基于問題驅動的學生計算思維能力培養探究

洪勛

計算思維與我們的工作和生活密切關聯如在你準備出門去上學前，把課堂用品放入書包，這屬于“預置和緩存”;當遺失物品時，你會按照原路去尋找物品，這屬于“回推”;你何時放棄租賃自行車而買一輛屬于自己的車，這屬于“在線算法”;當你回家乘地鐵時，決定從哪個關卡排隊刷卡進入，這屬于“多服務器系統”性能模型;為什么在停電以后我們還可以繼續使用筆記本電腦？這屬于“失敗無關性”和“設計冗余性”。計算思維將融入到每個人的生活之中，并成為一種必備的生存技能。

信息技術教學中計算思維培養的現狀

1.在中小學信息技術教學中對計算思維的認識存在誤區

就目前的中小學信息技術課堂教學而言，學生大多是“動手做”，而缺少“用腦想”。學生學習的積極性低，他們認為上信息技術課就是網絡資源的獲取或者是對部分熱門軟件相關知識的學習，或僅僅是算法的實現。

2.計算思維在信息技術教學中的融合與滲透

中學信息技術的教學內容是信息素養培養的基礎，對它的學習是為后期學習更深層次的模塊做準備。因此，從信息技術課程中挖掘與融入計算思維的教學內容就成為一種必然，并且具有廣泛和普遍的意義。例如，從浙教新教材“感知數據”內容中抽象出信息獲取的整個過程，并對其中所包含的環節進行分析，符合計算思維的“抽象”與“分解”。教師在設計信息技術教學時要注重創設問題和任務，進一步引導學生關注計算思維，讓學生在學習上形成自主探索的心理。

基于問題驅動的計算思維培養策略

計算機求解問題的思路是“問題—建模—方法”，即尋找問題，建立嚴格的數學模型，以最終求解問題的思路實現設計方法。“問題驅動式”的中小學信息技術教學模式，其核心思想是在信息技術教學過程中，以問題為中心，以學生為主體，教師作為教學的主導者，將教學與問題掛鉤，讓學生圍繞問題去尋找解決辦法，并在此過程中培養學生的計算思維。

1.創造真實“情境式問題”激發計算思維

教師在教學過程中，設置恰當的問題情境，能夠快速激發學生解決問題和探索未知的欲望。通過真實性的問題情境創設調動人的所有感官使其積極主動地參與到創設的問題中來，這是完全符合一個人的正常心理的。因此，需要注重從學生未知內容的學習活動中獲得真實情境創設的靈感，引導學生發現并解決問題，激發學生思維。

例如，在講授“數據采集與編碼”一課時，教師可創設真實的問題情境：讓學生聽完歌曲，然后呈現以下問題，讓學生思考并回答。

問題①：你能說出觀察到的波形有哪些特點嗎？（提示：可以從水平方向和豎直方向觀察，水平方向體現疏密，豎直方向體現高低）

問題②：對于一個波形，可以從哪些方面去描述它？（振幅與頻率，頻率是波長的倒數）

問題③：如何把這個波形進行數字化？（時間段無限小，趨近用數據點來表達）

問題④：如何表達波形上的點？（進一步引出采樣、量化等數字化相關原理）

問題設計的目標是讓學生能夠初步了解模擬信號與數字信號的轉換是通過簡單的編碼完成的（錄音采集），進而為后續理解聲音存儲空間的計算思維做鋪墊。

2.設立“問題鏈”助推計算思維

“問題鏈”即兩個或兩個以上垂直梯度上產生的一系列問題。用問題驅動教學的核心是構建“問題鏈”，培養學生思考問題、解決問題的能力。教師從學生視角分析問題，以學生的生活經驗和興趣愛好為依據，充分考慮學生已有的知識經驗，創設問題情境，并提出問題，再由問題進化為任務。需要注意的是問題情境的創設，應從任務設計去綜合考慮，要與問題情境的設計聯系起來。

例如，在講授“算法與程序設計”模塊中的“打印星號（*）”內容時 ，學生要調用循環結構、控制過程、程序中循環變量和累加器的使用等相關知識。首先，教師可創設以下問題來引導學生，①在窗體中第1行打印10個星號，如何實現？②在窗體中打印10行（每行10個星號），如何實現？③在窗體中打印100行，又該如何實現？

接著，教師提供以下問題進一步引導學生思考該語句的基本要素和功能：④Print語句執行了多少次？⑤哪個變量控制Print語句執行的次數？⑥Print語句何時執行結束？

最后，在學生嘗試解決問題④⑤⑥后，教師可進一步設置任務：①Print語句執行的次數是怎樣控制的？（繼續設計提問，引導任務）②程序將會如何運行該處循環部分？（學生思考）③深層挖掘，i如果最先賦值為10，結果是怎樣的？（目的是讓學生對For循環執行次數的控制進行進一步思考）

3.構建“旨趣問題”引領計算思維

“旨趣問題”即具備有效教學效果的有趣問題。教師通過巧設問題，制造一系列懸念，引燃學生思維的火花。

例如，在學生學習程序設計初步相關模塊時，可通過“猜價格”的游戲，激發學生興趣。基于學生猜測方法的不同，最后可以進一步提問：哪一種方式能夠更快更準地猜到價格？這種基于學生興趣的互動提問方式，可以有效培養學生對信息技術的濃厚興趣，也讓學生形成了一定的計算思維。

4.利用“關聯問題”發散計算思維

“關聯問題”即水平梯度上相互關聯的問題。教師以問題設計作為教學的主線，引導學生在解決問題時靈活運用計算思維方法（建模、抽象、約簡等），自主找出各種關聯的因素，提高學生的思維能力。

例如，在講授“人工智能”的相關內容時，教師可結合中學STEAM創客教學活動——機器人行走控制，設計一定的環節來培養學生的計算思維。具體的教學應是，借助機器人行走案例，以計算月球車行走過的距離為切入點，同時借助數學工具，讓學生明白“速度”與“時間”是計算出月球車行走距離的兩個關鍵要素。因此，讓機器人行走這一案例所產生的問題，只需設置行走速度和行走時間。學生可以自主嘗試解決針對后續的機器人行走“轉向”模塊處理一系列相關問題。

結語

在信息技術教學中，用問題引導教學過程，通過轉化、建模、約簡和分解等計算思維方法，以創設問題情境為切入點主導學生的計算思維活動，能夠使學生不僅學習基本知識，更重要的是學會獨立思考，并且掌握方法。在實際的教學過程中，教師還可結合案例教學、小組合作等其他方法，與計算思維進行相互融合。