計(jì)算思維導(dǎo)向的小學(xué)科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)研究

摘 要：隨著信息化時代的到來，義務(wù)教育階段的計(jì)算思維培養(yǎng)及其相關(guān)研究逐步展開。結(jié)合計(jì)算思維的抽象、分解、算法設(shè)計(jì)、概括、評估五要素，該研究以小學(xué)科學(xué)課“設(shè)計(jì)小臺燈”為例，借助Scratch編程軟件進(jìn)行具體的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施?；趩柧怼⒃L談等研究方法，驗(yàn)證教學(xué)促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的有效性。研究發(fā)現(xiàn)，以計(jì)算思維為導(dǎo)向的小學(xué)科學(xué)教學(xué)有助于提高學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；小學(xué)科學(xué)；Scratch；問題解決

中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-0069（2025）01-0048-06

近10年來，世界各國陸續(xù)將計(jì)算思維和計(jì)算能力的培養(yǎng)納入基礎(chǔ)教育階段的信息技術(shù)或計(jì)算機(jī)課程，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會在基礎(chǔ)教育計(jì)算機(jī)科學(xué)框架中，將計(jì)算思維的培養(yǎng)設(shè)置為課程核心內(nèi)容[1]；2016年歐盟委員會發(fā)布《在義務(wù)教育中培養(yǎng)計(jì)算思維》報(bào)告，全面概述了學(xué)生必備的計(jì)算思維技能，強(qiáng)調(diào)了將計(jì)算思維整合到課程教學(xué)的重要性[2]；我國教育部在新修訂的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022版）》中，將計(jì)算思維列為信息技術(shù)學(xué)科的四大核心素養(yǎng)之一。隨著越來越多的國家將計(jì)算思維的培養(yǎng)納入基礎(chǔ)教育的教學(xué)目標(biāo)，教育領(lǐng)域關(guān)于中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)的研究也逐步展開[3]。目前，中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)的相關(guān)研究仍處于初級階段，計(jì)算思維的培養(yǎng)多集中于信息技術(shù)、編程課程。針對這一問題，本研究提出計(jì)算思維培養(yǎng)的新渠道，以Scratch為編程工具實(shí)施小學(xué)科學(xué)的跨學(xué)科教學(xué)，探索學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

一、計(jì)算思維的內(nèi)涵

1980年，西蒙·派珀特（Seymour Papert）[4]首次提及“計(jì)算思維”這一概念。2002年，蔣宗禮[5]將“計(jì)算思維”列為計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才的基本能力之一。2006年，周以真（Jeannette M. Wing）[6]對“計(jì)算思維”的概念進(jìn)行了界定：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與人類行為理解的過程。2010年“計(jì)算思維”被再次界定為在表述問題及其解決方案時所涉及的思維過程，確保解決方案的表現(xiàn)形式能夠被信息處理代理有效執(zhí)行[7]。不難看出，這一界定的廣度非常大，對計(jì)算思維培養(yǎng)的參考意義有限。為了避免教學(xué)實(shí)踐的盲目性，目前教育領(lǐng)域圍繞“計(jì)算思維是什么”這一問題展開了積極地思考和討論，包括問題解決說、構(gòu)造說、抽象與自動化說、信息表達(dá)說、系統(tǒng)說和工具說等[8]，其中“計(jì)算思維是在解決問題過程中形成的思維活動”這一說法的認(rèn)同度最高[9]。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

本研究依據(jù)計(jì)算思維的“問題解決說”，將基于問題的學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning）與計(jì)算思維的5個核心要素（抽象、分解、算法設(shè)計(jì)、概括、評估）有機(jī)融合，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)問題解決流程。教學(xué)流程分為創(chuàng)設(shè)情境，理解問題、采集數(shù)據(jù)，分析問題、協(xié)同推理，設(shè)計(jì)方案、工具模擬，解決問題、對比評估，優(yōu)化方案5個環(huán)節(jié)。以“設(shè)計(jì)小臺燈”一課為例進(jìn)行實(shí)踐，幫助學(xué)生在解決問題的過程中體會并運(yùn)用計(jì)算思維。

（一）內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.主題分析與問題來源

教學(xué)主題源于科學(xué)教材四年級下冊“設(shè)計(jì)制作小臺燈”單元的第一節(jié)課?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中要求：在“技術(shù)、工程與社會”學(xué)科核心概念的學(xué)習(xí)內(nèi)容中，要體現(xiàn)技術(shù)和工程對人類生產(chǎn)生活的影響；通過一系列的創(chuàng)意實(shí)踐活動，幫助學(xué)生形成相關(guān)跨學(xué)科概念。然而，傳統(tǒng)的小學(xué)科學(xué)課程通常更注重基礎(chǔ)概念的傳授和實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)，“設(shè)計(jì)小臺燈”活動在重要性和時間上所占比重較小，不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。韓雪婧等[10]人的研究表明，圖形化編程教育能較好地促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維和編程能力方面發(fā)揮著顯著作用。因此，研究將臺燈的設(shè)計(jì)內(nèi)容與可視化編程相結(jié)合，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，豐富課程內(nèi)容，幫助學(xué)生在設(shè)計(jì)臺燈與編程模擬臺燈功能的過程中，體會科學(xué)技術(shù)與工程對人類生活的影響及其相互促進(jìn)關(guān)系。

2.學(xué)習(xí)者分析

教學(xué)對象為小學(xué)四年級學(xué)生。在思維發(fā)展階段上，學(xué)生處于具體運(yùn)算階段，能夠進(jìn)行具體的邏輯推理。在先驗(yàn)知識掌握上，大部分學(xué)生具備一定的科學(xué)知識基礎(chǔ)和動手操作能力，能夠根據(jù)科學(xué)知識完成簡單的手工制作任務(wù)，已經(jīng)具備繪制思維導(dǎo)圖或流程圖的能力。在學(xué)習(xí)態(tài)度與能力上，學(xué)生對與新知識、新制作的學(xué)習(xí)充滿好奇心，但創(chuàng)新意識不強(qiáng)，對于復(fù)雜問題的分析和解決能力比較薄弱。在信息技術(shù)素養(yǎng)上，學(xué)生能夠在教師的指導(dǎo)下使用計(jì)算機(jī)，完成相關(guān)操作，具備一定的技術(shù)使用經(jīng)驗(yàn)。

3.教學(xué)目標(biāo)分析

“設(shè)計(jì)小臺燈”是實(shí)踐性和創(chuàng)造性較強(qiáng)的課程，課程內(nèi)容既有臺燈的設(shè)計(jì)，又涉及編程操作。學(xué)生在方案設(shè)計(jì)、流程圖繪制、模型構(gòu)建、程序編寫的過程中，既能實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識目標(biāo)，又能提高運(yùn)用計(jì)算思維的能力。其學(xué)習(xí)任務(wù)、跨學(xué)科知識內(nèi)容、培養(yǎng)目標(biāo)如表1所示。

（二）教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

在“設(shè)計(jì)小臺燈”案例實(shí)施過程中，教師首先提出有針對性的討論任務(wù)或者問題，讓學(xué)生預(yù)先討論、分析問題，然后引導(dǎo)學(xué)生對案例進(jìn)行模仿、創(chuàng)作，從而歸納出解決問題的方法，逐步培養(yǎng)和提升學(xué)生的計(jì)算思維[11]。具體教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施如表2所示。

1.創(chuàng)設(shè)情境，理解問題

教師創(chuàng)設(shè)一個“設(shè)計(jì)魔法臺燈”問題情境，引入“認(rèn)識臺燈的結(jié)構(gòu)和功能”和“設(shè)計(jì)一個臺燈”的學(xué)習(xí)任務(wù)。利用問題情境中的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生從光源、功能、安全設(shè)計(jì)、個性化設(shè)計(jì)幾個方面考慮臺燈的設(shè)計(jì)，將生活問題工程化，激起學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐的好奇心。

2.采集數(shù)據(jù)，分析問題

教師借助Scratch編程軟件對臺燈的直觀形象進(jìn)行抽象建模，實(shí)現(xiàn)臺燈模型的可視化，如圖1所示。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下觀察臺燈模型，了解臺燈的基本功能和使用要求，包括亮度、燈光角度、開關(guān)控制等。然后，根據(jù)已有的臺燈設(shè)計(jì)和相關(guān)信息，了解不同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，為自己的設(shè)計(jì)提供參考和啟發(fā)。接下來，通過觀察與交流、討論與分析合作解決問題，填寫學(xué)習(xí)任務(wù)單，深化對臺燈各部分結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)識，建立結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系。

3.協(xié)同推理，設(shè)計(jì)方案

教師引導(dǎo)學(xué)生從光源、功能、安全設(shè)計(jì)、個性化設(shè)計(jì)幾個方面進(jìn)行臺燈的設(shè)計(jì)，考慮合適的制作材料和元件，繪制流程圖，形成設(shè)計(jì)方案。學(xué)生思考小臺燈的外觀、底座、支架和燈罩等材料的選擇與使用，將制作過程用流程圖表示出來。在這一階段，學(xué)生將自己代入情境，扮演魔法師的角色，將需要設(shè)計(jì)的各個部分有機(jī)地結(jié)合起來，形成一個完整的設(shè)計(jì)方案，不僅能夠在已有知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上掌握新知識，而且有助于科學(xué)思維和系統(tǒng)性思維的形成。

4.工具模擬，解決問題

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)Scratch編程軟件中的繪圖方法，了解如何創(chuàng)建和編輯程序。首先，利用相關(guān)的學(xué)習(xí)資源繪制臺燈設(shè)計(jì)圖。為了實(shí)現(xiàn)臺燈的亮和滅，學(xué)生需要繪制“燈滅”造型和“燈亮”造型備用。在繪制過程中，學(xué)生可充分發(fā)揮想象，進(jìn)行“魔法”臺燈的設(shè)計(jì)，比如改變燈光的顏色。然后，根據(jù)流程圖中要執(zhí)行的指令，在Scratch的代碼區(qū)進(jìn)行編程實(shí)踐：點(diǎn)擊“代碼”一欄的“事件”按鈕，選擇“當(dāng)角色被點(diǎn)擊時”，將“外觀”換成“燈亮造型”，然后“等待10秒”，將“外觀”換成“燈滅造型”。學(xué)生在繪制臺燈模型與編寫程序的過程中，需要思考邏輯、順序和參數(shù)的設(shè)置，進(jìn)一步體會運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的過程和方法。程序編寫完成后，測試程序的效果：模型能否正常亮滅。

5.對比評估，優(yōu)化方案

評估優(yōu)化過程分為調(diào)試程序和評估作品兩個階段。如果程序運(yùn)行失敗，教師需要幫助學(xué)生糾正錯誤，調(diào)試程序。學(xué)生在調(diào)試程序的過程中，在頭腦中重復(fù)執(zhí)行程序的步驟，深入理解“計(jì)算機(jī)解決問題的思想方法”。調(diào)試完成后，教師組織學(xué)生開展自評與互評、展示與分享，讓學(xué)生了解方案的不足之處，互相交流改進(jìn)方法，如表3所示。學(xué)生能夠在評估過程中發(fā)現(xiàn)問題并提出改進(jìn)意見，培養(yǎng)批判性思維；在分享與交流中對設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，激發(fā)對科學(xué)和工程的興趣。

三、課堂教學(xué)評價

本研究采用觀察法和訪談法進(jìn)行課堂教學(xué)評價，首先，觀察記錄學(xué)生在課程實(shí)施過程中對知識內(nèi)容的掌握情況、小組合作情況及問題解決情況。其次，以隨機(jī)訪談的方式了解學(xué)生對利用Scratch編程軟件學(xué)習(xí)的態(tài)度。再次，結(jié)合學(xué)生設(shè)計(jì)作品的優(yōu)劣、學(xué)生自主填寫的評估表、課堂環(huán)節(jié)提問情況及對操作的熟練程度作為評價手段，從創(chuàng)造力、問題解決能力、算法思維、合作能力、批判性思維5個維度評估學(xué)生的計(jì)算思維水平[12]。最后，根據(jù)學(xué)生對教學(xué)過程的反饋，不斷反思教學(xué)過程，改進(jìn)教學(xué)方案。課堂觀察記錄與訪談數(shù)據(jù)見下頁圖2。

在梳理并分析教學(xué)前后的訪談內(nèi)容、課堂觀察記錄單、評估表等數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的計(jì)算思維水平有所提升。訪談中學(xué)生對Scratch編程軟件評價較高，認(rèn)為其“操作簡單”“自帶繪圖功能”“真的像魔法一樣能夠改變燈光的顏色”。Scratch編程軟件的應(yīng)用將學(xué)生不容易理解的概念具象化，在具體的實(shí)踐操作中體現(xiàn)計(jì)算思維，為問題解決提供了巨大的便利。

四、結(jié)語

本研究結(jié)合計(jì)算思維的內(nèi)涵，在小學(xué)科學(xué)課程中開展了以“設(shè)計(jì)小臺燈”為主題的跨學(xué)科教學(xué)活動。此次“設(shè)計(jì)小臺燈”教學(xué)的有效性主要體現(xiàn)在以下3個方面：首先，問題情境貫穿始終。學(xué)生將自己代入情境，明確“設(shè)計(jì)一個魔法臺燈”的任務(wù)。其次，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與編程操作相結(jié)合。學(xué)生通過抽象、分解、算法設(shè)計(jì)等計(jì)算思維實(shí)踐，明確設(shè)計(jì)方案，模擬臺燈的功能。最后，評估形式的有效性。學(xué)生根據(jù)評估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組內(nèi)、組間的互評，改進(jìn)并優(yōu)化方案，在展示與分享中增強(qiáng)對工程設(shè)計(jì)和科學(xué)學(xué)習(xí)的信心。計(jì)算思維與科學(xué)知識的融合教學(xué)，一方面能夠促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維實(shí)踐和技能的發(fā)展，另一方面也有助于學(xué)生理解科學(xué)知識、深化科學(xué)概念。同時，課程融合教學(xué)對教師提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，在實(shí)際教學(xué)中，教師應(yīng)充分認(rèn)識到不同學(xué)科的不同特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，選擇和把握好切入點(diǎn)，真正達(dá)到育人目的。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 孫興麗）

A Study on Primary School Science Teaching Design Guided by Computational Thinking

— Taking “Designing a Small Desk Lamp” as an Example

Mi Xinxin， Dong Qingrui

（College of Physics and Electronics， Shandong Normal University， Ji’nan， Shandong， China 250000）

Abstract： With the arrival of the information age， the cultivation of computational thinking and related research in the compulsory education stage has gradually unfolded. Combining the five elements of computational thinking： abstraction， decomposition， algorithm design， generalization， and evaluation， this study takes the “Designing a Small Desk Lamp” project in primary school science class as an example， and uses the Scratch programming software for specific teaching design and implementation. Based on research methods such as questionnaires and interviews， the effectiveness of teaching in promoting students’ computational thinking development is verified. The study found that primary school science teaching guided by computational thinking helps improve students’ ability to solve problems using computational thinking.

Key words：" Computational thinking; Primary School Science; Scratch; Problem solving

收稿日期：2024-04-11

基金項(xiàng)目：2022年國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“石墨烯量子點(diǎn)少電子體系電子結(jié)構(gòu)和自旋的外場調(diào)控及自旋量子比特的設(shè)計(jì)”（12174226）

作者簡介：弭鑫鑫（2000— ），女，山東德州人，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算思維的培養(yǎng)；董慶瑞（1975— ），男，山東德州人，博士，副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樵优c分子物理、計(jì)算物理學(xué)等。