體育游戲培育計算思維的活動設計與實踐研究

摘要：計算思維是智能社會必備的思維方式，其并非計算科學領域獨有，而是存在于各個學科。計算思維教育應從低齡兒童抓起，并以編程教育為錨點展開，然而很多國家及地區(qū)由于經(jīng)濟條件限制，無法在學校開展編程教育。基于上述問題，本研究采用案例分析法，以選擇排序和二分查找算法為教學內(nèi)容設計學習主題“尋覓幸運兒”，繼而實施、評價與優(yōu)化教學，以期尋得低成本的計算思維教學模式。通過前、后測數(shù)據(jù)對比，本研究發(fā)現(xiàn)，以算法原理為根基的小學體育游戲教學可以有效促進學生理解并掌握算法概念，進而提升學生的計算思維水平。因此，在小學體育游戲中融合算法原理是發(fā)展低齡兒童計算思維的行之有效的教學模式。

關鍵詞：算法；計算思維；小學低年級；跨學科；體育游戲

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）14-0039-06

引言

計算思維伴隨著計算機的發(fā)展已然成為人類不可或缺的思維方式。它指向計算機解決問題的指令與流程，同時也指向人類利用計算機解決問題的意識與過程。[1]然而，它并不獨屬于計算科學領域，而是隨著計算機的普及，逐漸滲透到其他學科領域。因此，計算思維具有顯而易見的跨學科屬性。

教育部2022年頒布的義務教育階段各學科課程標準打破了學科間的壁壘，如《義務教育體育與健康課程標準（2022年版）》《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）均有一定比例的跨學科主題學習要求，但鮮有研究表明如何跨學科培養(yǎng)學生的計算思維。

編程學習是培養(yǎng)學生計算思維的載體，并且逐漸走向低齡化。皮亞杰的認知發(fā)展理論認為小學低年級學生思維凸顯表象性，需借助具象事物學習抽象概念。因而，學生借助體育游戲，以肢體為媒介學習計算思維具有一定的可行性。此外，由于教學條件的限制，國內(nèi)很多小學并未開展編程教育，而體育游戲無疑是簡單易懂、經(jīng)濟實用的編程學習方式。

針對以上現(xiàn)狀，并結(jié)合學生生理特點及學習起點，本研究以選擇排序算法及二分查找算法為學習內(nèi)容，采用案例分析法，設計學習主題“尋覓幸運兒”，以驗證在小學體育游戲教學中滲透算法原理教學能否有效促進學生計算思維的發(fā)展。

文獻綜述

1.計算思維

計算思維是指采用計算機的概念及原理處理問題、設計系統(tǒng)、理解人類行為的方法[2]，其與數(shù)學思維、工程思維、科學思維息息相關。在分析、解決問題的過程方面，它與數(shù)學思維有共通之處，在設計、驗證系統(tǒng)等方面，它囊括了工程思維，在可計算性、人類智慧與行為方面，它體現(xiàn)了科學思維。[3]此外，計算思維也被視為一種利用計算機處理思維活動的能力[4]，包含編程涉及的計算概念、解決問題的計算步驟、了解世界的計算視角。[5]

在本研究中，計算思維指人類運用及模擬計算機處理問題的算法機制，即分析及分解問題，抽象及符號化問題，轉(zhuǎn)化為可供計算機處理的計算模型，最終自動化處理問題。

2.編程教育

（1）編程是計算思維的載體

編程教育逐漸面向低齡兒童，我國面向小學生的編程教育最早出現(xiàn)在2000年，隨著2017年《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[6]的發(fā)布，編程教育被正式納入中小學教育大綱。編程是培育學生計算思維的重要載體，學生通過編程學習理解計算機工作的底層原理，最終在計算機的助力下解決問題。[7]

傳統(tǒng)編程教育依托顯示器與計算機CPU互動完成編程學習，然而計算機屏幕嚴重傷害兒童視力。因此，越來越多的學者投入到無屏幕編程教育的研究中，從研究結(jié)果看，無屏幕編程可以有效促進兒童計算思維的發(fā)展。[8]無屏幕編程教育指不依托電子顯示屏的編程教育教學活動，也可稱之為不插電或玩具化編程教育[9]，提議學生通過物理活動或設備開展編程學習。物理活動以積木、卡片等任意有形物體表現(xiàn)編程邏輯。物理設備共有兩類，一類是編程機器人，如Bee-Bot Robot，另一類則是物理機械設備，如Code Monkey Island。物理設備往往造價高昂，物理活動則成本極低。[10]體育游戲是一種以身體為載體的特殊編程學習物理活動，技術(shù)學習應當遵循具身性，還原學習本質(zhì)，充分發(fā)揮肢體的介質(zhì)性，關注學生自身體驗，加強技術(shù)與身體的鏈接與耦合。[11]

所以，本研究以體育游戲為編程學習的載體，讓學生用肢體動作模擬算法原理，達到體驗及學習編程的目的。

（2）算法是編程學習的核心

計算思維涉及概念和策略兩個維度的內(nèi)容，工具、數(shù)據(jù)、算法、系統(tǒng)是計算概念中的關鍵學習對象。算法是人為設定的計算機重復加工及計算的邏輯與規(guī)則，是計算機處理問題的核心機制。[12]計算機程序的底層原理是算法，編程教育在返璞歸真后，應當以“算法”為核心學習內(nèi)容。[13]

世界萬物本無序，當萬物抽象為符號與數(shù)字后，誕生了林林總總的數(shù)據(jù)與信息，這便為算法提供了可執(zhí)行對象。計算機利用排序算法變無序為有序，再使用查找算法在有序的信息中鎖定目標對象。

本研究的學習主題“尋覓幸運兒”將選擇排序和二分查找算法作為教學內(nèi)容，以算法的體驗與學習代替編程技能教育。

3.跨學科學習

計算機的信息加工以及計算能力使其具備學科普適性，這使得許多學科越發(fā)依賴計算機解決學科問題，面臨計算機化的挑戰(zhàn)。古語道，“道無處不在”，在科學領域，“道”指本質(zhì)屬性和底層規(guī)律，所有的學科均有其“道”，經(jīng)過抽象處理后表現(xiàn)為“計算模型”。

（1）探索低成本培育途徑的必要性

新課標規(guī)定，小學低年級學生通過使用數(shù)字設備，體驗設備操作步驟學習計算思維。[14]但由于我國教育資源分配不均，大多數(shù)學校無法支持學生體驗數(shù)字設備，因此有必要探尋計算思維的低成本培育途徑。

（2）組織跨學科學習主題的必然性

新課標提倡打破學科邊界，實現(xiàn)全學科育人，且規(guī)定須組織跨學科主題學習。[15]跨學科主題學習強調(diào)實踐性、真實性和綜合性，可立足于任務實踐，在情境中習得學科概念。[16]跨學科主題學習有助于改善學科知識互相獨立的現(xiàn)狀，讓學生學會綜合應用全學科知識。計算思維天然的跨學科屬性使其滿足跨學科主題學習內(nèi)容要求。[17]

（3）構(gòu)建具身性編程教育的可行性

體育游戲教學符合小學低年級學生心理及生理認知特點，體育課標將其設置為重要教學內(nèi)容，以提高學生參與學科學習的主動性與積極性。[18]而在學科融合育人的背景下，適當改編體育游戲能使其符合新時代的育人要求。[19]所以，在具身性編程教育中，可以基礎體育技能模擬算法原理，使學生身臨其境體驗算法邏輯。例如，摒棄單一的技能訓練，以走、跑、跳等基礎體育技能模擬循環(huán)算法原理，當學生聽到教師的指令后需做出動作回應。指令如“一直往前跳，聽到口令則結(jié)束”“當聽到口令時往前走1步”，分別對應循環(huán)算法中的“直到型循環(huán)結(jié)構(gòu)”“當型循環(huán)結(jié)構(gòu)”。

研究設計

1.研究對象

W小學數(shù)字教學設備老舊，無法為學生提供數(shù)學體驗設備。本研究經(jīng)過預實驗最終確定以W小學201班全體學生（共30名）為研究對象。

2.研究方法

本研究采用案例研究法，分三步進行。首先，根據(jù)教學設計實施教學；其次，基于上課數(shù)據(jù)分析教學過程；最后，形成教學結(jié)論反向促進教學設計。

3.教學設計

（1）教學內(nèi)容

本研究以“尋覓幸運兒”為學習主題，基于體育基本技能“隊列隊形”及計算科學概念“選擇排序和二分查找算法”展開教學活動。

（2）學生特征

根據(jù)皮亞杰認知理論，小學低年級學生的思維還未發(fā)展到具體運算階段，表5/Vyv/KdMPFE6mL/7jjqvA==象性思維突出，抽象思維剛開始形成，需借助具象事物理解抽象性概念。同時，學生在該階段精力旺盛，因此該階段是學習體育技能和發(fā)展體能的敏感期，是培養(yǎng)體育愛好、養(yǎng)成堅韌品格和團隊協(xié)作精神的關鍵期。

（3）教學目標

體育與健康學科教學目標：理解并掌握隊列隊形的運動技能，養(yǎng)成遵守紀律、聽從指令的好習慣。

小學信息科技學科教學目標：通過體育游戲模擬算法原理，在游戲中體驗并理解選擇排序和二分查找算法的底層邏輯，進而發(fā)展計算思維。

（4）教學重難點

重點：隊列隊形的游戲規(guī)則的講解與實踐。

難點：讓學生在游戲過程中沉浸體驗算法的底層原理。

（5）課時安排

共3個課時：第1課時采集學生前測結(jié)果，再以動畫的形式介紹游戲規(guī)則。第2課時完成案例一教學。第3課時完成案例二教學，并完成學生后測數(shù)據(jù)收集。

（6）教學活動設計

學習主題“尋覓幸運兒”的教學活動過程如上頁表1所示，兩個案例的教學環(huán)節(jié)均由開始、準備、基本、結(jié)束四個部分組成。

（7）教學評價設計

本研究根據(jù)三段式測試原理，將每一道教學測評題細分為答案、依據(jù)、信心三個維度[20]，并且根據(jù)學生的得分，將測試結(jié)果分為掌握牢固、含糊不清、基礎薄弱、知識欠缺四個水平。

如表2所示，每道題對應的三個維度全部答對表明學生牢固掌握知識，得3分。答案、依據(jù)兩個維度均答對，但最后一個維度答錯，表明學生知識含糊不清，得2分。答案和依據(jù)兩個維度僅答對其中之一，表明學生知識基礎薄弱，得1分。學生三個維度均答錯則表明欠缺相關知識，得0分。

如表3所示，本研究將評價內(nèi)容分為序數(shù)與排序、選擇排序算法、二分查找算法三個部分。序數(shù)與排序是排序算法的基礎概念，Q1用于測試學生序數(shù)與排序的概念掌握程度，Q2、Q3用于測試學生選擇排序算法掌握水平，Q4、Q5用于測試學生二分查找算法理解水平。

研究結(jié)果與討論

本研究使用教學測評題（如表3）測試學生選擇排序和二分查找算法原理的認知起點，并且在研究實施后讓學生再一次完成表3內(nèi)容，兩份數(shù)據(jù)被作為研究的前測以及后測數(shù)據(jù)。二年級學生閱讀能力薄弱，因此在測試過程中，需要給學生提供相應的協(xié)助。學生前測和后測均發(fā)放30份測評題，回收30份，回收率100%。

本研究樣本量僅有30，因此采用夏皮洛-威爾克法進行正態(tài)性分布檢驗，結(jié)果如表4所示。由表4可知，學生前、后測數(shù)據(jù)的夏皮洛-威爾克檢驗顯著性水平均大于0.05，說明前、后測得分符合正態(tài)分布，可進行配對樣本t檢驗。

學生樣本配對t檢驗結(jié)果，如表5所示，sig（雙尾）=0.000，說明學生體育游戲教學實施前、后分數(shù)間具有極顯著差異。

由表6結(jié)果可知，學生前測分數(shù)平均值低于2，算法原理維度的測驗分數(shù)甚至低于1。學生后測分數(shù)顯著高于前測，其中序數(shù)與排序維度的得分均值甚至接近3，選擇排序算法維度得分接近2.5，二分查找算法維度則大于2。

依據(jù)測試題計分標準（如表2）可知，學生在前測階段對選擇排序和二分查找算法的概念與原理幾乎一無所知，后測階段則基本理解了兩種算法的底層邏輯。

綜上所述，算法原理植根于體育游戲教學可有效促進小學低年級學生理解與掌握算法概念與邏輯，推動學生計算思維的發(fā)展。小學體育與健康學科跨學科培養(yǎng)小學低年級學生的計算思維具有可行性。

結(jié)語

算法是計算機科學家設計的可供計算機運算的指令，是計算機處理問題能力的核心。由此可見，計算思維教育的關鍵在于讓學生感悟和理解算法概念與原理。目前，對學生計算思維的培養(yǎng)大多以編程教育為基石，然而由于教育資源分配不均，發(fā)展滯后的國家或地區(qū)無法為學生提供編程學習的硬件設施。體育游戲的趣味性與易學性符合小學低年級學生的生理及心理認知特征。在游戲過程中，學生以身體為媒介，解密算法概念與邏輯。此外，以體育游戲培養(yǎng)小學低年級學生計算思維的經(jīng)濟成本微乎其微，為欠發(fā)達地區(qū)低齡兒童計算思維的培養(yǎng)提供更多可能性。

后續(xù)研究將持續(xù)豐富體育游戲跨學科培養(yǎng)低齡兒童計算思維的相關教學案例，探索其他算法概念融入小學體育游戲教學的途徑，實現(xiàn)計算思維教育的低齡化、高效化與低成本化。

參考文獻：

[1]陳國良，李廉，董榮勝.走向計算思維2.0[J].中國大學教學，2020（04）：24-30.

[2]Wing J M.Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（03）：33-35.

[3]Wing J M.Computational thinking and thinking about computing[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A： Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2008，366（1881）：3717-3725.

[4]Berland M，Wilensky U.Comparing virtual and physical robotics environments for supporting complex systems and computational thinking[J].Journal of Science Education and Technology，2015（24）：628-647.

[5]Brennan K，Resnick M.New frameworks for studying and assessing the development of computational thinking[C]//Proceedings of the 2012 annual meeting of the American educational research association，Vancouver，Canada.2012（01）：25.

[6]中華人民共和國中央人民政府.國務院關于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知[EB/OL].https：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[7]多召軍，劉巖松，任永功.編程教育促進兒童計算思維發(fā)展的內(nèi)在機理與教學實踐研究[J].電化教育研究，2022，43（08）：101-108.

[8]高宏鈺，于開蓮，蔣云宵，等.無屏幕編程教育活動對學前兒童計算思維和創(chuàng)造性思維的影響研究[J].電化教育研究，2024，45（04）：96-103.

[9]王佑鎂，宛平，南希烜，等.實體編程促進計算思維發(fā)展：工具與策略[J].中國電化教育，2021（08）：92-98.

[10]羅文蔚，陳蕙若，劉天娥，等.無屏幕編程教育的興起、目標與實踐——基于社交媒體研究法（SMR）的Twitter大數(shù)據(jù)分析[J].遠程教育雜志，2020，38（05）：101-112.

[11]孫悅含，邊霞.基于技術(shù)具身的兒童編程教育：現(xiàn)狀、歸因及路徑創(chuàng)新[J].電化教育研究，2022，43（12）：114-120+128.

[12]馮友梅，王昕怡，佳溫，等.信息科技課程中計算思維多層進階式目標體系設計[J].電化教育研究，2024，45（05）：53-59+68.

[13]馮友梅，王昕怡，溫佳，等.信息科技課程中“科學原理”的核心教學方法：歸于算法，始于算理[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2023，33（07）：35-43.

[14]任友群，黃榮懷，熊璋.從信息技術(shù)到信息科技——關于《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的對話[J].課程·教材·教法，2022，42（12）：21-31.

[15]尹志華，劉皓暉，孫銘珠.核心素養(yǎng)下《義務教育體育與健康課程標準》2022與2011年版比較分析[J].天津體育學院學報，2022，37（04）：395-402.

[16]詹澤慧，季瑜，賴雨彤.新課標導向下跨學科主題學習如何開展：基本思路與操作模型[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2023，35（01）：49-58.

[17]萬昆.跨學科學習的內(nèi)涵特征與設計實施——以信息科技課程為例[J].天津師范大學學報：基礎教育版，2022，23（05）：59-64.

[18]張婷.小學低年級體育游戲化教學的理念與實踐[J].小學教學研究，2024（12）：53-54+56.

[19]王永紅.學科融合視角下體育游戲在小學課堂教學中的運用策略[J].體育教學，2024，44（04）：11-12.

[20]Hasan，S.，Bagayoko，D & Kelley，E.L.（1999）.Misconceptions and the Certainty of Response lndex （CRI）UJ Physics Education，34（05）：294-299.