小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

摘 要：計(jì)算思維能力是一種重要的思維模式與能力，是信息時(shí)代科技人才必須具備的核心素養(yǎng)之一。分析了計(jì)算思維能力內(nèi)涵，以蘇科版《小學(xué)信息技術(shù)》五年級(jí)“設(shè)計(jì)手機(jī)架”一課為例，探究小學(xué)信息技術(shù)中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)策略，提出從情境教學(xué)、任務(wù)分析、尋找算法、歸納總結(jié)、遷移運(yùn)用五個(gè)方面切入，有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生算法、分解抽象、評(píng)估、概括、優(yōu)化創(chuàng)新等思維能力。

關(guān)鍵詞：小學(xué)信息技術(shù)；計(jì)算思維能力；培養(yǎng)策略

作者簡(jiǎn)介：許方（1981—），男，江蘇省無(wú)錫市連元街小學(xué)。

一、計(jì)算思維能力內(nèi)涵分析

計(jì)算思維概念最早由周以真教授提出，其認(rèn)為計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概念求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、理解人類行為等計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域涉及的一系列思維活動(dòng)［1］。隨著研究的深入，關(guān)于計(jì)算思維的內(nèi)涵也有了更具體的闡述。南安普敦大學(xué)的Cynthia Selby與John Woollard兩位博士，在周以真教授提出的概念的基礎(chǔ)上，提出計(jì)算機(jī)思維包括五個(gè)要素，即算法思維、評(píng)估、分解、抽象、概括［2］?！读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出：“計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)算計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問(wèn)題解決過(guò)程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)。具備計(jì)算思維的學(xué)生，能對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象、分解、建模，并通過(guò)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(wèn)題的過(guò)程，反思、優(yōu)化解決問(wèn)題的方案，并將其遷移運(yùn)用于解決其他問(wèn)題?！本C合以上關(guān)于計(jì)算思維內(nèi)涵的論述，教師應(yīng)在學(xué)生主動(dòng)的思維活動(dòng)和解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)他們的計(jì)算思維能力，確定具體的培養(yǎng)要素，采取有針對(duì)性的培養(yǎng)策略。

二、小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)策略

整合計(jì)算思維的內(nèi)涵，本文提煉出算法思維、分解抽象思維、評(píng)估思維、概括思維、優(yōu)化創(chuàng)新思維五項(xiàng)能力要素，結(jié)合信息技術(shù)學(xué)科特征以及小學(xué)生年齡特征，以蘇科版《小學(xué)信息技術(shù)》五年級(jí)“設(shè)計(jì)手機(jī)架”一課為例，對(duì)每項(xiàng)能力要素培養(yǎng)的策略進(jìn)行論述，具體如下。

（一）基于情境教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的算法思維

算法思維是指以系統(tǒng)的方法描述解決問(wèn)題的策略機(jī)制。思維是能力發(fā)展的基礎(chǔ)，教師要培養(yǎng)學(xué)生的算法思維，引導(dǎo)其運(yùn)用信息技術(shù)思維看待世界。計(jì)算思維能力培養(yǎng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)解決問(wèn)題的過(guò)程，學(xué)生要運(yùn)用算法思維從問(wèn)題中抽象出技術(shù)應(yīng)用特征，明確解決問(wèn)題的一般性方法。為了激活學(xué)生思維，教師應(yīng)從學(xué)生感興趣且具有真實(shí)性的情境出發(fā)，促使學(xué)生能夠由自然語(yǔ)言抽象出可供計(jì)算機(jī)識(shí)別的模型，并將其轉(zhuǎn)化為最優(yōu)算法。換言之，教師應(yīng)構(gòu)建真實(shí)的生活實(shí)踐場(chǎng)景，使學(xué)生有良好的代入感，主動(dòng)投入探究。

“設(shè)計(jì)手機(jī)架”一課為五年級(jí)教材的第23課（該教材共24課），此時(shí)的學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的3D建?；A(chǔ)，通過(guò)學(xué)習(xí)本課內(nèi)容，他們能進(jìn)一步熟悉“平面”工具、“移動(dòng)”工具的使用。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，使學(xué)生回憶自己或家長(zhǎng)在使用手機(jī)時(shí)是否經(jīng)常出現(xiàn)忘記手機(jī)放在哪、不小心將手機(jī)掉落地上、水灑在手機(jī)上等情況，思考應(yīng)該采用什么方法來(lái)解決這些問(wèn)題。學(xué)生聯(lián)系已有生活經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為給手機(jī)“安家”再合適不過(guò)，即設(shè)計(jì)手機(jī)支架使手機(jī)擺放在固定位置。由此，教師可啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考如何運(yùn)用3D建模工具設(shè)計(jì)手機(jī)支架。

通過(guò)真實(shí)問(wèn)題情境啟發(fā)學(xué)生思維后，教師引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)主題，并融入3D建模思維，啟發(fā)學(xué)生思考如何運(yùn)用3D建模解決問(wèn)題。學(xué)生則要圍繞情境抽象問(wèn)題本質(zhì)，排除復(fù)雜的干擾條件，確定本節(jié)課所要解決的問(wèn)題是“運(yùn)用3D建模工具設(shè)計(jì)手機(jī)支架”。

（二）引導(dǎo)任務(wù)分析，培養(yǎng)學(xué)生的分解抽象思維

進(jìn)入探究環(huán)節(jié)，教師要以任務(wù)驅(qū)動(dòng)法引導(dǎo)學(xué)生深入探究，學(xué)會(huì)運(yùn)用不同的建模工具完成手機(jī)支架的3D模型設(shè)計(jì)。在探究前，學(xué)生會(huì)擁有一次絕佳的思維訓(xùn)練契機(jī)，即分解、抽象探究任務(wù)。第一步，以自然語(yǔ)言為載體理解任務(wù)，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語(yǔ)言，初步鍛煉抽象思維。第二步，以思維導(dǎo)圖為載體分解任務(wù)，抽象出問(wèn)題模型，明確解決問(wèn)題需要的要素以及要素與背景之間的關(guān)系，從而為算法的設(shè)計(jì)與選擇提供依據(jù)。

1.以自然語(yǔ)言分析、轉(zhuǎn)換任務(wù)

自然語(yǔ)言是指現(xiàn)代漢語(yǔ)、英語(yǔ)等日常生活中用于交流與呈現(xiàn)思維的語(yǔ)言工具。學(xué)生要運(yùn)用自然語(yǔ)言分析、理解、描述、轉(zhuǎn)換任務(wù)，使之與計(jì)算機(jī)內(nèi)部?jī)?nèi)容映射，明確在本次3D建模過(guò)程中需要完成哪些內(nèi)容。

本節(jié)課的驅(qū)動(dòng)任務(wù)是“利用建模軟件設(shè)計(jì)3D手機(jī)支架模型”，學(xué)生要以自然語(yǔ)言理解任務(wù)內(nèi)容，將其轉(zhuǎn)換并分解為需要解決的實(shí)際問(wèn)題，抽象出“制作手機(jī)架底座”與“制作手機(jī)架插口”兩項(xiàng)子任務(wù)。其中，在“制作手機(jī)架底座”任務(wù)中，學(xué)生要運(yùn)用“平面”工具創(chuàng)建包含所選草圖元素的布局，利用“直線”工具繪制底座，再以“移動(dòng)”工具與“拉伸”工具使底座的直線圖像旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw結(jié)構(gòu)。因此，本項(xiàng)任務(wù)可以轉(zhuǎn)化為通過(guò)“平面”工具與“移動(dòng)”工具的配合將平面圖形轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw結(jié)構(gòu)。在“制作手機(jī)架插口”任務(wù)中，學(xué)生要先找到平面，在平面上繪制插口形狀，利用“拉動(dòng)切割”操作，形成切口，具體操作中需要使用“編輯”工具區(qū)、“插入”工具區(qū)、“定向”工具區(qū)、“模式”工具區(qū)、“草圖”工具區(qū)的工具，而本項(xiàng)任務(wù)可以轉(zhuǎn)化為將立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎴D形、確定插口形狀，最后再轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw結(jié)構(gòu)切割。

以自然語(yǔ)言為載體對(duì)任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)換與分析，學(xué)生能夠清晰地理解任務(wù)內(nèi)容，明確解決問(wèn)題的步驟以及需要計(jì)算機(jī)處理的程序、原理等，通過(guò)抽象思維將任務(wù)具體化，有效鍛煉算法以及抽象思維。

2.以思維導(dǎo)圖分解、抽象任務(wù)

思維導(dǎo)圖是一種既可以實(shí)現(xiàn)思維過(guò)程可視化、理清思維邏輯，又能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能力的工具。借助思維導(dǎo)圖，學(xué)生能夠回顧整個(gè)思考過(guò)程。教師要引導(dǎo)學(xué)生在分析任務(wù)過(guò)程中運(yùn)用思維導(dǎo)圖，將分解的任務(wù)內(nèi)容以思維導(dǎo)圖形式呈現(xiàn)，理清解決問(wèn)題中需要的要素，判斷要素與背景之間的相互關(guān)系，抽象出完整的模型，鍛煉學(xué)生的分解思維和抽象思維［3］。此外，在以思維導(dǎo)圖呈現(xiàn)思維過(guò)程時(shí)，學(xué)生可以觀察自身的邏輯是否嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)知有無(wú)漏洞，也方便教師指導(dǎo)學(xué)生完善認(rèn)知，有效提升計(jì)算思維能力培養(yǎng)效果。

經(jīng)過(guò)分解與抽象，學(xué)生得到兩項(xiàng)子任務(wù)的思維導(dǎo)圖，確認(rèn)“制作手機(jī)架底座”任務(wù)的核心要素為直角梯形，其引出的分支如下所示。

繪制草圖：“草圖”工具區(qū)“直線”按鈕。

形狀：直角梯形。

尺寸：30mm×45mm×60mm（上底×下底×高）。

“制作手機(jī)架插口”任務(wù)的核心角色為平行四邊形，其引出的分支如下所示。

確定中軸線：“編輯”工具區(qū)“選擇”按鈕。

生成平面：“插入”工具區(qū)“平面”按鈕。

調(diào)整插入平面方向：“定向”工具區(qū)“平面圖”按鈕。

轉(zhuǎn)化為草圖模式：“模式”工具區(qū)“草圖模式”按鈕。

畫平行四邊形：“草圖”工具區(qū)“線條”按鈕。

切割插口：“編輯”工具區(qū)“選擇”按鈕，單擊平行四邊形；拉動(dòng)按鈕，在“拉動(dòng)選項(xiàng)”中點(diǎn)擊“同時(shí)拉兩側(cè)”按鈕，再單擊“切割”按鈕；將鼠標(biāo)箭頭指向平行四邊形方向，拖動(dòng)鼠標(biāo)，將插口切出。

思維導(dǎo)圖有助于梳理學(xué)生的思維，將抽象思維可視化、將思考過(guò)程具體化，使學(xué)生的思維能力切實(shí)得到有效訓(xùn)練。教師也可以根據(jù)思維導(dǎo)圖判斷學(xué)生是否形成了完整的問(wèn)題模型，引導(dǎo)學(xué)生尋找最優(yōu)算法。

（三）尋找最優(yōu)算法，培養(yǎng)學(xué)生的評(píng)估思維

在分解任務(wù)、描述任務(wù)、呈現(xiàn)思維的過(guò)程中，學(xué)生已經(jīng)清晰了解了任務(wù)內(nèi)容，也基本建構(gòu)了問(wèn)題模型，接下來(lái)則要通過(guò)算法設(shè)計(jì)，將思維過(guò)程以及模型內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蛘Z(yǔ)言。本環(huán)節(jié)是培養(yǎng)評(píng)估思維的重要契機(jī)，教師可以通過(guò)尋找最優(yōu)算法，引導(dǎo)學(xué)生客觀評(píng)估算法，對(duì)算法進(jìn)行反思，不斷優(yōu)化，形成合理且完整的建模思路，順利推進(jìn)任務(wù)。為了使程序語(yǔ)言的邏輯更加清晰，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生畫流程圖，由問(wèn)題出發(fā)，經(jīng)過(guò)分解與抽象將每個(gè)子任務(wù)及完成任務(wù)所需要的操作組合起來(lái)，形成完整項(xiàng)目［4］，繼而組織學(xué)生結(jié)合流程圖交流，評(píng)估算法是否達(dá)到最優(yōu)。

在本節(jié)課中，學(xué)生按照自頂向下的方法，由“手機(jī)支架3D模型”引出兩項(xiàng)子任務(wù)，由兩項(xiàng)子任務(wù)引出完成任務(wù)所需要的工具與條件，將思維導(dǎo)圖中的各項(xiàng)分支合理地填充到流程圖內(nèi)，并羅列具體操作步驟，采用箭頭指明方向。流程圖形成后，小組內(nèi)要先比較流程圖內(nèi)容的差異，評(píng)估每個(gè)流程的算法能否滿足條件，實(shí)現(xiàn)預(yù)期建模效果，然后開展綜合判斷，從最終的設(shè)計(jì)效果出發(fā)做出取舍或優(yōu)化，從而確定最優(yōu)算法。如，有小組在評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)制作手機(jī)架插口要經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換，先從立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫婺Ｊ?，但切割圖形的操作要在立體圖形上完成，其間涉及平面向立體的轉(zhuǎn)變，流程圖中很容易忽視這一模式調(diào)整。經(jīng)過(guò)反思，該小組認(rèn)為需要在設(shè)置插口前增加“轉(zhuǎn)化三維模式”（“模式”工具區(qū)“三維模式”按鈕）流程，從而優(yōu)化算法，確保邏輯完整、嚴(yán)謹(jǐn)。

在上述過(guò)程中，教師組織學(xué)生繪制流程圖，讓學(xué)生圍繞流程圖中的步驟進(jìn)一步系統(tǒng)地整理問(wèn)題解決思路，并以分析、評(píng)估、判斷等手段對(duì)無(wú)法達(dá)到建模需求的程序進(jìn)行優(yōu)化，獲取最優(yōu)算法，以充分鍛煉學(xué)生的評(píng)估思維。

（四）落實(shí)歸納總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的概括思維

概括思維能夠使分散、零碎的知識(shí)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化，幫助學(xué)生鞏固所學(xué)內(nèi)容，建構(gòu)完整知識(shí)體系。同時(shí)，在歸納概括過(guò)程中，學(xué)生能夠?qū)χR(shí)之間的聯(lián)系進(jìn)行分析、探究，深化認(rèn)知，為知識(shí)的運(yùn)用做好充足準(zhǔn)備。在課堂教學(xué)中，教師可以設(shè)計(jì)歸納總結(jié)環(huán)節(jié)，以列提綱、補(bǔ)充與延伸板書、思維導(dǎo)圖、圖表設(shè)計(jì)等多種形式，幫助學(xué)生完成知識(shí)概括，理清學(xué)習(xí)的知識(shí)、掌握的方法，鍛煉思維能力。

本節(jié)課采用補(bǔ)充與延伸板書方式，出示電子板書，要求學(xué)生將其中“知識(shí)”“方法”“思維能力”三個(gè)部分的內(nèi)容補(bǔ)充完整。其中，“知識(shí)”部分要求學(xué)生補(bǔ)充建模中的“平面”工具和“移動(dòng)”工具，并提煉建模中新涉及的“切割”工具；同時(shí)給出跨學(xué)科知識(shí)欄，要求學(xué)生補(bǔ)充本節(jié)課涉及的其他的學(xué)科知識(shí)。以數(shù)學(xué)知識(shí)為例，其涉及直角梯形、平行四邊形、旋轉(zhuǎn)、中軸線四個(gè)知識(shí)點(diǎn)?！胺椒ā辈糠忠髮W(xué)生補(bǔ)充本次建模涉及的所有方法，包括平面與立體轉(zhuǎn)化、圖形移動(dòng)、同時(shí)拉兩側(cè)、切割等?！八季S能力”部分要求學(xué)生系統(tǒng)地提煉每個(gè)步驟鍛煉的思維，如在問(wèn)題情境中需要提煉核心問(wèn)題，主要鍛煉算法思維和抽象思維。

歸納總結(jié)環(huán)節(jié)由學(xué)生主動(dòng)梳理本節(jié)課學(xué)習(xí)過(guò)程，明確運(yùn)用什么方法學(xué)習(xí)什么知識(shí)，以及自己在學(xué)習(xí)中取得的收獲，這有助于學(xué)生形成知識(shí)結(jié)構(gòu)，鍛煉概括思維，促進(jìn)計(jì)算思維能力發(fā)展。

（五）指導(dǎo)遷移運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的優(yōu)化創(chuàng)新思維

教師要在已建立的模型與選擇的算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)遷移運(yùn)用，使學(xué)生解決新的問(wèn)題或某一類問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的優(yōu)化創(chuàng)新思維，這是發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維能力最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在信息時(shí)代，能否將知識(shí)與技能遷移運(yùn)用決定了一個(gè)人能否具備泛化能力，將一類問(wèn)題一般化，運(yùn)用掌握的思維能力創(chuàng)新解決問(wèn)題［5］。因此，在學(xué)生形成扎實(shí)的知識(shí)與技能基礎(chǔ)后，教師要通過(guò)遷移運(yùn)用，使其思維能力向高階發(fā)展，使其能夠?qū)⒄莆盏闹R(shí)與技能作為工具，靈活地解決新問(wèn)題，進(jìn)一步提升與發(fā)展計(jì)算思維能力。

本節(jié)課在遷移運(yùn)用環(huán)節(jié)設(shè)置了新的問(wèn)題情境，借助多媒體展示現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)存在的多種類型手機(jī)支架，引導(dǎo)學(xué)生將其與本節(jié)課制作的模型對(duì)比，分析二者在形狀與結(jié)構(gòu)上的差異，使學(xué)生經(jīng)過(guò)啟發(fā)后，能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)創(chuàng)新手機(jī)支架3D模型設(shè)計(jì)。有學(xué)生認(rèn)為原有模型中缺少充電口，可利用“切割”工具在支座底部切割四個(gè)U型孔，方便從不同方向插入充電線；也有學(xué)生認(rèn)為模型美觀度不足，可重新調(diào)整模型結(jié)構(gòu)，在平面上勾勒出用戶喜歡的形狀，如小猴子，結(jié)構(gòu)立體化后以猴子尾巴做支撐，在猴子的腳上切割插口，設(shè)計(jì)更加靈動(dòng)、美觀的手機(jī)支架。

通過(guò)遷移運(yùn)用，學(xué)生可將歸納總結(jié)中形成的知識(shí)作為解決問(wèn)題的通用方案，運(yùn)用到新的問(wèn)題情境中，并利用信息技術(shù)學(xué)科特有的思維模式、能力方法完成優(yōu)化創(chuàng)新知識(shí)運(yùn)用，大幅提升計(jì)算思維能力。

三、總結(jié)

綜上所述，本文結(jié)合計(jì)算思維的內(nèi)涵，提煉其中關(guān)鍵能力要素作為培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)每項(xiàng)能力要素的形成與發(fā)展提供策略，切實(shí)在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中把握學(xué)科特點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的有效生成。希望廣大小學(xué)信息技術(shù)教師能夠從中吸取有益經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)中從真實(shí)問(wèn)題情境出發(fā)，以解決問(wèn)題為目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考、分析，將思維過(guò)程可視化，抽象出解決問(wèn)題的方法，最后歸納總結(jié)、優(yōu)化創(chuàng)新，保障學(xué)生計(jì)算思維能力的持續(xù)提升。

［參考文獻(xiàn)］

郭萍，莊偉，許小龍.人工智能背景下面向計(jì)算思維能力培養(yǎng)的《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2023，42（12）：129-135.

黃桂鵬.基于計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)信息技術(shù)課堂教學(xué)探討［J］.智力，2023（33）：55-58.

徐玲.“思維”一路生花：基于信息科技課堂培養(yǎng)計(jì)算思維的探索與實(shí)踐［J］.新智慧，2023（31）：30-32.

汪名娟.基于思維可視化提升學(xué)生計(jì)算思維能力實(shí)踐探析［J］.安徽教育科研，2023（31）：51-53.

龔余余.指向計(jì)算思維培養(yǎng)的信息技術(shù)教學(xué)［J］.文理導(dǎo)航（中旬），2023（11）：61-63.