計算思維視域下問題驅(qū)動式小學(xué)編程教學(xué)實踐研究

摘要：本文提出，促進(jìn)計算思維培養(yǎng)的編程教學(xué)以問題驅(qū)動式教學(xué)為中心，包括提出問題、分析問題、設(shè)計算法、驗證方案和問題推廣等環(huán)節(jié)，并以公開課《有趣的分支結(jié)構(gòu)—if語句的嵌套》為例，介紹了少兒編程的具體實踐做法。

關(guān)鍵詞：計算思維；Python編程；問題驅(qū)動式教學(xué)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）14-0000-04

目前，義務(wù)教育階段正逐漸開展以Python編程為基礎(chǔ)的算法教學(xué)，筆者所在學(xué)校也以Python作為程序語言教學(xué)的載體，面向高年級學(xué)生開設(shè)課后服務(wù)課程“趣味Python”，旨在滿足學(xué)生多樣化、個性化的學(xué)習(xí)需求，發(fā)展學(xué)生的計算思維和培養(yǎng)科技創(chuàng)新精神，并為后續(xù)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中的“過程與控制”“小型系統(tǒng)模擬”模塊的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

概念界定

1.計算思維

新課標(biāo)中對“計算思維”的定義為：個體運用計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計等思維活動。[1]筆者結(jié)合小學(xué)生的知識經(jīng)驗基礎(chǔ)、Python編程基礎(chǔ)內(nèi)容及新課標(biāo)要求，將高年段學(xué)生的計算思維培養(yǎng)目標(biāo)確定為：針對簡單的任務(wù)，能夠分析、界定問題，識別主要特征；了解算法的特征和效率；使用自然語言或流程圖的方式描述算法；初步認(rèn)識順序、分支、循環(huán)三種基本結(jié)構(gòu)；掌握一門簡單的編程語言實現(xiàn)方案并驗證；對算法的正確性和執(zhí)行效率進(jìn)行辨析；嘗試對算法進(jìn)行迭代和優(yōu)化，并遷移運用到相關(guān)的問題解決過程中，初步養(yǎng)成算法思維的習(xí)慣。

2.問題驅(qū)動式教學(xué)

問題驅(qū)動式教學(xué)是教師和學(xué)生之間，以問題為中心進(jìn)行的雙主體的雙互動教學(xué)。[2]概括來說，教師作為知識的促進(jìn)者和指導(dǎo)者，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，精心創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生開展自主、協(xié)作式學(xué)習(xí)，在提出問題、分析問題、探究問題、解決問題的交互過程中，讓學(xué)生對知識展開積極建構(gòu)，發(fā)展高階思維，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。

問題驅(qū)動式教學(xué)模式的構(gòu)建

1.模式設(shè)計原則

（1）以Python編程為基礎(chǔ)

筆者根據(jù)小學(xué)生的認(rèn)知經(jīng)驗和特點，統(tǒng)籌規(guī)劃通俗易懂且富有趣味性的Python學(xué)習(xí)內(nèi)容，以順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)為單位分板塊教學(xué)，在生動、具體的編程實例中穿插講解Python的基礎(chǔ)知識、語法規(guī)則等。學(xué)生掌握Python初級課程，奠定扎實的知識基礎(chǔ)，有利于思維的發(fā)展。

（2）以計算思維為目標(biāo)

筆者通過實施問題驅(qū)動式教學(xué)，對學(xué)生的思維進(jìn)行分步式、階梯式的引導(dǎo)，使其經(jīng)歷思考、分析、編程、調(diào)試、優(yōu)化迭代等完整的學(xué)習(xí)體驗。學(xué)生在自主探究的過程中得到鍛煉與提升計算思維能力。

（3）以問題創(chuàng)設(shè)為核心

問題創(chuàng)設(shè)是整個教學(xué)的關(guān)鍵核心，具有真實性、弱構(gòu)性、多要素重疊等特征。一個合適的問題情境要結(jié)合少兒的心理特征，能充分激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，促進(jìn)知識的靈活提取和有意義建構(gòu)。同時，學(xué)生在核心問題的驅(qū)動下，在問題鏈的層層牽引下，將持續(xù)地聚焦于編程學(xué)習(xí)活動，最終實現(xiàn)思維深度與廣度的拓展。

（4）以合作學(xué)習(xí)為方法

筆者重構(gòu)教學(xué)組織方式和學(xué)習(xí)方式，從“學(xué)會操作”的價值訴求向“形成學(xué)科核心素養(yǎng)”轉(zhuǎn)變。無論是問題驅(qū)動的教學(xué)模式還是計算思維視角下的教學(xué)模式，都鼓勵采取協(xié)作探究、合作學(xué)習(xí)的方式，引導(dǎo)學(xué)生在同伴交流互助中，拓寬解決問題的思路，激活思維想象力，培養(yǎng)合作意識。

2.教學(xué)模式操作流程

筆者結(jié)合問題驅(qū)動式教學(xué)的一般模式、計算思維的概念以及Python編程教學(xué)的特點，構(gòu)建了問題驅(qū)動下計算思維培養(yǎng)的Python教學(xué)模式操作流程，具體包括提出問題、分析問題、設(shè)計算法、驗證方案、問題推廣五個步驟，如圖1所示。

教學(xué)案例的應(yīng)用

下面，筆者以《有趣的分支結(jié)構(gòu)—if語句嵌套》一課為例，說明問題驅(qū)動式教學(xué)模式下少小學(xué)Python編程教學(xué)的實踐過程。

1.教學(xué)內(nèi)容分析

本課選自筆者所在學(xué)校校本課程“趣味Python”中的第9課，教學(xué)目標(biāo)為：理解if語句的嵌套原理及語法結(jié)構(gòu)，能夠綜合分析，編寫程序代碼實現(xiàn)“火車站進(jìn)站系統(tǒng)”的案例?！盎疖囌具M(jìn)站系統(tǒng)”包括驗票和安檢兩個小系統(tǒng)，且存在一定的關(guān)聯(lián)性。旅客在有火車票的前提下，通過驗票系統(tǒng)后才能進(jìn)行安檢。在旅客安檢時，機(jī)器根據(jù)是否攜帶違禁品做出不同的反饋信息。本課屬于校本課程中的“分支結(jié)構(gòu)”單元的最后一課，是在單分支、雙分支、多分支內(nèi)容基礎(chǔ)上安排新知部分，既是對前期知識的鞏固，也是對編程結(jié)構(gòu)的綜合性應(yīng)用，旨在幫助學(xué)生建立清晰的邏輯關(guān)系，體驗生活中無處不在的控制系統(tǒng)。筆者基于大概念的分析單元概念、課時概念，進(jìn)一步厘清教學(xué)內(nèi)容，明確教學(xué)目標(biāo)，建立知識關(guān)系圖（如圖2）。

2.學(xué)情分析

教學(xué)對象是五年級學(xué)生，他們通過前期的學(xué)習(xí)，具備一定的數(shù)理邏輯和程序思維，且有探究熱情和創(chuàng)新意識。大部分學(xué)生能較好地理解并掌握Python分支結(jié)構(gòu)的語法格式，熟練編寫簡單的代碼，但對機(jī)器系統(tǒng)背后的邏輯原理仍難以理解。

3.教學(xué)過程

（1）提出問題

本節(jié)課的問題情境來自學(xué)生熟悉的生活，即讓學(xué)生說一說乘坐公共交通出行時進(jìn)站的經(jīng)歷。教師播放新聞視頻，視頻中的旅客攜帶活體寵物狗，在安檢時被查出來，因而不能進(jìn)站候車。

核心問題：如何運用編程知識，編寫模擬“火車站進(jìn)站系統(tǒng)”小程序？功能描述如下：首先，檢查旅客是否有火車票，如果有則通過繼續(xù)接受安檢，否則，提示要先購買車票。接著，在安檢時，要檢查旅客是否攜帶違禁品，如果有違禁品則提示不允許上車，如無，則順利通過安檢，安心候車。

（2）分析問題

核心問題復(fù)雜且宏觀，因此，師生需要共同協(xié)作，嘗試將其分解、拆分、轉(zhuǎn)化為一系列能解決的小問題。教師借助課件、學(xué)習(xí)單等逐一呈現(xiàn)子問題，在互動式問答中進(jìn)一步梳理思路、規(guī)劃方案。基礎(chǔ)型問題鏈如下：

子問題1：“火車站進(jìn)站系統(tǒng)”分別檢測什么？可分為哪兩個小的系統(tǒng)？

子問題2：“驗票系統(tǒng)”和“安檢系統(tǒng)”分別用什么結(jié)構(gòu)實現(xiàn)？它們之間存在怎樣的關(guān)系？

通過分析問題，有效訓(xùn)練學(xué)生的算法思想，激發(fā)主動參與學(xué)習(xí)意識，點燃思維的火花。

（3）設(shè)計算法

根據(jù)前期的討論和交流，學(xué)生逐漸明晰思路，但還需要從計算機(jī)解決問題的角度理解和設(shè)計方案。教師及時進(jìn)行層層設(shè)問，問題由現(xiàn)實問題向計算機(jī)能解決的問題轉(zhuǎn)變。應(yīng)用型問題鏈如下：

子問題3：根據(jù)學(xué)習(xí)單上的自然語言描述，如何補全流程圖？

子問題4：要獲取哪些數(shù)據(jù)信息？定義哪些類型的變量？

子問題5：if語句嵌套結(jié)構(gòu)的格式是什么？

教師提供流程圖框架，學(xué)生嘗試填寫流程圖表示算法設(shè)計（如圖3）。針對本節(jié)課的重點—if嵌套結(jié)構(gòu)的語法格式，教師仍需要適當(dāng)?shù)赜枰灾v解與演示。師生之間相互研討交流，展示算法設(shè)計方案，進(jìn)一步補充完善設(shè)計思路。

（4）驗證方案

學(xué)生開展實踐活動，逐一解決問題，在軟件中編寫Python代碼，調(diào)試運行，實施并驗證方案。應(yīng)用型問題鏈如下：

子問題6：如何用Python編程實現(xiàn)算法方案？

子問題7：調(diào)試程序，觀察能否正常運行，如何修改BUG？

子問題8：兩段不同的程序代碼，結(jié)果有何異同？

在此過程中，教師提供參考性的微視頻、技術(shù)文檔、學(xué)習(xí)單、半成品等資源作為輔助性學(xué)習(xí)資料，并及時巡視指導(dǎo)，反饋共性問題。最終，學(xué)生展示案例作品，開展成果交流評價，深入理解程序的正確性、簡潔性、可讀性。

（5）問題推廣

教師組織學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)評價與總結(jié)，鼓勵學(xué)生從工程設(shè)計思維的角度，調(diào)用跨學(xué)科知識開展創(chuàng)新設(shè)計。同時，在課后作業(yè)“實踐園”中，提供相似的情境，如校園晨午檢系統(tǒng)等，供學(xué)生在課后繼續(xù)探索。遷移問題鏈如下：

子問題9：如果你是工程師，在現(xiàn)有“火車站進(jìn)站系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上，如何優(yōu)化或增加其他功能？小組展開頭腦風(fēng)暴，說一說想法。

子問題10：“實踐園”中的兩個案例情境，如何解決？

學(xué)生進(jìn)行自我學(xué)習(xí)評價，并靈活、自主地將計算思維的方法遷移應(yīng)用到類似的問題情境中。這也是對計算思維中模式匹配思維的強(qiáng)化與訓(xùn)練，有助于培養(yǎng)學(xué)生運用數(shù)字化工具改善生活的能力，形成社會責(zé)任意識。

踐行問題驅(qū)動式編程教學(xué)的策略

1.抓住核心，創(chuàng)設(shè)問題情境，激活思維意識

建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)個體在特定的環(huán)境中，進(jìn)行舊知識的改造與重組、新知識的吸收與建構(gòu)，最終達(dá)到平衡。新課標(biāo)也提倡遴選“科”與“技”并重的內(nèi)容，營造真實性學(xué)習(xí)氛圍，創(chuàng)設(shè)出生活化的、有意義的真實情境，并以此衍生出亟待解決的核心問題。區(qū)別于非情境化且解決方案單一的良構(gòu)問題，具有一定復(fù)雜性、開放性、求解方案不確定性的劣構(gòu)問題更能調(diào)動學(xué)生多學(xué)科的知識儲備，將零碎的知識進(jìn)行系統(tǒng)化整合。所以，教師應(yīng)以核心問題驅(qū)動，充分預(yù)設(shè)問題鏈，精心組織教學(xué)資源，搭建學(xué)習(xí)支架，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗，圍繞核心問題參與互動式學(xué)習(xí)，積極探索用信息科技的手段解決問題的過程與方法，經(jīng)歷自主建構(gòu)知識的全過程，激活思維螺旋上升式發(fā)展。

2.組織階梯式問題鏈，發(fā)展思維能力

維果茨基的最近發(fā)展區(qū)理論提出，學(xué)生在教師或同伴的幫助下，能夠激發(fā)自身的潛能，自主探究達(dá)到更高層次的發(fā)展水平。在此理論的指導(dǎo)下，以及核心問題的驅(qū)動下，教師可運用“問題鏈”的方式，將問題拆解成一系列指向明確、邏輯相關(guān)、層次遞進(jìn)的子問題集合，吸引學(xué)生全身心地參與到學(xué)習(xí)活動中。

例如，在本節(jié)課中，筆者在各環(huán)節(jié)中均設(shè)置了多個子問題，形成多條問題鏈。學(xué)生在階梯式問題鏈的驅(qū)動下，不斷地分析、抽象、討論、模擬、驗證方案，在潛移默化中理解并掌握if語句的嵌套結(jié)構(gòu)，體驗從原理認(rèn)知到實踐操作再到遷移應(yīng)用的高階思維發(fā)展過程。

3.創(chuàng)新設(shè)置“問題推廣”環(huán)節(jié)，提升思維品質(zhì)

在問題驅(qū)動的教學(xué)模式中，教師可設(shè)置“問題推廣”環(huán)節(jié)，讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容及科學(xué)方法進(jìn)行復(fù)盤和整理，幫助其建構(gòu)完整的知識體系。教師利用發(fā)散型問題鏈拓展學(xué)生的思維空間，調(diào)動新舊知的重組、建構(gòu)以及遷移應(yīng)用，實現(xiàn)發(fā)散思維、邏輯思維、計算思維等多維度的發(fā)展。例如，在本節(jié)課中，學(xué)生以“工程師”的角色對“火車站進(jìn)站系統(tǒng)”進(jìn)行全盤思考和優(yōu)化迭代，在討論、交流、匯報中展開思維的碰撞。最后，通過“實踐園”的拓展案例，鼓勵學(xué)生進(jìn)行遷移運用。

參考文獻(xiàn)：

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本文系江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究課題“基于‘1+X’問題鏈的小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)實踐研究”（編號：2021JY14-L74）、南京市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度立項課題“計算思維視域下小學(xué)創(chuàng)客教育校本課程的建設(shè)研究”（編號：L/2021/169）階段性研究成果。