小學(xué)高年級學(xué)生計算思維能力評價及培養(yǎng)策略

劉寶龍 鄭秋輝 崔海濤

摘? 要 以小學(xué)高年級學(xué)生為研究對象，根據(jù)在解決問題過程中表現(xiàn)出來的形式化、模型化、自動化和系統(tǒng)化這四個計算思維具體形式設(shè)計測試卷，通過答卷情況匯總分析小學(xué)高年級學(xué)生計算思維能力現(xiàn)狀并嘗試結(jié)合Scratch編程教學(xué)、機器人教育提出相應(yīng)培養(yǎng)策略。

關(guān)鍵詞 計算思維;小學(xué)高年級學(xué)生;Scratch編程教學(xué);機器人教育

中圖分類號：G625.5? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）03-0062-04

1 基于試卷的評價設(shè)計和實施

《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》將“計算思維”作為信息技術(shù)學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一提出[1]。筆者認為，計算思維要從小學(xué)生抓起，要把它作為每個人的基本技能。

計算思維（Computational Thinking，簡稱“CT”）由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真教授于2006年提出，她認為計算思維應(yīng)當同閱讀、寫作和算術(shù)位于同等地位教給學(xué)生[2]。近十幾年來，國內(nèi)外很多學(xué)者和權(quán)威機構(gòu)對于計算思維的內(nèi)涵和定義繼續(xù)做了大量深入的研究。湖南師范大學(xué)丁珺進行了比較詳細的梳理，并將新課標中“CT”的四個具體形式及內(nèi)涵歸納描述如下。

1）形式化：界定問題，抓住關(guān)鍵，提取特征，抽象處理和形式化地表述。

2）模型化：抽象特征，建立結(jié)構(gòu)模型。

3）自動化：判斷、分析、綜合信息資源，運用算法形成方案。

4）系統(tǒng)化：總結(jié)利用計算機解決問題的過程與方法，將解決方案遷移[3]。

本測試卷重點圍繞計算思維這四個具體表現(xiàn)形式進行設(shè)計，共分四個部分，第一部分“學(xué)生信息”不計分;第二部分“對計算機基本知識的認識”共六題，每題2分，共12分;第三部分“對計算思維的認識”共12題，每題3分，共36分;第四部分“計算思維能力情況”共13題，每題4分，共52分，試卷滿分100分。

前三部分為筆者基于相關(guān)課題研究自行擬定，第四部分“計算思維能力情況”是測試卷的重點內(nèi)容，以Bebras國際計算思維挑戰(zhàn)賽相應(yīng)學(xué)段試題為主要參考進行編制。Bebras國際計算思維挑戰(zhàn)賽通過淺顯易懂的方式呈現(xiàn)題目，多為情境性任務(wù)，讓學(xué)習(xí)者利用已有知識運用計算思維完成測試題目。

由于即將在開展相關(guān)課題研究的四所學(xué)校的五年級開設(shè)Scratch編程教學(xué)課程，為充分了解該年級段學(xué)生現(xiàn)有計算思維能力，將測試卷發(fā)放給這四所小學(xué)的五年級學(xué)生進行填寫，一共發(fā)放836份，回收有效測試卷812份。

2 試卷評價結(jié)果分析

學(xué)生對計算機基本知識的認識? 此部分題目相對比較基礎(chǔ)，全部答對的學(xué)生占到82%。錯誤的試題中有13%是最后一個題目出現(xiàn)錯誤，即沒有搞清“計算機能夠直接識別的語言是什么”。可以看出，學(xué)生的計算機基礎(chǔ)知識掌握較好，但對于機器語言、匯編語言、高級語言的概念還沒有建立。雖然教師對這三個概念在教學(xué)中也曾提及，但對于小學(xué)五年級學(xué)生來說，它們相對比較抽象，需要在編程實踐中去體會和理解。

學(xué)生對計算思維的認識? 此部分題目主要考察學(xué)生對計算思維的理解和態(tài)度。學(xué)生大多對計算思維比較陌生，其中知道這個概念的學(xué)生只占2.56%;所有學(xué)生都沒有接受過計算思維的專門訓(xùn)練;認為計算思維非常重要的學(xué)生占70.61%;70.45%的學(xué)生認為有必要接受計算思維的培訓(xùn)。針對以上分析，可以得出這樣的結(jié)論：小學(xué)高年級學(xué)生能夠接受計算思維的概念及其重要意義，樂于接受與計算思維相關(guān)的培養(yǎng)和學(xué)習(xí)。

學(xué)生計算思維能力現(xiàn)狀分析

1）形式化思維能力。形式化思維能力也可以理解為抽象思維能力。測試卷第26題：

假設(shè)有一對兔子，從出生后第三個月起，每個月都生一對小兔子;小兔子長到第三個月后，每個月又生一對小兔子。如果這些兔子都不死，請你算一算到第12個月時，兔子的總數(shù)為多少？

這是典型的斐波那契數(shù)列（Fibonacci sequence）問題，有較強規(guī)律性，一部分學(xué)生在演算紙上按照條件要求逐月推導(dǎo)，得到正確答案，正確率達到16.4%。不難發(fā)現(xiàn)，從第三個月開始，兔子總對數(shù)為前兩個月兔子對數(shù)之和，第12個月的兔子對數(shù)為10月和11月兔子對數(shù)之和，即從表面問題抽象出特定的規(guī)律。總體來看，學(xué)生的形式化思維能力有待加強。

2）模型化思維能力。模型化思維能力也可稱為模式識別能力。測試卷第34題：

海貍Bert有一段長長的彩色紙，用來開派對。彩帶由三種不同顏色（黃色Y，紅色R，藍色B）的方塊組成，有重復(fù)的規(guī)律。Bert的朋友James剪下了一段紙，如表1所示，你知道剪去的方塊有多少個嗎？

在信息中找到一種模式很重要。通過觀察表1，對這一長串的彩帶進行模式識別，發(fā)現(xiàn)規(guī)律為YRRB，圖片中缺失的部分分別為B和Y、R，通過規(guī)律得出公式4x+3為這條彩帶的方塊總個數(shù)，這里的x即為YRRB重復(fù)的次數(shù)。此題僅有10.5%的學(xué)生得到正確答案，可見學(xué)生的模型化思維能力比較欠缺。

3）自動化思維能力。自動化思維能力可以理解為解決實際問題的具體方法。測試卷第36題：

假設(shè)我們需要打印兩份一樣的文件，但是由于設(shè)置錯誤，實際打印出來文件的頁碼是1、1、2、2、3、3、4、4、5、5這樣的順序。現(xiàn)在要把它分為兩份文件，左右兩邊擺放，問哪種分法最優(yōu)？

本題有兩個選項可以完成任務(wù)，代表了解決問題的兩種算法：逐頁擺放需要10個動作;而將第1頁單獨放在左

邊，然后將第1、2頁放在右邊，再將2、3頁放在左邊，依次放完需要六個動作，比A選項的方法效率提升40%，這就是計算思維帶來的最佳算法。此題比較簡單，選項答案比較明確，有68.4%的學(xué)生能夠得到正確答案。

4）系統(tǒng)化思維能力。系統(tǒng)化思維能力要求學(xué)生總結(jié)使用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到其他實際問題中。測試卷第25題：

小海貍家小區(qū)的停車場共有12個停車位，每個停車位都標有數(shù)字。圖1中顯示了周一和周二停車位的情況，請問有多少個停車位在周一和周二都是空位？

在計算機世界里，所有數(shù)據(jù)都是由0和1組成的。這個題目中可以將有汽車存放的位置假設(shè)為1，將沒有汽車存放的停車位假設(shè)為0，每一個停車位對應(yīng)1位二進制數(shù)。如果按照從上到下、從左到右順序給停車場賦予0或1的值，會獲得一個二進制數(shù)列。周一停車場對應(yīng)的二進制數(shù)列為101001001010，周二停車場對應(yīng)的二進制數(shù)列為100100000111。將這兩個二進制數(shù)列做“或”邏輯運算，結(jié)果為10110100111，其中有四個0，即有四個停車位在周一和周二都是空位。此題相對簡單，不使用這種方法，直接歸納也可得到正確答案，有78.3%的學(xué)生答對。

為充分了解測試卷的評價效果，筆者對部分學(xué)生進行訪談，主要詢問對試題的理解和解題思路。大部分學(xué)生感覺題目很有趣，題目正確答案體現(xiàn)的思維方式也很容易理解和接受，有些題目顛覆了學(xué)生之前對計算機程序的認識，對計算機編程產(chǎn)生濃厚的興趣;但其計算思維四個維度的能力整體水平較低，還有待提高。

3 培養(yǎng)策略建議

通過開展Scratch編程教學(xué)培養(yǎng)計算思維能力? 測試卷中的題目都可以通過紙筆驗算得出正確的結(jié)果，但是一旦問題變得復(fù)雜，比如第26題，問36個月后會有多少對兔子？那么必須要通過編寫程序運算來解答。對于小學(xué)高年級學(xué)生來說，可以首先學(xué)習(xí)Scratch編程。Scratch編程使用鼠標拖動相應(yīng)模塊到程序編輯欄后，再進行部分參數(shù)設(shè)定，就可以完成程序，實現(xiàn)一段動畫、一個小游戲等，能夠讓小學(xué)生獲得較強的成就感。對于初學(xué)編程的小學(xué)生來說，從“拖拽編程”起步是最好的選擇。

Scratch編程軟件作為一種程序設(shè)計語言，具有計算機語言的結(jié)構(gòu)特征[4]。Scratch在程序設(shè)計時還引入事件、線程、同步的概念。如判斷角色是否碰到邊界;多線程讓舞臺上的不同角色各自執(zhí)行不同的腳本;在程序中不同角色間可以通過發(fā)送廣播和接收廣播實現(xiàn)同步。學(xué)生在使用過程中自然而然就掌握了正確的編程概念，為日后學(xué)習(xí)更深層次的編程語言打好基礎(chǔ)。筆者根據(jù)計算思維重點體現(xiàn)內(nèi)容，設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，見表2。

通過開展機器人教育培養(yǎng)計算思維能力? 機器人教育，最開始是由教育機器人比賽發(fā)展而來，是指通過設(shè)計、組裝、編程、運行機器人等方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，融合了機械原理、電子傳感器、計算機軟硬件及人工智能等眾多先進技術(shù)。目前，機器人教育的教學(xué)內(nèi)容主要圍繞競賽任務(wù)展開：結(jié)構(gòu)分析—設(shè)計搭建—程序編寫—運行調(diào)試。通過競賽，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，學(xué)生也樂于接受，基本不用擔(dān)心學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面的問題。

從教學(xué)實踐過程來看，機器人教育與項目式學(xué)習(xí)非常相似，機器人教育內(nèi)容容易理解，有較強的啟發(fā)性，學(xué)生搭建機器人結(jié)構(gòu)各不相同，編寫的程序各有特色，得到的成果是開放的。在整個項目活動中，學(xué)生可以通過解決問題理解掌握用到的方法，從而建立自己的認知結(jié)構(gòu)，最終形成思維能力[5]。

筆者經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前機器人教育比較注重學(xué)生拼搭作品和編程完成項目任務(wù)的過程與完成情況，教師指導(dǎo)和教學(xué)過程中對學(xué)生思維方式的培養(yǎng)有所缺失。因此，機器人項目式教學(xué)可以按照以下流程開展：

首先，根據(jù)師生實際水平和發(fā)展方向選擇合適的機器人項目;

其次，結(jié)合機器人競賽規(guī)則制定具體學(xué)習(xí)任務(wù);

再次，創(chuàng)建合作小組，分享學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生運用計算思維的方法解決問題;

最后，在項目開展過程中對學(xué)生進行輔導(dǎo)和評價。

基于機器人項目教學(xué)培養(yǎng)計算思維的模型構(gòu)建如圖2所示。

4 結(jié)語

計算思維培養(yǎng)被越來越多的教育者所關(guān)注，本研究也嘗試提出對應(yīng)的培養(yǎng)策略，Scratch編程教學(xué)和機器人項目教學(xué)是培養(yǎng)小學(xué)高年級學(xué)生計算思維的兩個有效途徑。從測試評價的結(jié)果可以得出，學(xué)生對于計算思維學(xué)習(xí)有較高的興趣和意愿，教師在具體實施時要充分利用這個優(yōu)勢，在教學(xué)中對計算思維的培養(yǎng)要循序漸進，立足學(xué)生的水平和接受能力。Scratch編程容易上手，學(xué)生樂于接受，是適合小學(xué)生的入門級編程課程。機器人教育在小學(xué)生計算思維培養(yǎng)中具有一定潛力，其潛力來源于科學(xué)嚴謹?shù)恼n程體系，以及為計算思維培養(yǎng)準備的教學(xué)支架、教學(xué)策略、教學(xué)過程、學(xué)習(xí)評價等，值得從事這一方向研究的教育者進一步研究和挖掘。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017：5.

[2]Wing J M. Computational Thinking[J].Communication of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[3]丁珺.小學(xué)高年級信息技術(shù)課程中的學(xué)生計算思維評價研究[D].長沙：湖南師范大學(xué)，2019.

[4]譚國聚，孟延豹.基于程序結(jié)構(gòu)講授程序設(shè)計培養(yǎng)小學(xué)生計算思維能力：以Scratch 2.0程序設(shè)計為例[J].中國信息技術(shù)教育，2019（23）：74-76，109.

[5]張婷.小學(xué)生機器人教學(xué)中計算思維培養(yǎng)的實踐研究[D].成都：四川師范大學(xué)，2019.