基于計算思維的小學不插電計算機教學模式實踐

李晶

目前，人們普遍認為計算思維的培養在課堂教學中主要通過計算機編程及其相關的教學活動來實現，其中小學多以Scratch編程、機器人、開源芯片創客等活動為主。盡管計算機編程教學對培養學生計算思維有直接效果，但在實際教學活動中教師仍需要面對許多問題。例如，編程教學對計算機和相關硬件設備有著強大的依賴性，硬件資源往往無法滿足大量學生同時使用的需求;又如，信息技術學科還包含大量非編程的學科知識，教師仍需要在規定課時內完成這部分教學內容。面對這些矛盾，筆者認為可以運用不插電計算機的教學活動，彌補原有課堂教學活動的不足，提升計算思維的培養效果。

不插電計算機的教學特點

不插電計算機（Computer Science Unplugged）的概念最初是由新西蘭坎特伯雷大學的Tim Bell教授和Ian H. Written、Mike Fellows兩位教師共同發起的一個研究項目。他們認為，傳統課程所授的計算機編程是人們將自己的想法付諸現實的工具和方法，但是這門學科更重要的是讓學習者認識計算機實現功能的過程。不插電計算機教學的目的并非是讓學生精準地掌握計算機的某一項知識，而是通過認識計算機解決問題的過程，理解其中的原理概念，感受這門學科所涵蓋的創意和趣味。由于不插電計算機教學具有不受時間和地點限制的特點以及適合低年段學生學習計算機科學知識的優勢，該項目得到全球計算機科學學科研究者的認可，并對信息技術學科的教學產生巨大影響。

由于在不插電計算機的教學活動中不需要學生直接操作計算機或者其他媒體設備，所以這種教學活動可以面向沒有計算機學習基礎的學生開展，對學習者的能力門檻較低，適合小學階段學生參與學習。盡管如此，不插電計算機教學的內容仍然始終圍繞計算機科學的核心知識。這種教學方式對于幫助學生理解計算機的運行原理、編程的邏輯規律、算法的執行過程等學生難以直觀看到的學科知識有著自己獨特的教學效果。

傳統的信息技術教學往往關注學生應用技術解決生活問題的操作和思維方面的培養，但實際上學生學到的本領常常與生活實際面對的環境有著巨大差異。不插電計算機的教學一般從二進制數概念、人工智能原理、算法流程等計算機科學的核心知識出發，通過運用貼近生活情景的互動游戲的方式呈現這些知識概念和規律，從而使學生在掌握知識的同時提升其在信息技術環境中的自適應能力。

不插電計算機的教學形式一般以師生之間和生生之間的交互游戲和實踐活動為主，注重學生在整個活動過程中的體驗和思考。通過開展圍繞計算機科學知識的互動游戲，組織一系列具有趣味性和挑戰性的活動，實現對計算機科學的概念、知識和技術的解釋。學生在活動的過程中不僅認識計算機科學的相關知識，培育學科思維能力，更能體驗計算機科學的魅力，產生學習興趣和探索欲望，最終真正實現“玩中學”的教學效果。

基于計算思維培養的不插電計算機教學模式設計

基于計算思維培養的不插電計算機教學是以讓學生在掌握學科知識的同時提升計算思維為目標，將計算思維培育的要素滲透于不插電計算機的教學活動。結合不插電計算機教學的活動特點，隨著教學的深入，將生活案例、學科知識以及互動游戲相結合，使學生能夠主動參與學習，并在深度體驗的過程中培育計算思維。

結合不插電計算機教學的特點，圍繞計算思維培育的相關概念，筆者認為，以培育小學生計算思維為目標的不插電計算機教學活動主要包含“情境互動”“明確問題”“體驗探究”“歸納現象”“應用實踐”“總結推廣”六個主要階段（如圖1）。

①情境互動階段，創設任務情境，激發學習興趣。不插電計算機的教學活動一般以包含計算機科學的現象、問題或游戲為主。通過情境互動，將學科知識與學生的生活情境產生聯系，用“可參與”的互動方式使學生體驗計算機科學知識的趣味，充分調動學生參與活動的欲望和學習興趣。

②明確問題階段，分析問題現象，確定教學內容。本階段是將生活中的現象或問題抽象為學科性的問題，在生活現象和學科知識間起到承上啟下的作用。通過組織學生對第一階段所觀察到的現象進行分析，逐步抽象出其中與計算機科學以及信息技術學科相關的知識內容。面對比較復雜的問題和現象，教師可以通過引導使學生將復雜問題分解成若干子問題并形成問題集，在之后的教學活動中逐一解決或解釋這些問題和現象。

③體驗探究階段，開展探究體驗，領略學科知識。本階段是教學活動的主體，也是解釋和解決學科知識的重要階段。在這個階段中，學科知識并不是通過教師講授來傳授，而是組織學生開展一系列互動游戲和實驗，使學生通過體驗來領悟其中的規律。在活動過程中，教師可以運用生活中的道具組織學生開展活動，學生通過兩人或多人一組的方式合作進行，體驗計算機的學科知識或執行過程。教師設計的活動應具有趣味性、交互性、科學性，使學生能夠參與、樂于參與，充分調動學生的學習積極性。

④歸納現象階段，歸納學科知識，形成一般模式。本階段是學生根據現象歸納知識的重要階段，不僅需要引導學生掌握相關知識概念，更應該關注學生形成概念的思維過程。教師可以組織學生綜合活動過程中的經驗和感受，分析并歸納其中的現象規律，抽象出與計算機科學和信息技術學科相關的知識原理，并對相關的學科概念和執行流程形成模式概括。

⑤應用實踐階段，運用學科知識，解決實際問題。本階段需要學生綜合運用學科知識開展實踐活動，是對學生學習效果的階段性評估。應用實踐的活動內容可以是教學活動最初的情景任務，也可以是基于所學知識的拓展型問題，其本質是為學生提供運用知識解決問題的模擬場景。通過實踐活動，幫助學生梳理運用知識解決實際問題的過程和方法，并在此過程中養成執行步驟的條理性，使算法思維得到提升。

⑥總結推廣階段，總結學科知識，拓展學科思維。本階段是教學活動的收尾，既是對教學內容的總結階段，也是拓展學生學科思維的重要階段。在此過程中，教師可以以學科知識為核心拓展其在生活中的應用場景，通過與學生開展互動的方式，使學生能夠對已學知識的應用場景有所評估，深入理解運用所學知識解決問題的方法。教師可以設計一些開放性的趣味問題，鼓勵學生開展課后研究，激發學生深度學習的興趣和積極性。

基于計算思維培養的不插電計算機教學實施案例

下面，筆者以《生活中的二進制數》一課的不插電計算機教學活動為例，介紹基于計算思維培養的不插電計算機的教學設計和實施過程。本節課的教學內容是讓學生通過不插電教學活動，了解二進制現象，知道二進制數的概念，并能根據二進制數和十進制數的規律進行簡單換算。根據基于計算思維培養的不插電計算機的教學流程，筆者將這節課設計成以下幾個活動環節。

1.生肖猜謎魔術

為了使學生對原本可能略顯枯燥的二進制數產生濃厚的學習興趣，這節課的開始，筆者與學生開展了一個互動游戲，運用了“生肖猜謎魔術”的方式引入。這個魔術運用二進制數與十進制數轉換的規律，實現一個讀心術的效果。通過這個有趣的互動魔術，使學生直觀感受二進制數在生活中的趣味應用，充分激發學生深入探究的興趣，為后續學習做好鋪墊。

活動內容：

將每個生肖的十進制數排序編號并轉化為4位二進制編碼，例如，位列第6的生肖蛇的編碼為0110，位列第9的生肖猴的編碼為1001。準備4張卡片分別對應二進制編碼的每個位，根據生肖的二進制編碼，從左至右逐位判斷，將數值為1的生肖填入對應的卡片中，最終形成4張生肖魔術卡片（如圖2）。

在互動魔術的過程中，邀請一位學生首先在心中默念一個生肖，然后依次向學生展示生肖卡片，并請學生描述在卡片中是否具有心中所想的生肖，最后由教師根據回答判斷學生心中所想的生肖，完成魔術。

2.身邊的二進制現象

相較于常見的十進制數，小學生對二進制數的概念還是比較陌生的。然而，學生的身邊實際上充滿著許多具有二進制元素的事物，如電燈的開關、問題的對錯等。在這個環節中，主要組織學生交流生活中的二進制現象，幫助其認識二進制數的概念，將原本復雜的生活環境抽象成計算機及信息技術學科的知識內容，使學生理解所學知識與實際生活的關系。同時，通過介紹生肖魔術的原理與二進制數有關，以揭秘魔術為驅動任務，進一步激發學生深入學習的興趣。

活動內容：

頭腦風暴生活中的二進制現象，初步構建二進制數的概念。通過觀看微視頻和科普閱讀的方式，使學生知道計算機中的數據和信息都是以0和1的形式存儲的，同時生活中也存在許多具有二進制現象的事物。教師簡單介紹生肖魔術的原理，使學生意識到生肖魔術也是運用二進制數的規律實現的。

3.探究二進制數的規律

本環節是教學的核心階段，由于二進制數運算對小學生而言比較陌生，所以學生學習和理解相關概念是具有一定的難度和挑戰的。筆者將學習活動分為兩個子活動，通過問題引導學生參與，使學生在體驗活動的過程中逐步加深知識內容，幫助學生更好地理解其中的學科原理。這個環節對培養學生計算思維具有直接的效果，活動中筆者不僅關注學生對學科知識的學習，同時更關注學生對問題現象的抽象、歸納和概括的過程。以問題為指向引導學生思考，鼓勵學生根據體驗的過程綜合自己的感受歸納并描述其中的規律，概括學科相關的知識，最終形成正確且學生能夠理解的模式。

活動內容：

活動1：給每組學生發放5張卡片，其中4張卡片上分別標有1、2、4、8四個數字，要求學生根據卡片上數字的規律思考第5張卡片上的數字，并將數字從左至右、從大到小排列，組成5張數字卡片。

活動2：卡片有數字的一面為正面，無數字的一面為反面。教師隨機給出數字，學生嘗試用卡片上的數字累加出教師所給的數字，用到的卡片記為1，未用到的卡片記為0，從左至右記錄1和0的二進制狀態。例如，教師給出25，則卡片最終給出的二進制狀態為11001。

4.運用所學開展魔術

本環節是學生運用已經掌握的二進制數的規律在生活情景中解決實際問題的階段。為呼應本課的任務主題，同時也為滿足學生的好奇心，筆者在這個教學環節中引導學生徹底揭秘生肖魔術的原理，組織學生運用所學知識與同伴開展生肖魔術，在體驗魔術的同時也感受應用知識解決問題的樂趣。與此同時，筆者也鼓勵學生嘗試在此基礎上自主創編更多有趣的魔術游戲，與同伴分享和展示。

活動內容：

活動1：根據十二生肖的編號，運用手中的卡片計算出各個生肖的二進制數。思考描述十二個生肖使用幾張數字卡片最合適，描述其中的理由。

活動2：觀察十二生肖編號及其二進制數的規律，揭秘生肖魔術的原理并與同伴重現生肖魔術。嘗試運用生肖魔術的原理和技巧設計一個新的魔術活動。

5.課堂總結與拓展問題

在本節課的總結環節中，筆者不僅組織學生回顧課堂所學的知識內容，同時將一個拓展開放的問題拋給學生，使學生在課后延續對二進制數概念的興趣，同時引導學生運用所學知識開展更多拓展性的思考。通過二進制生日蠟燭的問題，鼓勵學生進一步運用課堂所學的二進制數的知識思考身邊的問題，同時使學生的表達、評估等高階思維能力得到提升。

研究問題：

生日蛋糕上通常會插上與年齡數字相同數量的蠟燭，但隨著年齡的增長，蠟燭數量會越來越多。有人認為可以分別使用點燃和熄滅的蠟燭表示1和0，運用二進制數的規律表達年齡的數字。你覺得這個方法可行嗎？請描述你的理由。

基于計算思維培養的不插電計算機教學實施反思

不插電計算機的教學特點在于弱化媒體技術在教學活動中的影響，使學生通過互動游戲的方式直接感受學科知識的特點和規律，有助于學生理解計算機科學的知識概念和解決問題的過程，對學生計算思維的培養能夠起到較為直接的效果。

在課堂上開展基于計算思維培養的不插電計算機教學活動后，學生對課堂所講的學科知識產生了濃厚興趣，同時他們在課堂上的行為表現也產生喜人的變化，學生對通過互動游戲學習計算機科學知識的方式表現出強烈欲望。得益于不插電計算機教學參與活動門檻低的特點，課堂上那些原本因為操作不熟練而無法參與互動的學生逐漸從抗拒學習變得樂于學習。在教學過程中，幾乎每一位學生都能夠主動參與每個活動環節，他們在學習過程中變得更加主動，即使已經下課，學生仍會圍繞課上所學的知識以及拓展的問題開展自發性的討論。

總結

不插電計算機教學是對常規信息技術學科的補充和完善，對學生計算思維的提升也有其特有的教學效果。但是不插電計算機這種教學方式同樣有其不足之處，這種教學方式適合面向低年齡段學生普及學科理論知識，但是操作實踐仍是信息技術和計算機科學中必不可少的重要能力。因此，在實際教學活動中，不插電計算機教學應以調味劑的形式存在于整個信息技術學科的教學活動中，幫助學生更好地理解學科的理論知識，調劑學生學習的心理狀態。相信合理運用不插電計算機教學，不僅能夠有效培養學生的計算思維，更能令信息技術學科的教學效果更佳出色。