學(xué)思并行 聚焦計(jì)算思維發(fā)展

摘 要 《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確了小學(xué)信息科技課程的四大核心素養(yǎng)，其中計(jì)算思維是解決問題的一種思維方式。在教學(xué)中要如何培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”核心素養(yǎng)，通過創(chuàng)設(shè)“學(xué)思并行”教學(xué)創(chuàng)新模式，以“激學(xué)導(dǎo)思”“疑學(xué)問思”“組學(xué)辨思”“拓學(xué)創(chuàng)思”四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 計(jì)算思維 自主建構(gòu) 互學(xué)辯思

作者簡介：張艷萍（1989—），女，福建廈門人，廈門市集美區(qū)高浦小學(xué)一級教師，大學(xué)本科，研究方向：信息技術(shù)教學(xué)。

基金項(xiàng)目：本文系福建教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度課題“基于計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)機(jī)器人教育標(biāo)本課程建設(shè)研究”（課題批準(zhǔn)號：FJJKZX22-697）階段性研究成果。

教育部在4月份公布了2022年義務(wù)教育階段《信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，這是自2001年《義務(wù)教育課程設(shè)置實(shí)驗(yàn)方案》出臺之后，20年來關(guān)于中小學(xué)階段信息科技課程的最新政策性指導(dǎo)文件。最重要的是將信息科技獨(dú)立設(shè)置為新科目，明確了小學(xué)信息科技的的四大核心素養(yǎng)為：信息意識、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任、計(jì)算思維，并且將以“數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全、人工智能”為課程主線，統(tǒng)籌安排各學(xué)段學(xué)習(xí)內(nèi)容。本文探索改變教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)思并行的思維習(xí)慣，促進(jìn)學(xué)生“計(jì)算思維”的培養(yǎng)。

一、“學(xué)思并行”教學(xué)模式

《課標(biāo)》指出：“信息技術(shù)是一門旨在全面提升學(xué)生信息素養(yǎng)的基礎(chǔ)課程，要鼓勵(lì)學(xué)生在不同的問題情境中，運(yùn)用計(jì)算思維形成解決問題的方案?！盵1]具備計(jì)算思維的學(xué)生在信息活動(dòng)中能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問題，抽象特征，建立結(jié)構(gòu)模型，合理組織數(shù)據(jù)。良好的計(jì)算思維不僅有利于學(xué)生在信息化社會中的良好交流，也有利于學(xué)生批判性思維的發(fā)展，負(fù)責(zé)任地使用信息技術(shù)。

思維型教學(xué)理論的五大基本原理（動(dòng)機(jī)激發(fā)、認(rèn)知沖突、自主建構(gòu)、自筆者監(jiān)控、應(yīng)用遷移）和六大基本要素（創(chuàng)設(shè)情境、提出問題、自主探究、合作交流、總結(jié)反思、應(yīng)用遷移），為學(xué)生思維的發(fā)展提供了抓手。[2]因此在對思維型教學(xué)理論進(jìn)行提煉和歸納后建構(gòu)了“學(xué)思并行”的課堂教學(xué)創(chuàng)新模式，即“情境創(chuàng)設(shè)，激學(xué)導(dǎo)思”“問題提出，疑學(xué)問思”“自主建構(gòu)，組學(xué)辨思”“應(yīng)用遷移，拓學(xué)創(chuàng)思”?！皩W(xué)思并行”構(gòu)成了學(xué)生在課堂上有效完成認(rèn)知建構(gòu)、形成素養(yǎng)的完整閉環(huán)，為發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維提供了明確的支架。

二、“學(xué)思并行”教學(xué)模式運(yùn)用實(shí)例

在近幾年的課堂教學(xué)中，筆者一直致力于發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的核心素養(yǎng)，計(jì)算思維中的抽象、分解、算法、驗(yàn)證、優(yōu)化、遷移等要素又是如何在教學(xué)中體現(xiàn)的呢？如何通過打造“學(xué)思并行”的課堂，讓“計(jì)算思維”核心素養(yǎng)落地生根？筆者通過循序漸進(jìn)，講方法講策略，持之以恒地在課堂教學(xué)中實(shí)施和完善“學(xué)思并行”的教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果?！渡衿娴恼噙呅巍肥?020閩教版信息技術(shù)教材六年級上冊第二單元《程序世界中的多彩花園》進(jìn)行重組整合開發(fā)的課例，融合了數(shù)學(xué)的幾何圖形概念學(xué)習(xí)。經(jīng)過一段時(shí)間的編程學(xué)習(xí)，四年級的學(xué)生已經(jīng)了解常用的指令，能夠編寫簡單程序，但還未接觸畫筆模塊，也尚未建立起模塊化思想，四年級的學(xué)生對編程有著強(qiáng)烈的求知欲和好奇心。因此將正多邊形作為這節(jié)課的主要內(nèi)容，不僅能承載本節(jié)課的各個(gè)知識點(diǎn)，而且能與數(shù)學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科融合。于是筆者設(shè)計(jì)了以閩南花磚為主線的情境，以活動(dòng)為載體，貫穿整個(gè)課堂，不斷挖掘?qū)W生思維的深度，取得了良好的教學(xué)效果。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，激學(xué)導(dǎo)思

新課標(biāo)倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)，即以真實(shí)問題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷技術(shù)思維過程，建構(gòu)知識，提升解決問題的能力。即基于生活實(shí)際，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在動(dòng)機(jī)，鼓勵(lì)學(xué)生“做中學(xué)”“用中學(xué)“創(chuàng)中學(xué)”。真實(shí)問題情境來源于現(xiàn)實(shí)世界，通過創(chuàng)設(shè)閩南花磚這個(gè)情境，串聯(lián)初級、中級、高級設(shè)計(jì)師三個(gè)活動(dòng)激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力，引發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考。

在導(dǎo)入環(huán)節(jié)，筆者創(chuàng)設(shè)了設(shè)計(jì)閩南花磚圖案為主線的情境，將程序設(shè)計(jì)與花磚的幾何圖案相結(jié)合。首先，教師出示一組花磚圖片并提問：同學(xué)們，請欣賞一組圖片，你們知道這是什么嗎？（生：花磚）教師隨即引出：“在上世紀(jì)九十年代，廈門就有大量商鋪和住宅地板鋪設(shè)水泥花磚，因此它也成為很多閩南人的親切回憶。花磚并不是廈門特有的，甚至直到一百多年前，它才漂洋過海而來。如今，花磚也成為了一種裝修藝術(shù)走進(jìn)了千家萬戶?！苯處熢僬埻瑢W(xué)們觀察這組幾何花磚的圖案，請學(xué)生說說它們是由哪些形狀構(gòu)成的？（生：三角形、正方形、五邊形、六邊形……）教師再追問：“它們排列有什么特點(diǎn)？”（生：是重復(fù)的幾何圖案）教師繼續(xù)追問：“它們的邊角有什么特點(diǎn)？”（生：各邊相等、各角也相等的多邊形叫做正多邊形）通過真實(shí)情境，引入正多邊形的特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生興趣。最后，PPT出示動(dòng)圖揭題：“古人利用幾何圖案構(gòu)成漂亮的花磚圖案，今天我們來當(dāng)一回花磚設(shè)計(jì)師，在編程貓中利用正多邊形來設(shè)計(jì)創(chuàng)意花磚圖案。”通過真實(shí)問題情境讓學(xué)生真實(shí)感受到花磚濃郁的對稱之美，體驗(yàn)了幾何圖形的程序設(shè)計(jì)之美，使學(xué)生在潛移默化中感受到技術(shù)和藝術(shù)之間相得益彰的關(guān)系，從而調(diào)動(dòng)了設(shè)計(jì)花磚圖案的濃厚興趣。

（二）提出問題，疑學(xué)問思

學(xué)習(xí)始于思考，思考源于疑問。通過設(shè)計(jì)有質(zhì)量的問題，引發(fā)認(rèn)知沖突，刺激思維生長。計(jì)算思維中的“抽象”“分解”是解決問題的重要突破口。要解決一個(gè)復(fù)雜的問題，就需要進(jìn)行分解，將其分解成一個(gè)個(gè)小問題，這就是計(jì)算思維中很重要的分解思維。而抽象則是將現(xiàn)實(shí)中的問題轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識別并處理的問題。本課中如何將復(fù)雜的花磚圖案轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的對象，即計(jì)算思維的“抽象”。引導(dǎo)學(xué)生形成“分解”“抽象”思維，可以設(shè)計(jì)核心問題情境讓學(xué)生引發(fā)認(rèn)知沖突。通過設(shè)計(jì)有質(zhì)量的問題，引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握分解問題——模式識別——抽象特征——算法設(shè)計(jì)的編程思路，引發(fā)學(xué)生深度思維。具體教學(xué)過程如下。

例：畫正三角形，滲透算法設(shè)計(jì)思想

【觀察】請同學(xué)們觀察這組幾何花磚的圖案，你能說說它們是由哪些形狀構(gòu)成的嗎？（生：三角形、正方形、五邊形、六邊形……）它們排列有什么特點(diǎn)？（生：是重復(fù)的幾何圖案）它們的邊角有什么特點(diǎn)？（生：各邊相等、各角也相等的多邊形叫做正多邊形）引入正多邊形的特點(diǎn)。

【提問分析】請看這張花磚設(shè)計(jì)圖，它缺少了什么圖形？（生：正三角形）那如何在編程貓中畫一個(gè)正三角形呢？假如讓你走一個(gè)正三角形的路線，你會怎么走？如何分解？關(guān)鍵點(diǎn)是什么？

【初級設(shè)計(jì)師任務(wù)】請同學(xué)們嘗試打開自己電腦中的編程貓，嘗試用畫筆積木塊補(bǔ)充正三角形。

【演示】教師展示學(xué)生畫正三角形的腳本，看看能否畫出。典型案例：畫出與畫不出的原因。總結(jié)畫三角形的關(guān)鍵點(diǎn)是判斷每次的旋轉(zhuǎn)角度，剛好是三角形的外角。

【觀察】請學(xué)生觀察圖形與命令中哪些部分有重復(fù)動(dòng)作，是怎么重復(fù)的，重復(fù)了幾次？（生：移動(dòng)150步旋轉(zhuǎn)120度重復(fù)了3次）

【對比】那么可以用什么命令簡化腳本呢？（生：重復(fù)命令）通常在編寫腳本之前，我們要確定繪圖的步驟，這就需要借助流程圖來理清思路。黑色箭頭表示程序執(zhí)行的順序，紅色箭頭表示循環(huán)，重復(fù)執(zhí)行命令。請學(xué)生試著完成流程圖的繪制。

通過初級設(shè)計(jì)師活動(dòng)提出問題：“這些基本形狀有什么特點(diǎn)？”引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)，歸納正多邊形的特征，學(xué)會模式識別?！霸趺串嫵稣切巍边@個(gè)核心問題讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，因此巧設(shè)正三角形分解步驟小程序，引導(dǎo)學(xué)生形成分解問題思維?！爱嬚切蔚年P(guān)鍵點(diǎn)是什么？”這個(gè)問題讓學(xué)生聚焦“正三角形的旋轉(zhuǎn)角”這一核心概念上，學(xué)會抽象特征。再利用流程圖理清思路。

這樣通過層層深入追問，由簡單到復(fù)雜，逐步將問題明晰化，讓學(xué)生嘗試后發(fā)現(xiàn)問題再解決問題，通過“疑學(xué)問思”教學(xué)環(huán)節(jié)有效滲透計(jì)算思維培養(yǎng)方法，讓知識結(jié)構(gòu)化，讓思考系統(tǒng)化，為雙重嵌套循環(huán)的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

（三）自主建構(gòu)，互學(xué)辯思

“互學(xué)辯思”即通過自主探究和合作學(xué)習(xí)，在獨(dú)立思考和思維互動(dòng)的過程中引發(fā)思維碰撞，主動(dòng)建構(gòu)新知，解決問題，讓學(xué)習(xí)走向深度。在中級設(shè)計(jì)師活動(dòng)中，設(shè)計(jì)了設(shè)計(jì)分層任務(wù)和導(dǎo)學(xué)案，為學(xué)生提供“學(xué)習(xí)支架”，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，歸納出旋轉(zhuǎn)角度公式，讓不同層次的學(xué)生學(xué)有所得。接著，引導(dǎo)小組進(jìn)行合作，互幫互助，通過交流展示進(jìn)行總結(jié)反思，得出了順時(shí)針和逆時(shí)針的正負(fù)關(guān)系。學(xué)生善于探究，樂于交流，敢于展示。在獨(dú)立思考和小組思維互動(dòng)中學(xué)會解決問題。以“學(xué)生為主體“的活動(dòng)設(shè)計(jì)，從學(xué)生舉手情況可看到學(xué)習(xí)效果大大改善。

例：畫正多邊形，推理旋轉(zhuǎn)角度公式

【類比遷移】那么畫正方形要重復(fù)幾次呢？每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度多少？五邊形？六邊形呢？

【中級設(shè)計(jì)師】基礎(chǔ)任務(wù)：學(xué)生分小組畫正方形、正五邊形、正六邊形。并填寫分析單。提高任務(wù)：有能力的小組可以繼續(xù)嘗試其他正多邊形。

【分析】請小組派學(xué)生代表上臺演示，用圖表分析五邊形、六邊形的畫法。觀察分析得知正多邊形的重復(fù)執(zhí)行的次數(shù)是指正多邊形的邊數(shù)。旋轉(zhuǎn)的角度等于360 ÷ 邊數(shù)。（引導(dǎo)學(xué)生說出來）

【算法設(shè)計(jì)】請學(xué)生分小組根據(jù)分析的結(jié)果，交流討論完善流程圖，并指導(dǎo)小組學(xué)生上臺交流流程圖的畫法。引導(dǎo)學(xué)生分析流程圖的關(guān)鍵步驟，理解循環(huán)指令的用法。

通過初級設(shè)計(jì)師的嘗試，學(xué)生已經(jīng)學(xué)會了畫正三角形，因此通過合作學(xué)習(xí)，學(xué)生組內(nèi)溝通交流，容易產(chǎn)生思維的碰撞，進(jìn)而推理出正多邊形的畫法，達(dá)到舉一反三的效果，學(xué)習(xí)的效率大大提升，且在此過程中，薄弱生可以得到很好的關(guān)注和幫助。通過“互學(xué)辯思”教學(xué)環(huán)節(jié)，讓小組內(nèi)的每個(gè)學(xué)生都能經(jīng)歷建構(gòu)知識的過程，而這種自主建構(gòu)過程，讓學(xué)生經(jīng)歷了分解問題——模式識別——抽象特征——算法設(shè)計(jì)過程，從而培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維。

（四）遷移應(yīng)用，拓學(xué)創(chuàng)思

學(xué)習(xí)是一種內(nèi)在的建構(gòu)，而創(chuàng)造則是一種外在的踐行，學(xué)習(xí)知識更要應(yīng)用知識，應(yīng)用知識更要?jiǎng)?chuàng)新知識。要注重引導(dǎo)學(xué)生知識遷移，讓信息技術(shù)真正回歸生活。即要引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)到的思維方法解決問題，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。在高級設(shè)計(jì)中的雙重嵌套幾何圖案的學(xué)習(xí)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系剛才學(xué)過的編程思路解決新問題。首先通過連續(xù)追問策略啟發(fā)學(xué)生遷移應(yīng)用，從一重循環(huán)到雙重循再到嵌套循環(huán)的應(yīng)用，學(xué)生畫出了豐富多彩的有創(chuàng)意的花磚圖案，思考從表層走向深處。通過拓展分型圖案、對稱花卉圖案等復(fù)雜圖形，拓寬了學(xué)習(xí)視野，啟發(fā)了創(chuàng)意思維，夯實(shí)了應(yīng)用遷移，最后“匠人精神”的熏陶更是將課內(nèi)學(xué)習(xí)拓展到課外，滲透勞動(dòng)意識，學(xué)以致用。

例：畫創(chuàng)意圖形，鞏固問題解決思路

【過渡】（出示相關(guān)圖片）由于花磚繁復(fù)的手工操作，加上快速、便捷的工業(yè)化瓷磚大理石材的出現(xiàn)，花磚迅速走向沒落。慶幸的是經(jīng)過半世紀(jì)的沉淪，這首在腳下傳唱的詩歌，忽然被一個(gè)又一個(gè)堅(jiān)持手工制作的設(shè)計(jì)師接著了，一口氣又續(xù)了上來。今天我們作為古老花磚的傳承者，來設(shè)計(jì)更復(fù)雜的花磚圖形，你們敢挑戰(zhàn)嗎？

【提問】觀察這些花磚，圖案有什么特點(diǎn)？（重復(fù)對稱）

1.花型花磚的基礎(chǔ)形狀是什么？（生：正多邊形） 重復(fù)畫了幾次？（生：5次）

2.畫花型花磚的關(guān)鍵點(diǎn)是什么？（生：旋轉(zhuǎn)角度）出示PPT動(dòng)畫，你們能否畫出如下圖所示的多個(gè)多邊形組合而成的圖形嗎？思考每個(gè)基礎(chǔ)形狀旋轉(zhuǎn)多少度？

【高級設(shè)計(jì)師】請同學(xué)們分小組討論嘗試畫花型花磚，并小組完成分析單。

【流程圖分析】先畫一個(gè)正方角形，再轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，最后重復(fù)循環(huán)5次。

【分析找規(guī)律】那么旋轉(zhuǎn)角度是多少呢？表格出示分析。

【高級設(shè)計(jì)師】基礎(chǔ)任務(wù)：用嵌套循環(huán)畫花型花磚圖案。

提高任務(wù)：切換到屏幕3，畫更多有創(chuàng)意的復(fù)雜圖形。

【課后拓展】今天我們學(xué)會用正多邊形設(shè)計(jì)花磚圖案，那么一個(gè)正多邊形如果隨著邊數(shù)的增加會發(fā)生什么情況？你還能設(shè)計(jì)出哪些創(chuàng)意花磚圖案？

【總結(jié)延伸】今天我們用正多邊形設(shè)計(jì)了花磚圖案，在簡單重復(fù)的排列中透露著中國文化濃郁的對稱之美。但花磚圖案千變?nèi)f化，這些圖案精美、細(xì)心制作的花磚工藝復(fù)雜，這是古代匠人的追求，也是現(xiàn)代匠人的宗旨。同學(xué)們，請不要丟失我們祖先的匠人精神：敬業(yè)、精益、專注、創(chuàng)新，具備這些品質(zhì)，你們必將成功。也許未來你會成為一名優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師，傳承中國的古老技藝。

通過遷移應(yīng)用，讓正多邊形拓展出更多創(chuàng)意畫法，結(jié)合對比、歸納并融合數(shù)學(xué)建模思想等方法引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)畫花型圖案旋轉(zhuǎn)角的規(guī)律，通過動(dòng)畫演示，巧妙設(shè)問，小組探究學(xué)習(xí)，啟發(fā)計(jì)算思維，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)解決問題的方法，鞏固剛剛所學(xué)流程圖算法設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)更復(fù)雜圖形，綜合運(yùn)用算法解決具體的數(shù)學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維?？偨Y(jié)提升，啟發(fā)學(xué)生思考，拓展課后應(yīng)用。通過花磚設(shè)計(jì)貫穿本課，正是花磚藝術(shù)和傳統(tǒng)工藝的浸潤，“匠人精神”的種子在學(xué)生心中生根發(fā)芽，助力學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維方法進(jìn)行課后的拓展創(chuàng)新。

綜上所述，筆者從“激學(xué)導(dǎo)思、疑學(xué)問思、互學(xué)辨思、拓學(xué)創(chuàng)思”促使學(xué)生學(xué)思并行，知行合一。以學(xué)生為主體，以解決問題為核心，從知識識記到技能應(yīng)用，從知識學(xué)習(xí)到素養(yǎng)培養(yǎng)，從淺層學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)，不斷發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]任友群，黃榮懷，熊璋.從信息技術(shù)到信息科技：關(guān)于《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的對話[J].課程.教材.教法，2022，42（12）：21-31.

[2]首新，胡衛(wèi)平.基于思維型教學(xué)理論的科學(xué)高階思維教學(xué)過程設(shè)計(jì)[J].中國科技教育，2021（09）：18-22.

（責(zé)任編輯：楊紅波）