應(yīng)做好哪些計算思維培養(yǎng)的教學(xué)準(zhǔn)備進(jìn)行了闡述，并通過“利用三維場景感受身邊算法，啟蒙計算思維;利用零代碼平臺分解與建模，形成計算思維;熟悉純代碼語言的核心概念，提升計算思維”三個編程項目，探討如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，以期能夠為中小學(xué)信息技術(shù)教師提供更多的教學(xué)方法參考。

關(guān)鍵詞：計算思維;編程;新課標(biāo)

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）14-0060-03

2022年4月，教育部發(fā)布了《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”），指出信息科技課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任。這四個方面互相支持、互相滲透，共同促進(jìn)學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能的提升，其中的計算思維是教師們最關(guān)注的點(diǎn)。同時，新課標(biāo)的課程內(nèi)容提出了數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全、人工智能六條邏輯主線，而算法是計算思維的核心要素之一，也是人工智能得以普遍應(yīng)用的三大支柱（數(shù)據(jù)、算法和算力）之一。新課標(biāo)在學(xué)段目標(biāo)與學(xué)業(yè)質(zhì)量中要求讓學(xué)生能熟悉常用的算法描述風(fēng)格與方式，理解算法執(zhí)行的流程，能利用自然語言、流程圖等方式，描述求解簡單問題的算法，并能利用編程對設(shè)計的算法及過程與控制進(jìn)行驗證。

筆者在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，編程是算法最直接的表達(dá)和最好的驗證，也是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的方法之一，讓學(xué)生學(xué)習(xí)編程語言不僅能使其掌握編程技能，還能使其領(lǐng)略編程背后蘊(yùn)藏的重要的思維模式。因此，在中小學(xué)信息技術(shù)教育中，教師可借助編程語言有效培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

培養(yǎng)計算思維的教學(xué)準(zhǔn)備

1.學(xué)科融合的師資準(zhǔn)備

在信息技術(shù)學(xué)科中，信息技術(shù)教師是執(zhí)行計算思維培養(yǎng)的主體，但計算思維中的算法與數(shù)學(xué)學(xué)科有著密切的關(guān)系，因此在算法及編程教學(xué)中，信息技術(shù)教師要多與數(shù)學(xué)教師交流，融通“信息技術(shù)”與“數(shù)學(xué)”這兩個學(xué)科的教學(xué)，在設(shè)計編程等校本課程時，最好由兩個學(xué)科的教師協(xié)同教學(xué)，厘清學(xué)科知識邊界。具體來說就是，信息技術(shù)的知識與技能由信息技術(shù)教師準(zhǔn)備，數(shù)學(xué)的知識與技能由數(shù)學(xué)教師準(zhǔn)備，最后再由信息技術(shù)教師統(tǒng)籌規(guī)劃整體的教學(xué)、活動設(shè)計，讓學(xué)科知識保持正確無誤，既能在一堂課中融合，又能在研究項目中協(xié)同延伸，呈現(xiàn)完整的項目式學(xué)習(xí)的形態(tài)。

另外，要堅持“課程實(shí)施，培訓(xùn)先行”的原則。學(xué)?？上忍暨x數(shù)名意愿強(qiáng)、專業(yè)能力強(qiáng)的教師作為種子教師提前培訓(xùn)，再對全體信息技術(shù)教師及部分?jǐn)?shù)學(xué)學(xué)科教師做課程知識的集中培訓(xùn)，重點(diǎn)關(guān)注種子教師，由種子教師集中備課，先行試課，形成經(jīng)驗和資源，最后他們再帶動其他教師開展教學(xué)。建立機(jī)制動員、激勵、引導(dǎo)、輔助教師積極參與編程教學(xué)，打造一支強(qiáng)大、專業(yè)的編程師資隊伍是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的關(guān)鍵。

2.多平臺綜合的環(huán)境準(zhǔn)備

培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，一要基于新課標(biāo)指導(dǎo)，二要基于校本條件。學(xué)校應(yīng)盡可能遵循高位設(shè)計、貼地運(yùn)行的建設(shè)思路，兼顧科學(xué)、客觀及可擴(kuò)展性。筆者建議嘗試“1+2+N”的業(yè)務(wù)架構(gòu)展開建設(shè)與推進(jìn)：“1”是一個基礎(chǔ)環(huán)境，主要是指搭建編程教育的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施，包括計算機(jī)、智能平板、編程客戶端軟件或編程云平臺，以及用于程序?qū)嶒灥娜斯ぶ悄芡庠O(shè)，如編程機(jī)器人、編程無人機(jī)等?！?”是兩門學(xué)科，主要指“信息技術(shù)”和“數(shù)學(xué)”兩門學(xué)科的教與學(xué)，包括教師培訓(xùn)、教學(xué)設(shè)計、跨學(xué)科磨課等教學(xué)教研活動?！癗”是多個編程平臺及STEAM項目，在小學(xué)低中年級學(xué)段引入3D可視化和零代碼編程平臺，啟蒙小學(xué)生感知身邊算法，養(yǎng)成算法思維。在高年級學(xué)段，引入低代碼平臺、Python語言純代碼平臺，結(jié)合課標(biāo)指引，引入或自主研發(fā)編程及STEAM課程，分別以編程與建模為中心，覆蓋界定問題、分析問題、組織數(shù)據(jù)、制訂問題等算法思想，使學(xué)生會利用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)問題的自動化求解，充分理解算法的描述、執(zhí)行和效率。

培養(yǎng)計算思維的編程項目研探

1.利用三維場景感受身邊算法，啟蒙計算思維

新課標(biāo)在第三學(xué)段目標(biāo)中指出“通過生活中的實(shí)例，了解算法的特征和效率”。而在實(shí)際教學(xué)中，讓小學(xué)生直接把生活經(jīng)驗轉(zhuǎn)成算法思維是很困難的，要讓其了解身邊的算法，最好的轉(zhuǎn)換方法是在一個虛擬場景中模擬生活實(shí)景。所以，教師可采用編程平臺Swift Playgrounds（它不同于一般的青少年2D平面的編程平臺，而是提供了一個真3D的世界，如圖1所示）創(chuàng)設(shè)一個真實(shí)的世界，借此培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

Swift Playgrounds具備上下左右前后的視角，有步數(shù)方格和對應(yīng)命令的各類物體，教師可創(chuàng)設(shè)主角Byte完成取紅寶石任務(wù)，讓小學(xué)生根據(jù)地圖規(guī)則路線、計算步格，同時進(jìn)一步利用“傳送門”等物體以及跳躍、跳過來改變路線，啟蒙不同的算法思路。

感知算法，也需要初步懂得表達(dá)算法。在教學(xué)中，讓學(xué)生利用Swift代碼來控制游戲角色在3D 游戲世界里冒險，從易到難，邊玩邊學(xué)，繼而學(xué)習(xí)重要概念。在教學(xué)中，教師可以讓學(xué)生對比平臺左右兩邊的“代碼”和“3D世界”，并向?qū)W生解釋“調(diào)試”“函數(shù)”“循環(huán)”等概念，使其學(xué)習(xí)更多進(jìn)階的編程表達(dá)，真正讓學(xué)生了解算法的表達(dá)，掌握計算思維的基本概念。

2.利用零代碼平臺分解與建模，形成計算思維

新課標(biāo)要求“能用自然語言、流程圖等方式描述算法”。當(dāng)前，零代碼編程平臺百花齊放，但基本分為兩類：一類是以圖形化積木為腳本的平臺，另一類是以自定義表單加流程控制的平臺。這兩類平臺最大的優(yōu)勢是不強(qiáng)調(diào)編程語言，凸顯的是流程設(shè)計與控制。

在利用圖形化積木為腳本的平臺進(jìn)行教學(xué)時，強(qiáng)調(diào)控件與流程。例如，以著名的“棋盤麥粒”（印度國王獎賞國際象棋發(fā)明大臣“每一小格都比前一小格加一倍麥?！保┑墓适聻轭}，教師先提供圖片（如圖2）讓學(xué)生觀察分析、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，然后進(jìn)行算法設(shè)計，引導(dǎo)出流程圖（如圖3），再帶領(lǐng)學(xué)生抓住流程圖中的關(guān)鍵點(diǎn)，利用程序控件展示數(shù)學(xué)表達(dá)式，即關(guān)鍵控件替換法（如圖4）。

在教學(xué)中，還可以通過利用自定義表單+流程控制平臺設(shè)計真實(shí)的輕應(yīng)用來培養(yǎng)學(xué)生計算思維。例如，要求學(xué)生使用應(yīng)用魔方AppCube，基于自己在學(xué)校與班級生活中的信息化需求，創(chuàng)建各類表單式輕應(yīng)用，加入需要的變量計算、數(shù)據(jù)過濾和權(quán)限控制，生成具有一定算法與流程的輕應(yīng)用。

3.熟悉純代碼語言的核心概念，提升計算思維

編程教學(xué)是培養(yǎng)計算思維的重要方法，筆者建議可以從六年級開始引入純代碼智能編程語言——Python。Python是一門入門快、功能強(qiáng)大、高效靈活的編程語言，能夠讓學(xué)生在接觸純代碼的同時熟悉編程語言的核心概念，進(jìn)而提升計算思維及表達(dá)。

純代碼編寫需要IDE，但在中小學(xué)生的Python教學(xué)中，教師無需采用面向?qū)I(yè)開發(fā)人員的Python IDE，可以借助任務(wù)圖形教學(xué)平臺Icode進(jìn)行教學(xué)。該平臺以青少年喜聞樂見的太空探索為主題，要求學(xué)生使用Python代碼遠(yuǎn)程控制機(jī)器人在太空中進(jìn)行探索和收集，在完成任務(wù)的同時要保證代碼的質(zhì)量和執(zhí)行的效率。學(xué)生通過控制虛擬角色Dev完成任務(wù)，能對基本編程概念有初步認(rèn)知，從而輕松踏入代碼世界。

本文為江蘇省“十四五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“人工智能教育背景下中小學(xué)生計算思維的培養(yǎng)”階段性成果。