培養(yǎng)計算思維的信息科技課程教學策略

江蘇徐州市銅山區(qū)黃集實驗小學（221100） 權 慧

計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。具備計算思維的學生，能嘗試模擬、仿真、驗證解決問題的過程，反思、優(yōu)化解決問題的方案，并將其遷移運用于解決其他問題中。計算思維與我們的生活息息相關，是信息社會不可或缺的一種能力。2022 年，隨著《義務教育信息科技課程標準（2022 年版）》（以下簡稱“信息科技新課標”）的頒布和實施，作為小學信息科技學科的核心素養(yǎng)之一的計算思維，引起了教師的重視。以下是筆者對培養(yǎng)學生的計算思維的教學策略探索。

一、開展趣味活動

在信息社會中，學生身邊存在大量的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)除了數(shù)字、數(shù)值，還包括依托數(shù)字設備制作出的文本、圖像、音頻、視頻等，如各種二維碼、身份證號碼、學號、電話號碼、車牌號碼等。我們每天都要和數(shù)據(jù)打交道，學生也不例外。引導學生關注并理解這些數(shù)據(jù)所代表的信息、數(shù)據(jù)的編碼和解碼規(guī)則、使用數(shù)字化表達的優(yōu)勢以及現(xiàn)實世界與虛擬世界的聯(lián)通方式等，對學生計算思維的培養(yǎng)具有重要意義。

在信息科技新課標中，數(shù)據(jù)與編碼模塊是三、四年級的學習內容。這個階段的學生處于形象思維階段，教師可以引導學生使用電子設備體驗各種數(shù)據(jù)，了解其背后的信息；還可以開展趣味活動（如設計個性二維碼等），讓學生學習編碼規(guī)則，嘗試創(chuàng)編自己的二維碼或圖形碼，并且理解計算機編碼、解碼、校驗的原理。這項活動是在學生已經(jīng)了解數(shù)據(jù)的類型、理解編碼的意義、明確編碼的規(guī)則的基礎上設計的。教師可以利用生活中常見的二維碼導入新課，通過展示各種黑白方塊組合成的不同二維碼圖形，引發(fā)學生思考：它們真的能表達信息嗎？能表達多少種信息呢？教師進一步展示并總結二維矩陣表達信息的方式和數(shù)量，組織學生通過最簡單的二維矩陣來設計二維碼。學生完成作品進行展示時，大家發(fā)現(xiàn)有很多二維碼是相同的，教師此時可以進一步引導學生進行討論交流，共同探討編制個性二維碼的方法。學生在討論中理解了矩陣的維度和所代表的信息量之間的關系，學會了運用一定的編碼規(guī)則組織和表達信息，學會了合理使用字符、圖像編碼表示信息，并且在交流學習中碰撞了思維，提高了語言表達能力，計算思維得到有效培養(yǎng)。

周以真教授說：“計算思維就是像一個計算機科學家一樣思考?！痹谛W階段，教師也可以引導學生“像一個計算機科學家一樣思考”。教師通過形式多樣的趣味活動，引導學生體驗、合作、交流，讓學生了解數(shù)據(jù)的存在方式、編碼和解碼的基本規(guī)則、編碼規(guī)模和包含信息量之間的關系、現(xiàn)實世界和虛擬世界連接的方式等，利用真實的場景體驗，感受編碼和校驗的必要性，拓寬學生思考的廣度和深度。

二、利用圖形化編程軟件

Scratch 是美國麻省理工學院專門為兒童設計的一款圖形化編程軟件。它不需要兒童編寫代碼，而是將代碼集成一條條積木，讓兒童在搭建積木的過程中解決問題。這款軟件的作用不是教學編程語言，而是讓兒童在編寫程序的過程中，體驗將現(xiàn)實世界的問題抽象為計算機能夠解決的問題的步驟，通過抽象、編碼、檢測、反饋等過程，鍛煉思維能力，收獲成就感。筆者抓住學生創(chuàng)作作品的前、中、后三個關鍵環(huán)節(jié)，通過不同類型的圖形化編程作品培養(yǎng)學生的思維能力。

1.創(chuàng)作前：學會規(guī)劃

以蘇科版小學信息技術教材五年級的《火柴人跳舞》一課為例，該課的內容是先把真實人物不同的舞蹈形象抽象化，形成火柴人角色，再通過代碼控制火柴人切換不同的造型，讓火柴人動起來。這一教學內容引發(fā)了學生的興趣，促使學生激活自己的創(chuàng)造力，在短時間內創(chuàng)作出很多不同的火柴人造型。但是對于剛接觸Scratch 的學生來說，角色和造型的概念容易混淆，繪制造型的過程中角色的大小、錨點的位置難以準確辨析。在傳統(tǒng)的教學模式中，教師會在學生動手操作前將所有問題一一講解，這剝奪了學生發(fā)現(xiàn)問題的機會，使學生難以獨立思考問題。對此，教師可以創(chuàng)新教學模式，在作品創(chuàng)作前給學生提供充足的時間，讓學生以小組為單位展開討論，分析問題、建立模型、設計方法、預測結果。學生在交流的過程中會發(fā)現(xiàn)，不同的火柴人造型可以被制作成不同的角色，而同一個角色也可以制作成不同的火柴人造型。學生闡述不同的觀點后，教師組織學生動手實踐：將火柴人制作成不同角色。但是在操作過程中，學生發(fā)現(xiàn)添加代碼后角色無法動起來。此時，教師可以引導學生先在小組內交流討論或翻看教材查明原因，遇到無法解決的難題時再求助教師。最終師生共同解決了問題，明確了讓角色動起來的原理，創(chuàng)作出個性化的火柴人跳舞動畫。在這一學習活動中，學生在動手操作前用語言描述創(chuàng)作過程，清晰地規(guī)劃整個創(chuàng)作活動，自上而下地整體設計作品，運用系統(tǒng)的方法思考問題，經(jīng)歷了一系列的思維活動。雖然學生對創(chuàng)作的規(guī)劃仍存在許多問題，但是學生在處理這些問題的過程中碰撞出了思維的火花，進一步獲得了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的樂趣。

2.創(chuàng)作中：設計算法

在使用Scratch 進行創(chuàng)作的過程中，需要考慮作品界面布局的美觀性、故事的合理性、算法的復雜性、操作的便捷性等。其中最為關鍵的部分就是算法。學生要利用算法解決問題，需要經(jīng)歷分析問題、設計算法、驗證算法、優(yōu)化算法的過程。學生可以先通過自然語言或者流程圖等方式，描述解決問題的步驟，再將其轉化為計算機可以執(zhí)行的命令。

在信息科技新課標中，算法屬于五、六年級的學習內容。這個階段的學生處于形象思維向抽象思維過渡的階段，因此教師要把握良好的教學時機，引導學生通過合理的算法來解決問題。比如，“雞兔同籠”問題，學生先在小組內討論解決問題的方法，如假設法、抬腳法、列表法、方程法等，然后進行語言描述，最后設計算法。以假設法為例，學生先用自然語言描述：假設給定的頭的數(shù)量a都是雞，腳的數(shù)量應為2a，那么與給定的腳的數(shù)量b進行比較，兔子的數(shù)量n即為多出的腳的數(shù)量除以二，表達式為（b-2a）/2，雞的數(shù)量m就是a-n；然后，通過Scratch 進行程序編寫：確定輸入值為頭和腳的數(shù)量，輸出值為雞和兔的數(shù)量，計算公式為n=（b-2a）/2，m=a-n。在驗證算法階段，需要注意腳的數(shù)量有一定的限制，即必須是在頭的兩倍和四倍之間的偶數(shù)，否則就無法得出正確結果。因此，教師要引導學生在優(yōu)化算法階段添加數(shù)據(jù)的取值范圍，使算法更加合理、完善。這樣，學生通過設計算法成功地解決了實際問題。

3.創(chuàng)作后：優(yōu)化算法

計算機科學家善于優(yōu)化算法，教師要培養(yǎng)學生優(yōu)化算法的能力。上文提到“雞兔同籠”問題有多種不同的解法，由此會產生不同的算法和不同的程序。因此，教師可以引導學生從計算時間、計算效率、代碼長度等方面加以分析，讓學生認識到不同的解題思路會產生不同的算法，由不同的算法會產生不同的時間復雜度和空間復雜度，進而影響到計算機的反應速度、運行速度和能量消耗。學生了解了計算機解決問題的原理后，就會從全局角度思考解決問題的方法，并且不斷嘗試尋找多種方法，從中選擇最優(yōu)算法。掌握了這種思維方式，學生在以后遇到問題時，就能夠全面地思考問題。如此一來，學生思維的多樣性得到拓展，解決問題的能力得到提高，計算思維真正內化為學生的基本能力。

三、促進學科延伸

有效運用計算思維是求解問題的一條途徑，它的本質是抽象和自動化兩個部分。作為“數(shù)字原住民”的小學生，生來就可以使用具有強大計算能力的計算機。根據(jù)小學生計算能力有限的特點，教師要善于引導學生借助計算機解決具體問題。

如經(jīng)典的數(shù)學問題“百錢買百雞”，通常需要利用解方程或列舉的方式解題。對于小學生而言，要列出含有三個未知數(shù)的方程有一定難度，列舉有幾千種可能的過程又異常繁瑣，容易產生畏難心理。怎樣利用計算機來幫忙呢？首先，對問題進行抽象分解。已知條件：公雞5元1只、母雞3元1只、小雞1 元3 只。求解目標：用100 元買100 只雞，而且3種雞都要有，算出所有買法。其次，引導學生建立數(shù)學模型，設計算法（見表1）。最后，學生在理解數(shù)據(jù)間的邏輯關系的基礎上，嘗試根據(jù)數(shù)學模型進行積木搭建，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動計算。

在求解的過程中，學生不僅要利用數(shù)學思維厘清公雞、母雞、小雞三者之間的價格和數(shù)量關系，還要利用編程思維處理好變量累加的遞歸算法與重復執(zhí)行的循環(huán)算法之間的關系。最重要的是，當學生的計算能力達不到解題的要求時，學生能夠通過分析問題、創(chuàng)建模型、編寫代碼等方式，利用計算機解決問題。這樣，他們的思維就得到了拓展。

掌握了運用計算機解決問題的方法后，數(shù)學學科的很多問題如“韓信點兵”“漢諾塔”等，都可以迎刃而解。數(shù)學思維強調嚴謹?shù)膽B(tài)度、數(shù)與形的邏輯關系和演算推理能力，而計算思維強調問題求解的操作過程、機器的實現(xiàn)結果。以上利用計算機解決問題的過程，就是計算思維在數(shù)學思維的基礎上，進一步精確地編寫程序，確保計算機能夠自動執(zhí)行并完成任務。教師要促進學科延伸，融合學科之間的思維鏈接點，提升學生的思維能力。

四、引入生活問題

懷特海說：“教育只有一個主題，那就是豐富多彩的生活本身?！鄙钪械恼鎸崋栴}符合學生的現(xiàn)有認知，有利于調動學生的積極性、主動性，讓學生主動參與學習活動。如通過快遞收費計算系統(tǒng)這個項目，帶領學生設計、制作程序，引導學生對比不同快遞的收費和時效之間的關系，讓學生關注生活、發(fā)現(xiàn)生活、熱愛生活。

本案例是在學生掌握了引用變量進行計算的基礎上，結合生活中的真實問題設計的一個綜合項目。網(wǎng)絡購物已經(jīng)廣泛普及，“快遞”這一名詞對學生來說并不陌生。寄快遞可以自由選擇不同的快遞公司，本項目引入“你要寄一份家鄉(xiāng)特產給遠在北京的朋友，你會選擇哪家快遞公司？請說出你的理由”的生活情境，并且提供市場上四家快遞公司的收費標準和快遞到達時限等信息，引導學生通過分析問題、抽象建模、程序設計等過程，制作出快遞收費計算系統(tǒng)：只需要輸入物品的重量，就能夠自動輸出快遞的收費價格和快遞的到達時間。學生觀察該系統(tǒng)呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，有的快遞公司能夠實現(xiàn)快遞隔日到達，但是收費較高；有的快遞公司收費較低，但是運送的時間較長。因此，學生根據(jù)自己的資金情況和特產的保存時效選擇了相應的快遞公司。

本項目通過“快遞”這一生活中常見的事物導入教學，能夠拉近學習與生活的聯(lián)系，引發(fā)學生的好奇心和求知欲，讓學生主動參與到學習活動中來，提升解決實際問題的能力。經(jīng)過本次學習實踐后，學生能夠幫助家長郵寄物品，以此收獲成就感。類似的教學項目還有班干部投票系統(tǒng)、垃圾分類系統(tǒng)等，教師可以通過生活中的真實問題，創(chuàng)設真實情境，提高學生的學習參與度，培養(yǎng)學生的計算思維。

在信息科技教學中培養(yǎng)學生的計算思維，是一個循序漸進的過程，也是一個不斷內化所學知識的過程。教師可以嘗試用微專題去解決大問題，從小的項目入手引導學生體驗解決問題的一般步驟，逐漸將計算思維內化為學生的一種基本能力。處于信息時代的學生具有獨特的時代印記，出生在數(shù)字時代的他們是“數(shù)字原住民”，擁有良好的計算機資源。因此，教師要轉變思想，創(chuàng)新教學模式，開展貼近學生真實生活的學習活動，培養(yǎng)學生的計算思維能力，提升學生的信息科技核心素養(yǎng)。