基于計算思維培養(yǎng)的小學(xué)信息科技教學(xué)探究

摘 要：《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》強(qiáng)調(diào)發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，其中計算思維是信息科技課程的核心素養(yǎng)之一。計算思維體現(xiàn)了計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)和解決問題的策略，可以提高學(xué)生的計算素養(yǎng)，指導(dǎo)他們利用計算機(jī)技術(shù)解決跨學(xué)科問題，并培養(yǎng)他們以計算機(jī)化的方式思考和表達(dá)的能力。小學(xué)階段是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的黃金時期，因此，應(yīng)盡早將計算思維培養(yǎng)融入教育體系中，以促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力與邏輯思維的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：計算思維；小學(xué)信息科技；教學(xué)策略

作者簡介：何長英（1990—），女，江蘇省南通市北城小學(xué)。

計算思維是人類三大科學(xué)思維方式之一，在這個數(shù)字化、信息化、智能化時代中，它已成為一項基本素養(yǎng)，并逐漸成為教育領(lǐng)域關(guān)注的焦點。作為處理問題的重要思維方式，計算思維對小學(xué)信息科技教育極為關(guān)鍵。教師應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，并通過優(yōu)化教學(xué)策略和活動，建立以計算思維為核心的教學(xué)模式，以此有效提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。本文聚焦計算思維的四大要素，探討如何開展小學(xué)信息科技課程教學(xué)［1］。

一、培養(yǎng)學(xué)生計算思維的意義

（一）提升學(xué)生問題解決能力

計算思維強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)、邏輯地分析問題，將復(fù)雜問題分解為可管理的部分，并設(shè)計有效解決方案，提升個體面對挑戰(zhàn)時的應(yīng)對能力。學(xué)生在面對學(xué)習(xí)任務(wù)時，如果具備計算思維，就能將大問題拆分為小問題，逐一解決，并能制訂完善的問題解決策略，從而提升問題解決能力。

（二）強(qiáng)化學(xué)生邏輯思維能力

計算思維涉及嚴(yán)密的邏輯思維訓(xùn)練，如條件控制、循環(huán)控制等。這種邏輯思維訓(xùn)練有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更好地理解和掌握知識，避免學(xué)生出現(xiàn)知識混淆和錯誤。通過計算思維的培養(yǎng)，學(xué)生能強(qiáng)化邏輯推理能力，提升思考過程的有序性和準(zhǔn)確性。

（三）激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維潛力

培養(yǎng)學(xué)生的計算思維有助于提高學(xué)生的邏輯分析、問題解決、抽象建模及算法設(shè)計能力，激發(fā)其創(chuàng)新思維潛力。計算思維鼓勵學(xué)生跳出傳統(tǒng)框架，尋找新穎的解決方案，并在實踐中不斷優(yōu)化。這一過程不僅能鍛煉學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)造力，還能讓他們學(xué)會在復(fù)雜環(huán)境中靈活應(yīng)變，勇于創(chuàng)新，從而激發(fā)潛在的創(chuàng)新能力。

二、如何聚焦計算思維四大要素開展教學(xué)

計算思維的四大要素主要包括問題分解、模式識別、抽象建模、算法設(shè)計。這四個要素共同構(gòu)成了計算思維的核心框架，能幫助人們更有效地理解和解決復(fù)雜問題。

（一）問題分解，細(xì)化復(fù)雜問題

分解是將復(fù)雜問題拆解成更小、更易于管理的部分的過程，是計算思維的核心要素。它類似于將一個大項目細(xì)化為多個子任務(wù)，以便逐步解決。通過分解，學(xué)生可以更加清晰地看到問題的各個組成部分，從而有針對性地制訂解決方案。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生運用分解思維來解決問題［2］。

生活中的分解思想隨處可見。例如，在講授蘇科版六年級“體驗生活中的智能感知”一課時，教師可以展示生活中的實際問題。課前導(dǎo)入：陳老師最近搬新家了，所以現(xiàn)在裝修是一個大問題，你認(rèn)為這個大問題可以分解成什么問題？在學(xué)生回答時，教師可抓住他們回答的有關(guān)于燈的問題，引出本單元課題：給新家布置燈——點亮新家，同時出示大問題：如何給家里布置合適的燈？一開始教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需求明確問題的方向和邊界，強(qiáng)調(diào)問題中“合適的”這一詞，讓學(xué)生思考什么樣的設(shè)計才是合適的。學(xué)生需要考慮燈的數(shù)量和不同房間需要什么燈——數(shù)量和需求。問題的方向和邊界明確后，就可以開始分解問題，將一個復(fù)雜問題分解成多個可處理的子問題。教師可發(fā)放任務(wù)單，讓學(xué)生挑選一個方向——數(shù)量，根據(jù)所挑選的方向分解問題，形式可以是寫一寫也可以是畫一畫，然后動手操作，開始分解問題。在學(xué)生的任務(wù)單填寫完畢后，教師可以邀請他們說一說是如何考慮數(shù)量問題的。這樣將問題分解為可執(zhí)行的步驟的分解方法叫作行動分解。之后教師可展示學(xué)生作品。學(xué)生可在戶型圖上標(biāo)注燈的位置，先將新家分解為各個房間，然后從各個房間出發(fā)考慮每個房間需要的燈的數(shù)量，最后相加。這樣把大問題分解為類似的小問題，再來解決，叫作規(guī)模分解。這一個環(huán)節(jié)結(jié)束后，教師可以引出第二個環(huán)節(jié)：如果晚上做噩夢然后起床開燈不方便，你想通過什么樣的方向和邊界來確定問題？學(xué)生會回答：開關(guān)的位置和開燈的方法。教師可出示實物燈——手勢控制燈，并界定問題：需要制作一盞感應(yīng)燈；分解問題：找到傳感器、連接硬件、編寫程序、調(diào)試優(yōu)化；關(guān)鍵問題：編寫程序。教師可提醒學(xué)生再次展開循環(huán)，請學(xué)生拿出抽屜里的感應(yīng)燈，分解感應(yīng)燈的工作步驟。通過三次不斷漸進(jìn)的分解，學(xué)生最終將復(fù)雜的問題簡單化，得出一個可執(zhí)行的問題解決方案。

（二）模式識別，發(fā)現(xiàn)一般規(guī)律

模式識別是在分解的基礎(chǔ)上，對相似的事物或者經(jīng)歷進(jìn)行分析，找到其規(guī)律，并對規(guī)律與趨勢進(jìn)行預(yù)測的過程。它有助于人們從龐雜的數(shù)據(jù)中提取出有用的信息，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)問題的一般規(guī)律，搜索已有的解決問題的方法［3］。

例如，在講授蘇科版六年級“表情識別”一課時，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生深度感受人工智能的模式識別技術(shù)。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)模式識別技術(shù)越來越先進(jìn)，已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。從人臉識別、指紋識別到自動駕駛、醫(yī)療診斷，模式識別技術(shù)都在發(fā)揮著重要作用。首先，教師可與學(xué)生玩一個“猜猜他是誰”的小游戲，用多媒體技術(shù)展示一些名人的臉部局部圖，讓學(xué)生憑借記憶和特征猜猜他們是誰。通過這個小游戲充分激發(fā)了學(xué)生的興趣后，教師可提出：“我們可通過人臉的眼睛、鼻子、嘴等關(guān)鍵特征識別，想一想計算機(jī)怎么識別人臉？”這時教師可以邀請一位同學(xué)上臺，使用平板打開百度AI功能，百度AI可以識別人的年齡、性別、臉型、是否戴眼鏡等。打開百度AI后，第一步是拍攝照片并上傳，這一步叫作圖像采集。然后進(jìn)行人臉定位，對臉上特征進(jìn)行提取和算法分析，最后輸出結(jié)果。所以說，計算機(jī)進(jìn)行模式識別需要經(jīng)歷數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理、特征提取、模型選擇與訓(xùn)練、模型評估與優(yōu)化、模式識別與決策、后處理與結(jié)果展示以及持續(xù)學(xué)習(xí)與更新等多個步驟。這些步驟相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同構(gòu)成了計算機(jī)模式識別的完整過程。知曉計算機(jī)模式識別的基本規(guī)律后，教師可以讓學(xué)生完成一個創(chuàng)新實踐活動，如使用xDing軟件編程制作表情指示器，根據(jù)教材指導(dǎo)，自主學(xué)習(xí)表情識別模塊的操作技巧。要制作一個表情指示器，必須先確保硬件設(shè)備能滿足識別表情的功能需求。接下來，學(xué)生要將硬件與相應(yīng)的軟件集成，并做好編程的前期準(zhǔn)備。準(zhǔn)備工作完成后，便可以著手編寫程序。（1）算法分析：如何使表情指示器能識別并指示表情？首先利用AI技術(shù)掃描圖像，若檢測到笑容就點亮指示燈，否則燈不亮。（2）編程實踐：參照白板上已完成的流程圖，小組協(xié)作完成程序編碼。若遇到困難，可以參考教材第126至127頁的內(nèi)容。小組進(jìn)行編程嘗試。（3）展示腳本：各小組派代表展示腳本，說明各個控件的意義及其在程序里起到的作用。最后對編碼進(jìn)行評估和優(yōu)化，總結(jié)出識別系統(tǒng)運作的一般規(guī)律。

（三）抽象建模，構(gòu)建簡化表達(dá)

抽象是忽略問題中的非本質(zhì)細(xì)節(jié)，只關(guān)注其本質(zhì)特征的過程。它有助于人們將復(fù)雜問題簡化為更易于理解和處理的模型。在小學(xué)信息科技教學(xué)中，教師需要創(chuàng)設(shè)情境，整合教學(xué)資源，設(shè)計富有啟發(fā)性的課堂活動，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，分析并提煉問題的核心要素，從而培養(yǎng)他們的抽象思維能力。

例如，在講授蘇科版六年級“機(jī)器人的基礎(chǔ)活動”這一單元時，教師可以設(shè)計一個“利用Scratch編程校園守護(hù)機(jī)器人行走路線”的項目課題來培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維。教師首先可提問：“‘校園守護(hù)機(jī)器人’想將學(xué)生掉落的校服從操場送到教學(xué)樓A，該走哪條路？”將問題簡化思考：在這個目標(biāo)中，哪些要素應(yīng)留下，哪些可以去掉？教師可用Scratch制作一個程序，學(xué)生單擊角色，則角色消失，這樣能使問題簡化，更直觀。以上操作完成后，教師可繼續(xù)提問：“你們還能幫助機(jī)器人更簡化一點嗎？根據(jù)結(jié)果，在學(xué)習(xí)單中進(jìn)行點線圖的繪制。在從實景圖到點線圖的這個過程中，我們是怎么一步一步進(jìn)行抽象的？”總結(jié)抽象的關(guān)鍵：根據(jù)目標(biāo)保留必要的細(xì)節(jié)，去掉不必要的細(xì)節(jié)。以上已經(jīng)將校園的場景建構(gòu)出來，接下來首要的任務(wù)是判斷機(jī)器人運行的最短路線，根據(jù)具體情境，梳理和抽象出算法可以執(zhí)行的規(guī)則，完成規(guī)則抽象。判斷最短路線的條件是什么？把每條線路表示出來之后進(jìn)行兩兩比較，所有路線中較短的那條就是最短路線。怎么得到每條路線的距離？將每段路線相加。這里需要運用到簡單的數(shù)學(xué)幾何代數(shù)的知識。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用變量表達(dá)式表達(dá)路線總長度。

在教學(xué)過程中，教師需要充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，讓學(xué)生進(jìn)行分組探究：各小組根據(jù)目標(biāo)，按照“問題簡化—規(guī)則抽象—數(shù)據(jù)抽象”的流程進(jìn)行抽象，將探究結(jié)果寫在小組的學(xué)習(xí)單上。最后教師小結(jié)：我們首先將生活中的問題進(jìn)行問題簡化，然后進(jìn)行規(guī)則抽象和數(shù)據(jù)抽象，最終將其轉(zhuǎn)化成一個計算機(jī)能處理的問題。

（四）算法設(shè)計，制訂詳細(xì)步驟

算法是解決特定問題的一系列明確步驟。它規(guī)定了解決問題的詳細(xì)過程，包括輸入、輸出以及中間的計算步驟。算法是計算思維的重要組成部分，因為它提供了解決問題的具體方法。算法按照嚴(yán)格的邏輯順序和精確的步驟執(zhí)行，學(xué)生在學(xué)習(xí)如何編寫算法時，需要清晰地理解各個步驟之間的邏輯關(guān)系，預(yù)測結(jié)果，并調(diào)整策略以應(yīng)對不同情況。

以蘇科版六年級“機(jī)器人沿線行走”一課為例，本課是機(jī)器人單元中難度較大的一課，綜合性很強(qiáng)。從整體上看，本課主要讓學(xué)生理解機(jī)器人沿線行走的原理是機(jī)器人通過灰度傳感器來不斷地判斷自己行走時的狀態(tài)，并通過修改電機(jī)參數(shù)來進(jìn)行實時調(diào)整。機(jī)器人沿線行走一共有五種情況，教師要帶領(lǐng)學(xué)生一起設(shè)計富有邏輯性的算法程序，制訂詳細(xì)精確的運行步驟。

在設(shè)計算法的起始階段，首先需要創(chuàng)建一個新的程序，并在其中定義兩個關(guān)鍵的自定義變量：“black”和“max”。變量“black”代表場地與軌跡線的感光值中點，這個數(shù)值基于先前測試獲得的灰度值的中位數(shù)，自行計算得出。而變量“max”則用于指示機(jī)器人的當(dāng)前運行狀態(tài)：當(dāng)“max”的值設(shè)置為1時，表明機(jī)器人向左偏移；當(dāng)“max”的值設(shè)置為2時，則表明機(jī)器人正處于軌跡線上。為了幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)難點，教師應(yīng)提供詳盡細(xì)致的演示過程，引導(dǎo)學(xué)生逐步進(jìn)行操作，以便其順利展開程序編寫的學(xué)習(xí)。在程序初始化時，將變量“max”的初始值設(shè)置為2。學(xué)生需要定義“black”和“max”這兩個變量，以完成程序的初始化步驟。接下來，進(jìn)入本課程算法設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：配置灰度傳感器。具體而言，要進(jìn)入“系統(tǒng)設(shè)置”并選擇“傳感器設(shè)置”，將“通道1”和“通道2”都設(shè)置為“灰度傳感器”。然后，在工作區(qū)添加兩個“灰度傳感器”控件，并分別配置為“灰度傳感器（1通道）”和“灰度傳感器（2通道）”?？紤]到機(jī)器人沿軌跡線行駛時可能出現(xiàn)的五種不同狀態(tài)，首先考慮機(jī)器人完全在軌跡線上的情況。為此，需要添加一個“單分支”控件，并設(shè)置條件為“灰度傳感器（1通道）的值≤black”和“灰度傳感器（2通道）的值≤black”。在這個控件中，還需添加一個“直流電機(jī)”控件，并配置為“直流電機(jī)1：正轉(zhuǎn)速度15”和“直流電機(jī)2：正轉(zhuǎn)速度15”。通過類比和擴(kuò)展，學(xué)生能完成機(jī)器人沿軌跡線行駛的完整程序編寫。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握如何在系統(tǒng)設(shè)置中添加和配置灰度傳感器，學(xué)會檢測機(jī)器人的偏移狀態(tài)，并能編寫機(jī)器人沿軌跡線行駛的程序。

三、總結(jié)

綜上所述，計算思維與信息科技密不可分，它是信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。在小學(xué)階段強(qiáng)化計算思維的培養(yǎng)，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力，還能有效提升學(xué)生的邏輯思維、批判性思維及問題解決等綜合能力。因此，教師應(yīng)積極探索培養(yǎng)學(xué)生計算思維的有效途徑，不斷提升教學(xué)質(zhì)量和效果，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

［參考文獻(xiàn)］

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