基于計(jì)算思維的信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)模式的研究

王蕾

教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)

近期，多地陸續(xù)開(kāi)展了以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力為主題的信息技術(shù)教學(xué)研究活動(dòng)，提供了大量的課堂教學(xué)實(shí)踐案例。但是在這些案例中，常見(jiàn)到教研主題與教學(xué)內(nèi)容偏離的情況：教研活動(dòng)以計(jì)算思維為引領(lǐng)，但在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，教師仍然延續(xù)傳統(tǒng)的教學(xué)模式，以“講、模、練”為基本框架來(lái)組織教學(xué)活動(dòng)，課堂并未出現(xiàn)明晰的計(jì)算思維的特征，以至于信息技術(shù)課堂仍然濤聲依舊，未達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

問(wèn)題分析

信息技術(shù)的核心學(xué)科素養(yǎng)包括信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)和信息責(zé)任四個(gè)方面。在上述教學(xué)主題活動(dòng)中，教師主觀上具有了計(jì)算思維的意識(shí)，但客觀上缺乏計(jì)算思維的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以至于設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)過(guò)程背道而馳，甚至缺乏關(guān)聯(lián)。

計(jì)算思維與信息技術(shù)教學(xué)的關(guān)系

1.計(jì)算思維及其特點(diǎn)

2006年3月美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M.wing）教授，在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊Communicatjons Of The AcM上，對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行如下定義：計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。

2011年，國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）對(duì)計(jì)算思維下了一個(gè)操作性的定義，即計(jì)算思維是一個(gè)問(wèn)題解決的過(guò)程，包括以下特點(diǎn)：①制訂問(wèn)題，并能夠利用計(jì)算機(jī)和其他工具來(lái)幫助解決該問(wèn)題；②符合邏輯地組織和分析數(shù)據(jù)；③通過(guò)抽象，如模型、仿真等，再現(xiàn)數(shù)據(jù)；④通過(guò)算法思想（一系列有序的步驟），支持自動(dòng)化的解決方案；⑤識(shí)別、分析和實(shí)施可能的解決方案，找到最有效的方案，并且有效結(jié)合這些步驟和資源；⑥將該問(wèn)題的求解過(guò)程進(jìn)行推廣并移植到更廣泛的問(wèn)題中。

2.信息技術(shù)視域中的計(jì)算思維方式踐行方式

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，其核心是解決問(wèn)題所涉及的算法問(wèn)題。計(jì)算思維由算法思維、評(píng)估、分解、抽象、概括五個(gè)方面構(gòu)成。信息技術(shù)作為一門(mén)以“解決問(wèn)題”為學(xué)習(xí)目標(biāo)之一的學(xué)科，具有鮮明的計(jì)算思維特征。信息技術(shù)學(xué)科的思維關(guān)注學(xué)生的計(jì)算思維、批判性思維與創(chuàng)新思維。在中小學(xué)信息技術(shù)課程實(shí)施過(guò)程中，如何有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，是中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科教師十分關(guān)注的問(wèn)題。

編程課程與計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)聯(lián)

1.當(dāng)前信息技術(shù)課堂在計(jì)算思維培養(yǎng)中存在的問(wèn)題與不足

計(jì)算思維在信息技術(shù)教學(xué)中具有重要的意義，但從一種理論到具體的教學(xué)實(shí)踐，其間還有較大的差距，很多信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)仍然延續(xù)傳統(tǒng)的“演示+操練”的模式，教師雖有著培養(yǎng)計(jì)算思維的想法，卻苦于缺少具體的指導(dǎo)方案，而沒(méi)有將想法付諸實(shí)踐，這導(dǎo)致計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐案例較少，或者僅僅是披著計(jì)算思維的外衣，卻有著傳統(tǒng)教學(xué)的內(nèi)核。

2.計(jì)算思維在兒童編程軟件學(xué)習(xí)中的作用

兒童編程單元具有明確的任務(wù)主線，項(xiàng)目目標(biāo)清晰，其作品可在短期內(nèi)通過(guò)一定的程序達(dá)成。作為一種顯性的、具有算法思維特征的內(nèi)容，兒童編程軟件具有門(mén)檻低、模塊化、封裝化的特點(diǎn)。借助兒童編程軟件的設(shè)計(jì)，可以讓信息技術(shù)教師明確計(jì)算思維的基本設(shè)計(jì)路徑，以具體的內(nèi)容載體，進(jìn)行初期的教學(xué)設(shè)計(jì)嘗試。

編程模塊中培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)模式

在課堂教學(xué)過(guò)程中，基于計(jì)算思維進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)具有鮮明的特征。本文以兒童編程課程為例，探索基于計(jì)算思維培養(yǎng)的信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)模式。

1.序化模式：算法思維——從任務(wù)導(dǎo)向到問(wèn)題導(dǎo)向

算法思維是計(jì)算思維的重要組成部分，關(guān)注具有實(shí)際意義的問(wèn)題，以問(wèn)題求解的過(guò)程作為教學(xué)的導(dǎo)向，進(jìn)而推動(dòng)教學(xué)行進(jìn)的過(guò)程。在基于計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教學(xué)課件、學(xué)件及作業(yè)形式等，都應(yīng)圍繞算法的演進(jìn)，進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)設(shè)計(jì)。

（1）原設(shè)計(jì)

小學(xué)信息技術(shù)《Scratch圖章》一課的教學(xué)重點(diǎn)為Scratch“畫(huà)筆”模塊中的“圖章”“清除”命令，涉及Scratch“畫(huà)筆”“外觀”“動(dòng)作”等模塊的內(nèi)容。在常規(guī)課的教學(xué)過(guò)程中，教師一般采用以下的流程進(jìn)行教學(xué)：①介紹“圖章”和“清除”命令；②演示“圖章”程序的搭建方法；③學(xué)生練習(xí)編寫(xiě)“圖章”命令的程序。

（2）思考焦點(diǎn)

在教師沒(méi)有提供學(xué)習(xí)情境的前提下，學(xué)生為何要進(jìn)行“圖章”的學(xué)習(xí)？學(xué)習(xí)“圖章”以后能做什么？哪些情況下需要使用“圖章”？這些問(wèn)題都未能進(jìn)行有效的設(shè)問(wèn)，因此學(xué)生對(duì)于“圖章”的算法是缺乏心理預(yù)設(shè)的。在實(shí)際上課中，學(xué)生僅僅是在模仿教師的程序搭建過(guò)程，而并沒(méi)有進(jìn)行有效的自我構(gòu)建。這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程，是機(jī)械學(xué)習(xí)的技能模仿，缺乏必要的計(jì)算思維過(guò)程。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

在基于計(jì)算思維的“圖章”教學(xué)過(guò)程中，首先確定教學(xué)重點(diǎn)為“圖章”程序的自然語(yǔ)言表達(dá)。選擇從生活中提煉具有實(shí)際意義的活動(dòng)為任務(wù)目標(biāo)，將問(wèn)題的解決作為推進(jìn)教學(xué)過(guò)程的導(dǎo)向主線。在此基礎(chǔ)上，以問(wèn)題的逐步解決來(lái)分層進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)具體的活動(dòng)載體來(lái)承載學(xué)習(xí)任務(wù)。

在《Scratch認(rèn)識(shí)圖章》這一課中，首先確定問(wèn)題主線，進(jìn)行與此相關(guān)的問(wèn)題組件設(shè)計(jì)，層層推動(dòng)任務(wù)行進(jìn)路線，進(jìn)而將認(rèn)知內(nèi)容具體化（如圖1）：

導(dǎo)入設(shè)問(wèn)：教師展示只有一個(gè)花瓣的圖例，詢問(wèn)學(xué)生，可否稱之為花朵？學(xué)生質(zhì)疑，花瓣數(shù)量不夠→問(wèn)題產(chǎn)生：如何能在較短時(shí)間內(nèi)，形成一朵完整的花→師生進(jìn)入新授環(huán)節(jié)。

任務(wù)解問(wèn)：一花一世界→解決花瓣的瞬間復(fù)制問(wèn)題；五彩爛漫時(shí)→解決花朵的變色問(wèn)題；動(dòng)態(tài)花精彩→解決花朵的循環(huán)旋轉(zhuǎn)問(wèn)題。

擴(kuò)展追問(wèn)：導(dǎo)入不同角色的花朵，促發(fā)學(xué)生思考，如何能讓這些花朵達(dá)到心儀的動(dòng)作方式→學(xué)生探索實(shí)現(xiàn)途徑→通過(guò)修改程序、嘗試程序積木的方式來(lái)獲得任務(wù)的達(dá)成。

總結(jié)考問(wèn)：學(xué)生總結(jié)四個(gè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，梳理出程序思考的過(guò)程，繪制出共性的流程圖，并結(jié)合今天的主題進(jìn)行Scratch的功能鏈接，從而加深意義學(xué)習(xí)的過(guò)程。endprint

教學(xué)評(píng)析：在基于計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生帶著算法進(jìn)行有目的的任務(wù)推進(jìn)活動(dòng)。導(dǎo)入部分，教師提出了明顯的問(wèn)題要求，給學(xué)生明晰的解決方案，此時(shí)的目標(biāo)是合理的、符合兒童認(rèn)知規(guī)律的；問(wèn)題的層層推進(jìn)，推動(dòng)學(xué)生不斷地進(jìn)行有關(guān)算法的思維過(guò)程，從四個(gè)顯性問(wèn)題的解決中，潛移默化地學(xué)習(xí)了隱性的知識(shí)內(nèi)容。

2.回溯模式：分解思維——從任務(wù)拆解到認(rèn)知疊加

分解思維是計(jì)算思維的重要組成部分，它要求學(xué)生不僅能夠理解算法的過(guò)程，還能夠通過(guò)具體的實(shí)例對(duì)算法進(jìn)行分解，明晰每一個(gè)部分的具體意義。通過(guò)回溯算法等方式，將任務(wù)進(jìn)行逐步的拆解，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行認(rèn)知內(nèi)容的疊加，從而形成明晰的結(jié)構(gòu)主線。

（1）原設(shè)計(jì)

在Scratch的“旋轉(zhuǎn)方式”模塊的學(xué)習(xí)中，常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方式是教師演示小貓的旋轉(zhuǎn)過(guò)程，指出實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的程序模塊，再帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的練習(xí)。

（2）思考焦點(diǎn)

常規(guī)的教學(xué)過(guò)程，教學(xué)思路并無(wú)錯(cuò)誤，但是仔細(xì)思考，小貓自身是缺乏旋轉(zhuǎn)的實(shí)際意義的，它只是被旋轉(zhuǎn)，因此，程序本身與小貓的旋轉(zhuǎn)只有技術(shù)關(guān)聯(lián)，缺乏意義關(guān)聯(lián)。在學(xué)生完成一個(gè)任務(wù)后，沒(méi)有出現(xiàn)對(duì)程序進(jìn)行分解的路線支架，所以學(xué)習(xí)過(guò)程機(jī)械單調(diào)，難以深入。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

教師將“旋轉(zhuǎn)方式”作為一種角色運(yùn)動(dòng)的程序支架，讓實(shí)物的旋轉(zhuǎn)和程序同期出現(xiàn)，讓學(xué)生思考角色和程序之間的關(guān)聯(lián)。在完成了第一組“角色+程序”的組合之后，再出示另外的“角色+程序”組合，給學(xué)生充分的回溯思維的過(guò)程，以達(dá)到知識(shí)遷移的目的（如圖2）。

教師提出問(wèn)題：從一個(gè)花瓣變成十個(gè)花瓣的腳本入手，分析腳本與動(dòng)畫(huà)之間的關(guān)系。

學(xué)生思考：一個(gè)花瓣是如何變成十個(gè)花瓣的，并將猜測(cè)的結(jié)論通過(guò)程序來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，并最終得出將“向左或右旋轉(zhuǎn)360/10度”，在“復(fù)制”“粘貼”的過(guò)程“重復(fù)10次”后，可以得到十瓣花的結(jié)論。此時(shí)，教師留下問(wèn)題：“旋轉(zhuǎn)角度”和花瓣數(shù)量之間有什么樣的聯(lián)系？

教師依據(jù)上面活動(dòng)的結(jié)論，提出“數(shù)字與邏輯運(yùn)算”中的關(guān)聯(lián)。課件中繼續(xù)出現(xiàn)四瓣花、五瓣花、七瓣花，讓學(xué)生對(duì)相應(yīng)的腳本進(jìn)行自然語(yǔ)言的表達(dá)。自此，突破本課中的教學(xué)難點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)角度和花瓣數(shù)量之間的聯(lián)系。

教學(xué)評(píng)析：在基于計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師將著力點(diǎn)從講解程序的編寫(xiě)過(guò)程，改變?yōu)樽寣W(xué)生分析程序的組合原理。通過(guò)對(duì)每個(gè)花瓣的旋轉(zhuǎn)角度的分析，學(xué)生可以理解到“數(shù)字和邏輯運(yùn)算”模塊中運(yùn)算的自然意義。學(xué)生在對(duì)實(shí)物與腳本的對(duì)應(yīng)分析后，加深了對(duì)程序本身的理解，也鞏固了思維過(guò)程的嚴(yán)密性。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，此教學(xué)設(shè)計(jì)的學(xué)生作品達(dá)成率較多，收到了良好的教學(xué)效果。

3.變量模式：抽象思維——從學(xué)習(xí)泛配到個(gè)性適配

計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)解決問(wèn)題的策略具有多途徑性和一定的開(kāi)放性，鼓勵(lì)學(xué)生能夠在合理的情況下，通過(guò)多種方式來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。與傳統(tǒng)的信息技術(shù)設(shè)計(jì)不同的是，計(jì)算思維對(duì)于個(gè)體的適配性更為貼切，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用多種信息化的工具解決問(wèn)題。其中，變量作為一項(xiàng)任務(wù)推進(jìn)體，承擔(dān)著學(xué)習(xí)過(guò)程的落實(shí)作用。

（1）原設(shè)計(jì)

在《PC LOGO定義過(guò)程》一課中，常規(guī)的設(shè)計(jì)方式一般采用以下的教學(xué)流程：教師演示一個(gè)正方形的繪制方式→講解如何用定義過(guò)程的方式繪制正方形→讓學(xué)生練習(xí)如何通過(guò)定義過(guò)程的方法繪制正方形→教師演示如何通過(guò)repeat與定義過(guò)程組合，繪制出較為復(fù)雜的圖形→學(xué)生進(jìn)行拓展練習(xí)。從程序自身而言，這樣的設(shè)計(jì)是合理的，但是實(shí)際教學(xué)中，常常出現(xiàn)學(xué)生只會(huì)畫(huà)正方形組成的圖形，而無(wú)法遷移到其他圖形的情況，造成千篇一律的尷尬狀況。

（2）思考焦點(diǎn)

在本節(jié)課設(shè)計(jì)中，程序編寫(xiě)單元的邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，具有一定的教學(xué)難度。因此教師在教學(xué)此內(nèi)容時(shí)，往往會(huì)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用較為保守的講授式教學(xué)模式。但是此教學(xué)模式突出的問(wèn)題在于常導(dǎo)致學(xué)生只知其然，卻不知其所以然，學(xué)習(xí)過(guò)程模仿的痕跡明顯，沒(méi)有必要的遷移和拓展過(guò)程，缺乏個(gè)性化的作品呈現(xiàn)。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

基于計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)中，將注重從學(xué)習(xí)任務(wù)中提取出具有變量特性的元素，將其應(yīng)用于學(xué)習(xí)過(guò)程中，以此開(kāi)展構(gòu)建個(gè)性化的作品（如圖3）。

教師從奧運(yùn)五環(huán)導(dǎo)入，分析五環(huán)是如何演變出的。（分析其組成，找出其中的變量）

學(xué)生分析出圓形的組合規(guī)律后，進(jìn)行基于圓形的圖形繪制，嘗試出多圓組合的形式。

教師再引導(dǎo)學(xué)生分析：“利用定義好的基本圖形，可以畫(huà)出這樣的一組圖形嗎？”讓學(xué)生根據(jù)課件中的內(nèi)容分析組成復(fù)雜圖形的變量。再給學(xué)生思考的空間，由點(diǎn)及面，進(jìn)行多層次的變量定義。

學(xué)生定義正方形→正方形組合；定義三角形→定義三角形組合。

教師分析多定義命令的程序。

學(xué)生定義兩個(gè)基本圖形→繪制正方形、三角形組合的復(fù)雜圖形，并進(jìn)行自我喜好的作品加工。

教師引導(dǎo)學(xué)生在作品中找出共性的內(nèi)容，反思自己的作品，進(jìn)行更富有個(gè)性化的圖形繪制。

教學(xué)評(píng)析：對(duì)比傳統(tǒng)的以講解過(guò)程為主的教學(xué)設(shè)計(jì)，基于計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)注重變量引發(fā)的變式，用變式帶來(lái)學(xué)生個(gè)性化的問(wèn)題解決方案。在基于計(jì)算思維的《PC LOGO定義過(guò)程》的設(shè)計(jì)中，教師將更多的關(guān)注點(diǎn)放在了引導(dǎo)學(xué)生思考如何能定義原理，定義過(guò)程后如何利用變量進(jìn)行創(chuàng)作，自我的設(shè)計(jì)思路和變量之間的邏輯關(guān)系是怎樣的等問(wèn)題上通過(guò)此設(shè)計(jì)，學(xué)生在教學(xué)中創(chuàng)作了大量豐富多彩的作品，讓編程軟件真正成為個(gè)性化的創(chuàng)作工具。

總結(jié)與展望

基于計(jì)算思維的信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生依據(jù)科學(xué)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)算法思維對(duì)問(wèn)題解決的框架進(jìn)行了梳理，通過(guò)分解思維對(duì)問(wèn)題實(shí)現(xiàn)的路徑進(jìn)行了解析，通過(guò)抽象思維對(duì)自然語(yǔ)態(tài)下的活動(dòng)進(jìn)行了項(xiàng)目化的提升，掌握了深度意義學(xué)習(xí)的精髓。在進(jìn)行計(jì)算思維的過(guò)程中，要注意以下幾點(diǎn)：①計(jì)而不算。計(jì)算思維雖然分為算法思維、評(píng)估、分解、抽象、概括五個(gè)過(guò)程，但這五個(gè)過(guò)程之間是相互依存、相互促進(jìn)的關(guān)系。如果只關(guān)注分析問(wèn)題，而不進(jìn)行必要的數(shù)值邏輯計(jì)算，那么解決問(wèn)題的途徑只能是紙上談兵，無(wú)法落地。②只算不計(jì)。與計(jì)而不算相對(duì)應(yīng)的是只埋頭進(jìn)行計(jì)算，而忽視了整個(gè)的問(wèn)題框架的設(shè)計(jì)。算法固然重要，但仍然要合理合情地進(jìn)行，在同等條件下，要尋求最佳的解決途徑，尋求最佳性價(jià)比。③計(jì)算而思。計(jì)算思維是信息技術(shù)課的靈魂，作為教師，要能夠積極地喚起學(xué)生多角度的遷移能力和拓展意識(shí)，避免封閉的、線性的認(rèn)知習(xí)慣。百花齊放，才是信息技術(shù)課堂正確的打開(kāi)方式。endprint