利用“螺旋式”體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維*
——以信息科技學(xué)科可視化編程單元的教學(xué)為例

□顧忠良

2006 年，計(jì)算思維首次被提出。它指的是運(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(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)。2022年，《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》正式頒布，將計(jì)算思維納入了核心素養(yǎng)內(nèi)涵及課程總目標(biāo)中。那么，在信息科技學(xué)科的日常教學(xué)中，如何發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維？

根據(jù)大衛(wèi)·庫(kù)伯的“螺旋式”體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論，教師可“以合作體驗(yàn)為導(dǎo)向，以反思觀察為重點(diǎn)，以抽象概念建構(gòu)為內(nèi)核，以主動(dòng)實(shí)踐促生長(zhǎng)”，創(chuàng)設(shè)信息科技課堂學(xué)習(xí)的閉環(huán)，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。在這樣的教學(xué)中，學(xué)生依托原有生活經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)課堂內(nèi)外的連通，逐步在體驗(yàn)中學(xué)會(huì)反思，在反思中建構(gòu)抽象概念，在概念建構(gòu)過(guò)程中積極實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)信息科技核心素養(yǎng)的發(fā)展。

一、合作體驗(yàn)助推學(xué)生計(jì)算思維初步形成

在信息科技高度發(fā)展的今天，幾乎每一個(gè)學(xué)生都有對(duì)信息科技的具體體驗(yàn)。如家庭中使用的智能設(shè)備、商場(chǎng)中的機(jī)器人等，這些事物構(gòu)成了學(xué)生的信息科技認(rèn)知體驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，教師再結(jié)合信息科技教材，對(duì)學(xué)生展開(kāi)信息科技課程的教學(xué)，能達(dá)到事半功倍的效果。其中，合作學(xué)習(xí)是學(xué)生較為喜歡的一種學(xué)習(xí)方式，能為課堂帶來(lái)意想不到的效果。

以蘇教版信息科技教材五年級(jí)可視化編程單元中的《火柴人跳舞》一課為例，教學(xué)內(nèi)容以火柴人為主角，這一事物對(duì)當(dāng)下的小學(xué)生來(lái)說(shuō)較為陌生。按照傳統(tǒng)的教學(xué)流程，教師先引導(dǎo)學(xué)生畫(huà)出三至四個(gè)火柴人造型，再讓學(xué)生為火柴人造型設(shè)置切換效果，最后讓學(xué)生設(shè)置舞臺(tái)背景及動(dòng)態(tài)效果。這樣的教學(xué)過(guò)程按部就班，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，且無(wú)法與學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)建立聯(lián)系。對(duì)此，教師可以在這一節(jié)課中建立一個(gè)或多個(gè)課堂數(shù)字聊天室，依托學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)及信息基礎(chǔ)，開(kāi)展以班級(jí)或小組為單位的區(qū)域合作學(xué)習(xí)。

教學(xué)中，授課教師在聊天室中提供一個(gè)火柴人案例，讓學(xué)生先玩一玩，再想一想，接著議一議，最后試一試。通過(guò)玩、想、議、試四個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生的奇思妙想得到了激發(fā)。同時(shí)，學(xué)生還吸收了其他同學(xué)的智慧，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中不斷建構(gòu)計(jì)算思維和綜合能力。經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)聊天室的體驗(yàn)交流后，有的學(xué)生會(huì)采用具象的火柴人，有的學(xué)生會(huì)采用抽象的火柴人，有的學(xué)生會(huì)通過(guò)復(fù)制、改編，設(shè)計(jì)較多數(shù)量的火柴人，從而使得火柴人跳舞的動(dòng)作更為連貫、生動(dòng)。課堂聊天室可以教師主導(dǎo)、學(xué)生主導(dǎo)、生生互導(dǎo)等方式展開(kāi)，使每一個(gè)學(xué)生都能在課堂上平等地交流。實(shí)踐證明，引入生活實(shí)例，開(kāi)展合作學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生了解算法的特征和效率，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

二、反思觀察助力學(xué)生計(jì)算思維有效發(fā)展

利用課堂體驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展課內(nèi)反思與觀察，是發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的重點(diǎn)。在當(dāng)前的信息科技課堂學(xué)習(xí)中，師生反思、生生反思的學(xué)習(xí)形式并不常見(jiàn)。課堂觀察雖然在一定程度上存在，但其深度、廣度、力度均不足，難以激活學(xué)生的計(jì)算思維。因此，教師有必要在日常信息科技課堂教學(xué)中，有針對(duì)性地引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展一系列反思觀察活動(dòng)，有效發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。

比如，在教學(xué)蘇教版信息科技教材五年級(jí)可視化編程單元中的《青蛙過(guò)河》一課時(shí)，授課教師對(duì)教材進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)闹貥?gòu)：在課前播放青蛙在自然界中生活的視頻。學(xué)生通過(guò)觀察，真切地感受到青蛙的生活空間、捕食動(dòng)作、日常姿態(tài)等情況，了解到青蛙過(guò)河的過(guò)程不是固定的，而是反復(fù)的、有變化的、隨機(jī)的。其中既有順序的呈現(xiàn)，即青蛙從池塘的一頭向另一頭行進(jìn)，又有分支的呈現(xiàn)，即青蛙在過(guò)河的過(guò)程中，會(huì)朝不同的方向行進(jìn)，還有循環(huán)的呈現(xiàn)，即青蛙過(guò)河后，依然可能返回原來(lái)的地點(diǎn)。學(xué)生基于視頻，在編寫(xiě)“青蛙過(guò)河”的程序時(shí)會(huì)考慮采用速度變量、時(shí)間變量，在設(shè)置特效時(shí)會(huì)選用不同的算法。由此，計(jì)算思維涉及到的過(guò)程控制、問(wèn)題解決環(huán)節(jié)自然發(fā)生。這樣的設(shè)計(jì)有利于促進(jìn)學(xué)生在課前主動(dòng)反思、積極觀察，在課中重點(diǎn)反思、定向觀察，在課后深度反思、仔細(xì)觀察。

三、抽象概念建構(gòu)深化學(xué)生計(jì)算思維內(nèi)核生成

算法是計(jì)算思維的核心要素之一。對(duì)于當(dāng)下的學(xué)生，特別是鄉(xiāng)村小學(xué)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，算法、計(jì)算思維等均是相對(duì)陌生的概念。那么，在人工智能迅速發(fā)展的今天，這些概念是否有必要讓學(xué)生熟練掌握并根植于心？答案顯然是肯定的。特別是在可視化編程教學(xué)中，教師應(yīng)有序培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)抽象概念的能力，引導(dǎo)學(xué)生利用算法分析事物，逐步學(xué)會(huì)利用自然語(yǔ)言解決問(wèn)題。同時(shí)，教師有必要適當(dāng)舉例，讓學(xué)生了解算法在日常生活中的應(yīng)用情況，并明確算法在科技發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮的重要作用。教師可以通過(guò)具體的課堂實(shí)踐讓學(xué)生初步感受算法，在課堂演示與實(shí)踐操作中引導(dǎo)學(xué)生逐步建構(gòu)抽象化概念，讓學(xué)生深入了解算法的正確性及執(zhí)行效率。具體而言，教師可以組織學(xué)生分組、分批、分主題討論、實(shí)踐，讓學(xué)生的抽象概念通過(guò)歸納、分析等方式逐步建構(gòu)起來(lái)。

以教學(xué)蘇教版信息科技教材五年級(jí)可視化編程單元中的《花朵繽紛》一課為例，一般的教學(xué)流程是從畫(huà)一片花瓣開(kāi)始到畫(huà)一朵花，再到畫(huà)多朵花，最終呈現(xiàn)花朵競(jìng)相綻放、色彩繽紛的效果。此課的教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)是程序編寫(xiě)過(guò)程中圖章功能及隨機(jī)函數(shù)的應(yīng)用，對(duì)應(yīng)問(wèn)題解決過(guò)程中的抽象、分解，及算法設(shè)計(jì)過(guò)程中的滲透與生成等計(jì)算思維。假如按照傳統(tǒng)流程開(kāi)展教學(xué)，那么，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的體驗(yàn)感與美術(shù)學(xué)科相似，無(wú)法體現(xiàn)信息科技學(xué)科有機(jī)滲透計(jì)算思維培育的特征。對(duì)此，教師有必要對(duì)教學(xué)流程進(jìn)行優(yōu)化，即引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行抽象概念建構(gòu)。

授課教師在本課的導(dǎo)入環(huán)節(jié)以數(shù)字手段表現(xiàn)出花朵競(jìng)相綻放、色彩繽紛的效果，并從現(xiàn)實(shí)中的花朵自然遷移到計(jì)算機(jī)算法呈現(xiàn)出的花朵上來(lái)。在學(xué)生欣賞導(dǎo)入效果時(shí)，授課教師利用課堂語(yǔ)言適時(shí)點(diǎn)撥，激發(fā)學(xué)生對(duì)花朵呈現(xiàn)效果的抽象概念建構(gòu)：花瓣是如何通過(guò)角度的正向或逆向旋轉(zhuǎn)成為花朵的？花朵的顏色是如何呈現(xiàn)隨機(jī)變化的？花朵的大小及在屏幕上的位置是如何隨機(jī)呈現(xiàn)的？這三個(gè)問(wèn)題可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，避免空洞講解抽象概念造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣消退的情況，使學(xué)生初步完成本課抽象概念的建構(gòu)，自然形成認(rèn)知關(guān)聯(lián)，認(rèn)識(shí)到這些花朵形象的呈現(xiàn)是基于隨機(jī)算法的作用，是自然語(yǔ)言過(guò)渡到程序語(yǔ)言的表現(xiàn)。

與此同時(shí)，授課教師在編程環(huán)節(jié)通過(guò)分別搭建奇數(shù)花瓣、偶數(shù)花瓣的腳本，以及位置、大小、顏色的變化，實(shí)現(xiàn)“花開(kāi)滿園”的程序應(yīng)用效果，進(jìn)一步讓學(xué)生通過(guò)自我操作體驗(yàn)到隨機(jī)函數(shù)及圖章功能的無(wú)限魅力。由此，花朵的位置、大小、顏色等抽象概念在學(xué)生的腦海中落地。同時(shí)，授課教師通過(guò)程序腳本的正向編寫(xiě)，使程序效果以“花園”的形式呈現(xiàn)在屏幕上，讓學(xué)生進(jìn)一步強(qiáng)化抽象、分解、建模等計(jì)算思維。

四、主動(dòng)實(shí)踐促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維整體生長(zhǎng)

如何讓學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)學(xué)習(xí)有序過(guò)渡？自主實(shí)踐必不可少。在課前的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師要有意識(shí)地設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生從多種角度出發(fā)，了解學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動(dòng)、學(xué)習(xí)資源，與教材、同學(xué)產(chǎn)生“伙伴式”關(guān)聯(lián)。讓學(xué)生從學(xué)習(xí)的交互性、融合性方面進(jìn)行實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)從一課到另一課的遞進(jìn)式提升，是課堂教學(xué)的必要目標(biāo)與重要路徑。在計(jì)算思維的培養(yǎng)過(guò)程中，教師應(yīng)賦予學(xué)生更多的學(xué)習(xí)自主權(quán)，提供足夠的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)與廣闊的平臺(tái)，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的向心力與效能感。

以蘇教版信息科技教材五年級(jí)可視化編程單元中的《畫(huà)正多邊形》一課為例，這一課內(nèi)容涉及簡(jiǎn)單化算法以及自動(dòng)化求解，且融文字編程與圖形編程為一體，是一節(jié)“跨界式”的編程課，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)難度較大。本課主要涉及“畫(huà)筆”這一工具及正多邊形這一概念，教師可以從美術(shù)學(xué)科及數(shù)學(xué)學(xué)科出發(fā)，將相關(guān)知識(shí)技能遷移至本課。授課教師通過(guò)語(yǔ)言、動(dòng)作、神態(tài)等課堂教學(xué)手段的引領(lǐng)，讓學(xué)生在課前自然形成嘗試自主實(shí)踐的探索欲望。課堂上，授課教師帶領(lǐng)學(xué)生先通過(guò)提筆、落筆及畫(huà)正多邊形進(jìn)行現(xiàn)實(shí)模擬，再分層次、分批次地轉(zhuǎn)移到程序的編寫(xiě)中來(lái)。在學(xué)生嘗試畫(huà)正三角形、正方形及其他正多邊形時(shí)，授課教師合理加大教學(xué)難度，幫助學(xué)生利用算法對(duì)正多邊形進(jìn)行程序化表達(dá)，將復(fù)雜問(wèn)題通過(guò)自主實(shí)踐進(jìn)行必要的分解，讓學(xué)生形成攀爬式、探索式的學(xué)習(xí)格局，學(xué)會(huì)使用圖形化編程語(yǔ)言，運(yùn)用循環(huán)程序結(jié)構(gòu)，自主編寫(xiě)各種正多邊形程序。在此基礎(chǔ)上，授課教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生自主嘗試漸變色圖及復(fù)雜多邊形的腳本設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了程序教學(xué)的分層性及計(jì)算思維培養(yǎng)的整體性。從正三角形到復(fù)雜正多邊形，從單色到混色，授課教師通過(guò)語(yǔ)言激勵(lì)、課堂演示等教學(xué)手段，充分激發(fā)學(xué)生的自主實(shí)踐熱情，讓計(jì)算思維在學(xué)生的自主實(shí)踐中逐漸得到整體性的生長(zhǎng)。

當(dāng)前的信息科技學(xué)科呈現(xiàn)出全新的發(fā)展態(tài)勢(shì)，深度學(xué)習(xí)、人工智能、計(jì)算思維等都成為社會(huì)發(fā)展與學(xué)科學(xué)習(xí)的熱門(mén)詞。如何在信息科技學(xué)科日常教學(xué)過(guò)程中，依托各類(lèi)途徑與平臺(tái)，通過(guò)合作體驗(yàn)、反思觀察、抽象概念建構(gòu)和主動(dòng)實(shí)踐的加持，使知識(shí)與技能呈現(xiàn)螺旋式上升的態(tài)勢(shì)，是每一個(gè)信息科技教師需要思考的問(wèn)題。教師應(yīng)重新審視信息科技學(xué)科的教學(xué)理念，不能只注重技能的傳授，還要關(guān)注信息意識(shí)的培養(yǎng)與計(jì)算思維的建構(gòu)，直面學(xué)生之間的內(nèi)在與外顯差異，突出合作意識(shí)的培養(yǎng)與數(shù)字素養(yǎng)的培育。與此同時(shí)，對(duì)信息科技課堂的評(píng)價(jià)也不能只停留在單節(jié)課、單項(xiàng)操作技能或單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的評(píng)價(jià)上，而要充分考慮學(xué)生的初始水平、課堂表現(xiàn)、課后學(xué)習(xí)等綜合因素，真正建構(gòu)起以計(jì)算思維培養(yǎng)為主要目標(biāo)的螺旋式、立體化教學(xué)新范式。