面向計算思維培養的小學編程教學設計流程構建

趙健如 王穎 侯巖 王玉龍

計算思維作為信息素養的核心維度，已經成為每一個社會個體的必備素養。2017年的《地平線報告（基礎教育版）》中指明，培養中小學生的計算思維是21世紀的一個重要課題。[1]2017年7月，《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》中指明，國家對于人工智能人才的迫切需求，要求實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。[2]《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》中表明要啟動中小學生信息素養測評，并推動在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。[3]因此，從小學階段開始編程教育的啟蒙，并與中等教育一以貫之，培養小學生的計算思維就顯得尤其重要，而如何在編程教學中有效地培養計算思維已經成為當前的研究熱點。

● 計算思維的概念與內涵

1.計算思維的概念

周以真教授2006年在美國權威刊物上發表了Computational Thinking一文，將計算思維定義為：“運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。”[4]2016年，我國普通高中信息技術課程標準修訂組提出，計算思維是指個體在尋求問題解決方案的過程中通過應用與總結計算機相關方法而形成的諸多思維活動。

本文所理解的計算思維是建立在問題解決基礎之上的，并吸收了多種觀點通過總結而來，即計算思維是指學生在解決問題的時候，在不斷反思優化所用方法的過程中所開展的一系列思維活動和形成的一系列思維方法。

2.計算思維的內涵

本文在周以真教授和信息技術課程標準對計算思維的定義的基礎上，將計算思維具體分為分解思維、抽象思維、算法思維、系統化思維、自動化思維（如下頁表）。[5]

● 小學編程教學的現狀與問題

自從計算思維納入信息技術新課標，并列為信息技術學科核心素養之一后，各地小學都結合實際情況根據新課標對信息技術課程進行了改革，增大了編程教育的比重，不過從總體上來看，編程教育的普及率還有待提高。本研究通過實地見習和查閱相關文獻資料，了解到我國小學編程教育目前存在以下三方面的問題：①注重編程技法的傳授，忽視思維的培養;②教授方法枯燥，無法激起學生興趣;③重視結果評價，忽視過程評價。

● 面向計算思維培養的小學編程教學設計流程構建

面向計算思維培養的小學編程教學不再片面強調知識、技能的傳授，而更加注重思維的訓練與培養，教師要創造快樂有趣的學習環境，改變傳統的教授形式，對學生思維的積極性、創造性進行有效激發。任務驅動教學法是以建構主義學習理論為基礎，以解決問題、完成任務為主的多維互動教學，讓學生保持積極的學習狀態，根據自己對當前問題的理解，運用已有的知識與經驗提出方案并對問題進行解決。它的基本環節主要包括：確定問題或任務-創設情境-自主、協作學習-效果評價。任務驅動教學法的學習流程比較靈活，避免了單純的以線性方式開展教學活動，可以讓學生充分發揮想象力，培養其創造性的思維。

任務驅動教學法的核心理念與當前編程教育的訴求高度契合。因此，本研究借鑒任務驅動教學法的實施模式，融合游戲化學習理念，構建面向計算思維培養的小學編程教學設計流程，通過對課前、課中、課后階段的教學流程、教師活動、學生活動的探究初步建立如下圖所示的教學設計流程。

1.課前階段

（1）任務、活動設計

小學編程課教師在授課前要對學生、學習內容、學習目標進行分析，根據學生掌握編程知識和技能的實際程度以及小學生群體特征，對任務、活動進行合理詳細的設計，將計算思維的五個維度與小學編程教學的內容進行融合設計，形成系列活動任務。學生在完成任務的過程中，習得相關知識與技能，進行思維訓練。

（2）學習資源設計

授課前，教師需要將教學PPT、引導學生任務分析的系列問題集以及與課程相關的各種案例資料整理好，對一些關鍵知識，教師可以制作成微課來讓學生學習，另外授課教師需要制作任務學習單和課堂評價量表。

2.課中階段

（1）任務導入

在進行任務導入時，教師要結合生活場景，創設有趣并且符合小學生已有知識水平的情境。[6]小學編程的學習內容邏輯性比較強，實踐操作較為枯燥，教師可以通過創設游戲情境來進行任務導入，組織小組活動激發學生對編程學習的興趣。在情境創設中，授課教師要巧妙設疑，觸發認知沖突，激發探究動機。

（2）共同探討，任務分解

在授課教師導入任務之后，學生需要對具體的問題或任務進行分解。考慮到小學生思維尚不成熟，不具備自己完全獨立或者只靠小組內合作討論來解決編程任務的能力。授課教師此時就要引領學生對任務問題進行了解、探討以及分解，利用課前準備好的學習任務單對其進行輔助，將任務問題分為若干個子問題。通過對復雜問題的分解，如設置選擇和填空來幫助學生探尋問題本質，降低小學生學習編程的難度，為之后的自主探究與小組合作階段奠定基礎。

（3）任務解決

通過問題界定和任務分解，學生對整體的任務已經有了一定的了解，明確了具體的目標。接著學生自己試著進行探尋摸索，然后通過開展小組合作等形式來解決問題。學生在該階段基于教師提供的“腳手架”資源，借助教師的現場輔助，運用計算思維中的分解、抽象、算法、系統化、自動化思維對問題進行分析、思考和解決。

首先，進行抽象分解。這是計算思維培養的關鍵點，授課教師要積極進行啟發指導，幫助學生抽象問題。學生作為學習的主體應該自己慢慢地去體會抽象在問題解決中的便捷性，逐步養成對復雜問題進行抽象的習慣，并將此遷移到實際生活中。抽象與歸納的思想可以說是計算思維的本質。[7]教師通過讓學生對編程問題歸納抽象，使學生們漸漸習慣于以這種方式思考問題。

其次，進行解決方案設計。要求學生對問題進行系統化的分析、理解，提取出重要的內容，然后小組討論用自然語言描述解決方案，鍛煉學生的系統化思維與算法思維。各小組描述的解決方案需要得到教師的反饋與建議。

再次，進行流程圖設計。流程圖是對之前的步驟進行總結、梳理和轉化。流程圖更接近于程序設計，讓抽象的問題更直觀化，更容易理解。學生根據教師提供的學習任務單對問題進行分解抽象，以此來提高對復雜問題的耐心度。將之前用自然語言描述的方案按照相應的順序畫出流程圖，在這個過程中，學生的思路會越來越清晰，系統化思維和算法思維都有所提升。

最后，進行編程實踐。學生以小組為單位，將前面設計好的程序進行實操，進而驗證之前想法的正確性。上機進行實踐可以讓學生對程序的運行過程有更加清晰的了解，通過反復操作，他們會發現程序運行中所存在的問題。

（4）展示評價

各個小組向大家展示、講解本組的編程作品，教師啟發大家進行思考交流并組織學生進行自我評價、組內評價以及組間評價，找出最優化的獨特的作品。在交流評價的過程中，一些新的想法與創意會迸發出來，授課教師在這個過程中還要留心觀察學生的狀態，對學生知識點掌握的情況進行預判。最后，教師也要對每組的編程作品進行評價，總結大家存在的問題，共同探討解決的辦法，并且對本節課的知識進行梳理。

3.課后階段

（1）知識遷移，思維強化

教師布置同類或相似問題的作業，讓學生進行知識遷移。通過對計算思維的思考過程進行反復訓練，學生對相似問題的思考能力會逐漸提高，自動化思維會慢慢提升。要想提升學生的計算思維，教師需要引導學生使用思維導圖，在課后總結課程的學習內容，梳理知識點，最終形成自己的知識網絡。

（2）進行反思，優化提升

教師通過反思總結一系列課堂活動，找出不足并在以后的課堂教學中不斷改進，從而使自己的教學水平一步步提升;學生也要不斷提高自己的學習能力，養成運用已習得的思維解決問題的能力。

（3）課程迭代

對于教學過程中產生的新問題、新觀點、新作品等生成性資源，教師要及時進行整理和加工，創造出更好、更新的學習資源，進而實現對課程的完善、擴展與更新，促進生成師生共建、動態型的課程資源。

● 結語

小學作為編程教育的啟蒙階段，應注重學生編程興趣的激發、編程意識的養成和良好的思維習慣的形成。本研究借鑒任務驅動教學法的操作模式，構建了面向計算思維培養的小學編程教學設計流程，并融入了游戲化學習的設計理念，提高了學生學習編程的興趣，同時通過任務分解、抽象、可視化表征等關鍵環節和活動設計，引導小學生計算思維和創新能力的形成與發展。在實踐過程中，如何結合學生的生活體驗，進行目標、內容、活動、任務的融合性設計，如何引導學生進行抽象建模和知識遷移等都需要進一步探索。

參考文獻：

[1]郁曉華，肖敏，王美玲，等.基于可視化編程的計算思維培養模式研究——兼論信息技術課堂中計算思維的培養[J].遠程教育雜志，2017，35（06）：12-20.

[2]居曉波.開展STEAM項目式程序設計—培養學生創新能力[J].中小學信息技術教育，2017（12）：49-53.

[3]黃永健.STEAM理念在國內中小學教育落地的思考[J].科技與金融，2019（09）：11-14.

[4]WING J M. Computational Thinking[J].Communications of ACM，2006（03）：33-35.

[5]馬強.基于計算思維培養的少兒可視化編程教學設計研究[D].石家莊：河北師范大學，2019.

[6]Papert S. Mindstorms： Children， computers， and powerful ideas[M].Basic Books，Inc.，1980.

[7]李艷坤.以計算思維能力培養為導向的C程序設計教學研究[J].計算機教育，2016（02）：130-133.

基金項目：本文為2019年度廣東省哲學社會科學規劃項目“技術驅動的廣東省欠發達地區縣域義務教育供給診斷預警與模式創新研究”（項目編號：GD19CJY02），廣東省普通高校重點平臺重點項目青年創新人才類項目“基于知識類網站信息組織模式的智慧學習社區構建研究”（項目編號：2016WQNCX147）階段性研究成果。2020年佛山科學技術學院學術基金項目“以興趣養成和計算思維培養為導向的小學GOC編程游戲化學習課例設計與開發”研究成果。