指向計(jì)算思維的小學(xué)信息科技問題解決式教學(xué)策略

石凱

摘要：本文以“教室智能照明系統(tǒng)”項(xiàng)目為例，詳細(xì)地闡述了指向計(jì)算思維的小學(xué)信息科技問題解決式教學(xué)策略的實(shí)踐，并得出以下思考：①真實(shí)問題是學(xué)生學(xué)習(xí)的起點(diǎn)；②學(xué)習(xí)支架是學(xué)生思維的腳手架；③計(jì)算思維是學(xué)生學(xué)習(xí)的聚焦點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；小學(xué)；問題解決式；信息科技

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2024）02-0063-03

熊璋教授提出：“計(jì)算思維是信息科技學(xué)科里最本質(zhì)的（東西），也是我們最應(yīng)該拎出來的?！盵1]但目前仍有很多信息科技教師對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)的認(rèn)識(shí)存在偏差或誤區(qū)，有的教師認(rèn)為計(jì)算思維只不過是炒作名詞概念，有的教師認(rèn)為計(jì)算思維可以通過步驟講授等傳統(tǒng)方式進(jìn)行傳授。筆者認(rèn)為，在小學(xué)信息科技教學(xué)中必須牢牢把握計(jì)算思維這一核心目標(biāo)，采用問題解決式教學(xué)培養(yǎng)具有良好計(jì)算思維品質(zhì)的學(xué)生。下面，筆者以“教室智能照明系統(tǒng)”項(xiàng)目為例，具體談?wù)勚赶蛴?jì)算思維的小學(xué)信息科技問題解決式教學(xué)策略的實(shí)踐與思考。

計(jì)算思維與問題解決式教學(xué)

計(jì)算思維是一種有效利用計(jì)算機(jī)原理和工具解決問題的策略，它隸屬于問題解決的范疇，其概念的通用界定包含四個(gè)步驟：①分解。把問題分解成更小的部分。②模式識(shí)別。在這些較小的組件中尋找模式。③抽象。專注于重要的細(xì)節(jié)，忽略無關(guān)的干擾。④算法設(shè)計(jì)。先找到解決小問題的方法，并逐步找到主要問題的解決方案。

問題解決式教學(xué)可以借助實(shí)物、多媒體、游戲、故事等創(chuàng)設(shè)直觀性、趣味性、挑戰(zhàn)性的問題情境，通過調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算問題的內(nèi)驅(qū)力，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)信息科技知識(shí)體系，啟迪創(chuàng)新思維，培養(yǎng)計(jì)算思維素養(yǎng)。

指向計(jì)算思維的小學(xué)信息科技問題解決式教學(xué)模式

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）中指出：“具備計(jì)算思維的學(xué)生，能對(duì)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?！备鶕?jù)新課標(biāo)內(nèi)容，筆者通過實(shí)踐構(gòu)建了指向計(jì)算思維的問題解決式教學(xué)模式（如下頁圖1）。

問題解決式教學(xué)案例分析—以“教室智能照明系統(tǒng)”項(xiàng)目為例

“教室智能照明系統(tǒng)”項(xiàng)目以新課標(biāo)中“過程與控制”部分要求為依據(jù)，結(jié)合教室里的真實(shí)照明問題，讓學(xué)生在解決問題的過程中充分理解過程與控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，內(nèi)化計(jì)算思維解決問題的學(xué)科思維方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)與學(xué)科核心素養(yǎng)的雙重螺旋上升。

1.發(fā)現(xiàn)真實(shí)照明問題，增長(zhǎng)抽象思維

問題解決的第一步是提出問題，而且提出的問題要與學(xué)生的日常生活學(xué)習(xí)緊密相關(guān)。在“教室智能照明系統(tǒng)”項(xiàng)目中，教師首先播放了視頻—《教室里照明燈的煩惱》，引導(dǎo)學(xué)生分析教室里的照明問題。學(xué)生發(fā)現(xiàn)無人時(shí)開燈浪費(fèi)電，光線暗時(shí)不開燈會(huì)傷害眼睛。于是，教師引導(dǎo)學(xué)生思考是否可以設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)教室智能照明系統(tǒng)來解決教室照明問題，并使用“如果……那么……否則”自然語言描述教室智能照明問題解決方案。學(xué)生經(jīng)過小組討論后得出如下解決方案：①如果有人，那么燈亮；否則，燈暗。②如果光線暗，燈亮；否則，燈暗。③如果有人且光線暗，燈亮；否則，燈暗。通過一系列思維的碰撞，學(xué)生將復(fù)雜的智能教室照明系統(tǒng)抽象為判斷是否有人、判斷光線亮度的過程，抓住了解決問題的核心要素。教師成功引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生活中的真實(shí)經(jīng)歷提出問題，組織學(xué)生通過思維碰撞共同界定問題、分析問題，并用最簡(jiǎn)單的語言抽象問題，有效幫助學(xué)生把生活經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成算法思維，啟發(fā)學(xué)生用計(jì)算機(jī)科學(xué)思想思考問題。

2.分解復(fù)雜計(jì)算系統(tǒng)，發(fā)展計(jì)算思維

在將復(fù)雜問題進(jìn)行分解時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生使用思維導(dǎo)圖、流程圖等可視化工具分析解決問題的關(guān)鍵要素，將一個(gè)大問題分解為多個(gè)小問題，并根據(jù)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)嘗試不同的解決方案，一步步促進(jìn)計(jì)算思維的發(fā)展，并真正成為真實(shí)世界問題的解決者。

在“教室智能照明系統(tǒng)”項(xiàng)目中，學(xué)生已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了教室智能照明問題，并學(xué)會(huì)進(jìn)行問題抽象得出教室智能照明系統(tǒng)的總體分析。但教室智能照明系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的計(jì)算系統(tǒng)，學(xué)生要學(xué)會(huì)根據(jù)“過程與控制”的原理和“輸入—計(jì)算—輸出”三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)性思考。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)使用流程圖（如圖2）將自然語言轉(zhuǎn)化為算法語言，清楚直觀地展示教室照明系統(tǒng)的工作過程，并逐步引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別出系統(tǒng)中的“輸入”“計(jì)算”“輸出”三個(gè)環(huán)節(jié)，從整體到模塊，使其深入理解教室照明系統(tǒng)的工作原理，為后續(xù)思考和分析其他的過程與控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，使學(xué)生的計(jì)算思維得以有效發(fā)展。

3.搭建模擬計(jì)算系統(tǒng)，提升算法思維

流程圖給出了計(jì)算系統(tǒng)的基本模型，但要把呈現(xiàn)的模型變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，學(xué)生需要經(jīng)歷真實(shí)的計(jì)算系統(tǒng)搭建，在實(shí)際編程解決問題的過程中提升算法思維。教師要引導(dǎo)學(xué)生抓住流程圖中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在圖形化編程軟件中找到實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的控件進(jìn)行替換進(jìn)而呈現(xiàn)系統(tǒng)效果。

在“教室智能照明系統(tǒng)”項(xiàng)目腳本搭建的過程中，學(xué)生必須處理好順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)的控制關(guān)系。在本課的程序中，難點(diǎn)在于雙分支語句的嵌套。在“判斷是否有人”的雙分支語句中，如果判斷出“有人”的情況，則在“有人”的條件下嵌套一個(gè)“判斷光線是否暗”的雙分支語句。在硬件方面，利用主控板、傳感器和燈等硬件設(shè)備搭建模擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。在腳本搭建過程中，學(xué)生要根據(jù)檢測(cè)的值進(jìn)行合理判斷，針對(duì)出現(xiàn)的問題不斷調(diào)整參數(shù)，模擬照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在本程序中，主要檢測(cè)兩個(gè)值。首先，利用“人體紅外傳感器”檢測(cè)是否有人，如果檢測(cè)出的值為“1”則表示有人，否則表示沒人。其次，利用“光敏傳感器”檢測(cè)光線值，具體光線值小于多少表示光線暗由學(xué)生自己設(shè)定。在調(diào)試、優(yōu)化的過程中，學(xué)生運(yùn)用信息科技模擬生活中的過程與控制系統(tǒng)，切實(shí)體驗(yàn)、感受和驗(yàn)證系統(tǒng)控制的環(huán)節(jié)和原理，計(jì)算思維也得到了進(jìn)一步強(qiáng)化。

4.真實(shí)效果檢測(cè)遷移，深化計(jì)算思維

新課標(biāo)提出：“要能夠列舉身邊的控制系統(tǒng)，并能通過識(shí)別和區(qū)分控制系統(tǒng)的輸入、計(jì)算和輸出三個(gè)環(huán)節(jié)描述身邊的控制系統(tǒng)的工作原理，感受信息科技對(duì)人們生活的重要影響，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)了解信息科技未來的發(fā)展方向?！眴栴}解決能力是將解決問題的過程中形成的思維模式靈活地應(yīng)用于生活中的其他領(lǐng)域，這也是促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維系統(tǒng)化的關(guān)鍵。

在“教室智能照明系統(tǒng)”項(xiàng)目中，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流分享，列舉出在學(xué)習(xí)和生活中的過程與控制系統(tǒng)實(shí)例，并用“輸入—計(jì)算—輸出”三個(gè)環(huán)節(jié)來描述。教師通過開展交流分享活動(dòng)檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)生活中過程與控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生從系統(tǒng)到具體模塊來思考問題，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，學(xué)生的計(jì)算思維得以進(jìn)一步深化和延伸。

思考

1.真實(shí)問題是學(xué)生學(xué)習(xí)的起點(diǎn)

教室智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)對(duì)小學(xué)生來說很真實(shí)，他們能夠把自己學(xué)到的信息科技知識(shí)與技能運(yùn)用到實(shí)際生活中去。這樣真實(shí)性的學(xué)習(xí)可以讓計(jì)算思維在教學(xué)中生發(fā)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移。

2.支架是學(xué)生計(jì)算思維的腳手架

在學(xué)生自行進(jìn)行問題解決的過程中，教師需要給予支持和幫助，即提供各種各樣的學(xué)習(xí)支架，如典型范例、流程圖、思維導(dǎo)圖、微視頻等。

3.計(jì)算思維是學(xué)生學(xué)習(xí)的聚焦點(diǎn)

在小學(xué)信息科技教學(xué)過程中，教師要始終將計(jì)算思維作為聚焦點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題的分析、抽象、建模和解決。通過聚焦計(jì)算思維，使學(xué)生能更加靈活地應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的信息，具備持續(xù)學(xué)習(xí)和適應(yīng)變化的能力。

結(jié)束語

指向計(jì)算思維的小學(xué)信息科技問題解決式教學(xué)策略，就是要以學(xué)生為中心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。教師要基于真實(shí)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題，并依據(jù)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，設(shè)計(jì)有邏輯、有梯度的問題鏈，通過問題解決層層推進(jìn)教學(xué)。這種教學(xué)方式既讓學(xué)生學(xué)到了知識(shí)，又培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新的精神，并讓學(xué)生體會(huì)到了探究知識(shí)的樂趣。[2]

參考文獻(xiàn)：

[1]熊璋，趙健，陸海豐，等.義務(wù)教育階段信息科技課程的時(shí)代性與科學(xué)性—《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》解讀[J].教師教育學(xué)報(bào)，2022（04）：63-69.

[2]劉楠，李文勝.問題解決式教學(xué)在初中地理教學(xué)中的實(shí)踐[J].基礎(chǔ)教育課程，2019（06）：61-63.