面向計算思維的編程課程教學設計研究

李天宇 孫慧穎

2017版課標頒布后，計算思維成為公民必備的核心素養，編程作為其主要培養載體引起廣泛關注。可很多學校在開展編程教學時存在重技巧、輕思維的問題，針對這種情況，筆者根據高階思維形成規律，深入剖析計算思維特點，依照從計算概念、計算實踐到計算觀念的認知路徑，構建了一種面向計算思維的編程教學模型，希望能為教師提供思維培養的實踐路徑。

● 中小學編程課程與計算思維

當前，中小學教材中引入了 Python等編程語言作為培養學生計算思維的教學載體，也有越來越多的學校將游戲化、項目式、創客式的開源硬件或APP開發等內容融入校本課程。編程課程適應時代所需，但深受傳統教學方法影響，容易出現“舊瓶裝新酒”的現象。教師授課大多數以知識講練為主，學生模仿完成作品，而當程序報錯時或學生獨立解決問題時，就會暴露出學生沒有建構計算思維的生長點，反映出編程教學與育人目標尚存在距離，因此如何提高編程課程教學的有效性成為教師必須深思熟慮的問題。

● 面向計算思維的編程課程教學策略

激發學生計算思維是教師設計編程課程時重點關注的問題。筆者基于英國南安普敦大學的CynthiaSelby博士和John Woollard博士2013年提出計算思維的五個元素，即算法思維、評估、分解、抽象和概括，結合王偉等人提出的高階思維教學設計，依照從計算概念、計算實踐到計算觀念的認知邏輯，構建了一種面向計算思維的教學模型，如下圖所示。

教師在設計學習目標時，以培養算法思維為根本，可針對特定的算法，整合編程知識與技能，學生從中學會解決問題的方法。從學習目標著眼，教師可以從知識的實用角度出發設計目標任務，在真實問題的共鳴中激發學生學習興趣，引發學生學習動機。至于學生如何完成目標任務，則要圍繞學生認知基礎設計拋錨式的學習活動，首先引導學生抽象問題，將問題細化，抽絲剝繭，提取問題的核心部分，使其更容易類比。其次是分解問題，根據問題的整體，將問題分化成多個相對獨立的模塊，或以功能劃分，或以知識難易劃分，待學生逐塊解決。運用基于已知問題的解決方法解決新問題的方式，叫概括，在已有知識的基礎上，對已知方法進行改造，使其能遷移解決一系列相似問題。例如，在模擬銀行定期存款、到期取款的過程，和乘坐公交車上下車的過程大同小異，只需思考其中一個問題的解決方案，另一個問題稍加修改，便迎刃而解。將分解后的問題進行概括，學生如果能夠形成完整的解決思路，則對該解決問題方法進行評估;若不能解決目標任務，需要再次對問題分解，直至學生抽象的分塊能夠通過已有的認知完成。最后是評估，評估是活動設計中的重要環節，是學生對知識掌握情況的自我驗證，通過復用學習成果，再體驗、再應用、再延伸，從而生成思維和積累經驗，最終評估方案的健壯性，如問題結果是否達標？占用多少空間資源？完成計算所用的時間是多少？當前解決步驟能夠形成具有遷移價值的算法？綜合考慮這些問題，對方案進行綜合性評估，如果方案不是最佳，可繼續優化算法，由學生獨立進行二次分析，教師也可稍加干預，再次檢驗學生是否形成算法思維。

● 指向計算思維的編程課例設計

編程課程不局限于VB、C等傳統程序設計語言，還包含Python等積木式編程、Arduino等開源硬件、App Inventor應用設計等，不同編程環境與教學載體的基礎算法思維是一致的，教師可依據學生學情選擇不同的編程環境組織教學環節，從而幫助學生內構計算思維。基于計算思維教學模型，筆者以初中階段圖形化編程《隨機分組》為例，展開教學設計，以列表使用作為基礎算法，分為學習概念活動和算法復用實踐，學生通過制作“隨機分組”程序綜合程序結構、聚焦列表原理，習得基礎知識后通過廣播、算術運算、詢問等優化程序，實現算法復用，從而生成計算觀念，具體內容如下頁表所示。

在《隨機分組》課例中，教師圍繞使用列表數據結構知識，關注在現實生活中基于列表的問題解決，從而設計“隨機分組”實踐任務。本課的教學重點是學生掌握索引取列表元素的計算思維，學生認知基礎需要從生成隨機數過渡到形成隨機分組，學習任務從列表的基礎計算概念入手，設計了理解列表的儲存方式、索引方法和避免重復的認知環節。學生復用概念時，通過體驗程序、發現問題、分析問題逐步解決“取余給列表增加空值破解了小組不等分問題”“增加等待時長同步網絡數據更新”“廣播積木觸發功能增加了程序的移植性”等問題，程序優化過程是學生充分掌握列表使用方法的計算實踐，學生從中自然發現算法思維，并形成具有總結價值的計算觀念。

● 結束語

面向計算思維的編程教學模型能幫助教師從關注知識轉移到關注思維，但學生形成計算思維等高階思維還需要不斷打磨教學設計，凝練核心思維，逐步以項目式學習的方式設計大單元，還原知識本身的生活邏輯。