建模與解模：探尋培養小學生計算思維的密碼

張松

【摘 要】信息技術學科要培養的計算思維是當今學生要具備的核心素養之一，受到了中小學教師的關注，就目前研究現狀，計算思維的理論研究成果較為豐富，但應用研究仍處在初級階段。筆者試從小學信息技術課培養計算思維的實施策略著手，以Scratch編程課為例，闡述培養計算思維的“建模——解模”過程。

【關鍵詞】計算思維;信息素養;建模;解模

【中圖分類號】G434 ?【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2019）04-086-03

計算思維內涵

計算思維，自2006年周以真教授在美國計算機權威刊物上提出后，受到了國內外的關注和討論。周以真教授定義計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、人類行為理解的涵蓋計算機科學之廣度的系列思維活動。[1]除此之外，國內還有很多學者對計算思維提出了不同的觀點，但大都強調計算思維作為解決問題的能力特征，且切入角度各有不同。當前，教育界對計算思維的界定以2017年《普通高中信息技術課程標準》為權威解讀：計算思維是以計算機領域的學科方法界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案，總結利用計算機解決問題的過程與方法，并可遷移與之相關的其他問題解決中的一種學科思維。[2]

計算思維發展的現狀與重要性

新時代確立了教育價值選擇的新坐標系，教育要有新作為，必須以未來為導向，更好地完成“立德樹人”的根本使命。如今，計算思維作為一種核心素養，已經受到眾多教育者的關注與重視，在課堂上我們看到了由重視“技術教授”到重視“思維培養”的不斷演變，讓學生在思維意識、思維品質、思維習慣、思維方法等方面都得到良好的提升，對促進學生全面發展和終身學習具有不可替代的作用。根據搜索文獻并分析得出：我國2010年之前，有關計算思維的研究以理論研究為主，近幾年開始關注應用研究方面。當前計算思維應用研究主要集中在高等教育階段，在中小學課堂教育教學活動中對計算思維的培養策略、計算思維教學模式等還處于研究初期，需要進一步探索。

小學信息技術教學中如何培養計算思維

在小學信息技術教學階段，有一個很重要的模塊——程序設計。根據小學生年齡特點，選用的是圖形化編程工具Scratch，課程內容的設置是以解決問題為主導，創設不同的主題式教學活動，教師在創設情境的同時，設置障礙，使其遇見問題，從而引發學生思考，如何利用已有的知識遷移到本問題中來，再通過掌握新技能解決問題，這樣才能真正體現學習新技能的需求性和必要性。而引發學習的過程又是一個復雜的過程，如何聚焦核心素養，如何讓核心素養中提到的計算思維落地，筆者認為計算思維的培養是一個“建模——解模”的過程。

1.建模

從具象到抽象這一過程是教學中的難點，同樣也是信息技術教育的重點。抽象思維是信息技術學科的理論基礎，根據學生的心理發展特點，從小學五年級開始，由具象思維到邏輯思維的不斷轉變，信息技術教材內容也從WPS系列辦公軟件的應用逐步過渡到運用Scratch學習程序設計編程。Scratch教學，一般都是采取以主題單元活動為載體，以解決問題為主線進行的。學生在拿到問題時，首先進行問題分析，再進行基礎的數學建模過程，最后編寫程序從而解決問題。例如“小貓出題”一課，主題要求小貓隨機讀出2個數，并讓這兩個數進行加法運算，請學生計算并輸入答案，小貓立刻作出判斷，若答對了給予表揚，若答錯了給予提示。根據主題要求，我們想到了用數學方程中的X、Y來代替小貓讀出的兩個數，用Z來代表計算出X+Y的和，從而建立數學模型：X+Y=Z。通過判斷寫入的答案與Z對比，一樣則顯示“答對了”，不一樣則顯示“答錯了”，通過這個模型就可以解決此問題了。

學生通過分析問題，能夠想到運用已有的數學知識來解決生活中的問題，并在腦海里建立數學模型，這一過程是學生邁向計算思維的第一步。

2.解模

如果說建模的過程是在梳理思維框架，那么解模的過程便是選用不同的方式方法為搭好的思維框架填補具體實施步驟的空白。解模的過程是要把模型中每一步的設想和預測用具體的技術手段實施檢驗，通過類似于工程思維的方式，將“建設過程”劃分為明確的步驟，通過不斷選擇、判斷、循環，完善解模過程。在解模過程中要注意對遇到的問題進行總結反思，借鑒建設工程質量管理的“PDCA”循環管理方法，即計劃（Plan）—實施（Do）—檢查（Check）—處置（Action），不斷完善解模實施路徑。

仍然以“小貓出題”一課為例，根據建立好的數學模型，用程序語言的算法來解決問題，便是解模的過程。在已經建立好的數學模型解題思路基礎上，在Scratch程序語言中定義X、Y、Z變量，并進行X、Y變量的加法邏輯運算及賦值給Z，再通過判斷語句實現小貓能像“小老師”一樣判斷答案的對錯，并做出相應反饋，如果再加上循環結構，還可以實現小貓的反復出題。

3.建模——解模

在實際教學過程中許多學生更喜歡直接的、非還原性的解決方案，學生在學習過程中通過建模解答，能啟發學生的計算思維。我們可以看到建模將數學與實際應用問題相結合，課堂中引入建模可以拓寬學生的知識面，發揮其想象力和創造力。再通過解模逐步形成計算思維的進階過程，從而實現培養學生的計算思維。如Scratch“畫城堡”一課，學生在看到城堡的圖形時，如果運用已有的知識經驗，可以通過逐句寫程序，畫出復雜的城堡，這樣的操作顯然較為繁復。如果教會學生在Scratch中，把畫各種基本圖形的腳本分別“定義”為不同的“過程”，學生把定義過程理解為建立一塊塊不同形狀的“積木”模型，通過計算和Scratch編程，運用“定義過程——調用過程——組合腳本”一步步完成城堡的組建，實現解模過程。

我們再來看一則例子：Scratch“畫正多邊形”一課，以畫正三角形為例。學生從已有的數學知識中可以輕松地計算出正三角形的內角是60°，外角是120°，同時，也已掌握在Scratch中編寫“移動”和“旋轉”的腳本，因此在教師的引導下，利用已有知識的遷移，學生很容易這樣建模：通過重復執行3次“移動50步”“旋轉120°”實現畫正三角形，接下來，學生通過編寫腳本、運行程序進行解模。這一過程正是思維發生的過程，學生的計算思維也在這樣不斷循環的“建模——解模”中培養出來了。

從這些課例中我們可以看出，計算思維教學模式是從實際問題出發，運用模型求解實際問題，“組塊調用”這一思維方式就可以通過具體的問題進行分析、內化。學生通過結合課本和教師所教授的內容，自己設計方案、分析解決問題，不僅鍛煉學生的建模能力，還可以提高學生運用所學數學知識和信息技術知識來分析、解決問題的能力，拓展學生對計算思維的興趣，能夠從簡單的解決問題中，找到信息技術學習的樂趣，學會舉一反三，有創新精神和實踐能力，從舊知中有所感悟，有所啟發，從而獲得新的知識。因此，我們還可以說計算思維是將一個看似困難的問題重新解釋成計算機模型，進行“建模——解模”解決實際問題的科學思維方式。

計算思維將影響每一個領域的每一個人，特別是對我們的學生和教師提出了新的教育挑戰。加速的技術進步和巨大的社會需求迫使我們重新審視計算機科學最基本的問題。除了閱讀、寫作和算術之外，我們還要給每個學生的分析能力增加計算思維，計算思維將成為全世界每個人使用的基本技能。計算的思想將被使用在任何地方，這一目標構成了一個新的教育挑戰。[3]

小學信息技術教學對于教育者進行計算思維的培養要求就更為具體化，學生在已有的知識架構上，可以層層遞進式的積累與拓展。不怕學生在求知過程中出現錯誤，鼓勵學生能夠進行大膽的建模，發散思維，多種途徑的解決問題，不斷進行思維的創新。這就要求教育工作者能夠不斷提升自身素養，給學生傳遞出計算思維不再是停留于書本知識，還要結合實際的社會背景，引導學生進行一系列的探究活動，能夠從最普遍的現象中找到其中蘊含的思維規律，信息素養的培養也是基礎信息技術教育的重中之重。未來，就是要打好基礎，從每一節課開始，跟上課程改革的步伐，不斷推進教育的改革創新，不斷深化教育的改革，信息技術課程體系也將不斷發展，計算思維在其中有著更為重要的意義與作用，信息化時代不斷吹起號角推動我們繼續前行。

參考文獻

韓杰.思維力：計算思維應用于小學信息技術教學的培養核心[J].課堂經緯，2019（1）.

李鋒，趙健.高中信息技術課程標準修訂：理念與內容[J].中國電化教育，2016（12）.

劉宜銘.如何在信息技術教學過程中培養計算思維[J].教育天地，2019（1）.