基于問題解決的計算思維培養模式探析

楊娟

摘? 要 隨著信息技術的飛速發展，信息技術教學迎來諸多變革與挑戰。在此背景下，計算思維受到人們更多的關注，并且成為信息技術學科四大核心素養之一，因此有必要盡早開始對學生的計算思維進行培養。以促進計算思維培養為目的，構建針對小學生的有效教學模式，以期在實踐中提升學生的計算思維能力。

關鍵詞 計算思維;問題解決;信息技術;核心素養

中圖分類號：G622? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）17-0074-03

0? 前言

信息技術的飛速發展，不僅改善了人們的日常生活方式，也加深了人們對計算機學科的理解與認識。以計算機為代表的數字工具已成為人們生活中不可或缺的一部分，特別是近年來大數據、人工智能的出現，使得計算思維被公認為21世紀人類所必備的關鍵技能之一，是信息社會中數字公民應具備的基本素養[1]。計算思維在眾多行業和社會領域展現出的計算優勢，正引領社會變革并成為學生觀察和理解社會的一個新視角[2]。計算思維已成為個體在信息時代復雜的技術文化中獲得成功的必備基本技能[3]。那么，如何培養學生的計算思維，以及如何在具體的學科教學中有效地滲透對學生計算思維的培養，將具體的教學內容與計算思維進行有效融合等，成為困擾一線教師的主要問題。

目前，信息技術課程已被納入中小學生的必修課目且在國內已基本普及。有些地區為調動小學生對編程的興趣以及提高他們的課堂積極性與探索性，開始嘗試將Scratch、

App Inventor等可視化編程工具引入課堂教學中。這些工具的引入雖然在很大程度上調動了學生的學習熱情與興趣，但在日常教學活動與教學目標中并沒有體現出對計算思維培養的相關要求，更沒有明確計算思維培養的具體方法、策略以及可供操作的教學模式等，使得計算思維的培養還僅停留于政策或理論層面，缺乏常規的應用實踐。因此，有必要重新設計小學信息技術課堂教學方式，設計出有利于促進小學生計算思維培養的教學模式，將計算思維的相關理念與具體的課堂教學環節進行有效融合，從而實現培養學生計算思維的目的。

1? 計算思維定義

1.1? 什么是計算思維

通過文獻檢索發現，計算思維并不是一個新概念，早在20世紀五六十年代就已經初見端倪，但那時深受計算機等同于編程觀念的影響，將計算思維等同于算法思維和程序思維[4]。2006年，周以真教授在其發表的Computational Thinking一文首次提出：“計算思維就是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廣度的一系列思維活動?！盵5]這篇文章的發表引發了國際社會對于計算思維本質、特征及其內涵等方面一系列討論。2011年，周以真教授對計算思維的概念作了進一步的補充：“計算思維是一種解決問題的思維過程，能夠清晰、抽象地將問題和解決方案用信息處理代理工具所能有效執行的方式表述出來?！盵6]

通過對計算思維相關概念的整理與分析，結合實際教學現狀和小學生的認知特點，研究將計算思維理解為問題解決的思維方式，即計算思維是人們在解決問題的過程中所產生的一系列思維活動過程，它通過化簡、抽象、建模、迭代等方式，將一個較復雜的問題分解成若干個簡單的、便于理解的小問題，最后再通過信息處理代理工具實現問題的有效解決。簡單來說，計算思維是人們在解決問題的過程中所采取的主要方法與步驟，并且這些方式最終能夠借助計算機等工具自動執行。

1.2? 計算思維的核心要素

信息技術學科核心素養的提出，使得近年來關于計算思維的研究越來越多，如何培養學生的計算思維？如何在課堂教學中有效地滲透對學生計算思維的培養？學者對此進行了眾多探索。目前關于計算思維核心要素的說法主要有兩種：一是由美國麻省理工媒體實驗室（MIT）的Lifelong

Kindergarten Group提出的計算思維的三維框架，包括計算概念、計算實踐、計算觀念，該三維框架的提出為計算思維的評價提供了有力的參考依據[7];二是南安普敦大學的Cynthia Selby和John Woollard兩位博士在此基礎上將計算思維進一步細化，提出計算思維主要包括分解、抽象、算法思維、評估和概括這五個要素[8]。每個要素的具體闡釋如下。

1）分解（Decomposition）。通俗地說，分解就是將復雜問題簡單化的過程。當學生遇到較復雜的、不能馬上給出解決方案的問題時，教師引導學生嘗試將問題進行有效分解，簡化成一個個易于解決的或者能夠與自身已有的知識相類似的小問題。

2）抽象（Abstraction）。抽象就是讓問題或系統變得更加明確，將問題情境中一些不相關的或者重復的信息摒棄，并能夠根據情境中所呈現的問題特征，借助思維可視化工具（如概念圖、思維導圖或流程圖等）將隱性的思維過程顯性化，從而能夠為算法設計和程序搭建做好前期準備。

3）算法思維（Algorithmic Thinking）。算法思維就是將問題解決方案利用計算機有效地執行，將抽象建模過程中所繪制的圖示轉化成計算機語言，在小學階段主要是轉換成可視化編程的積木模塊。這是人機交互的一個關鍵階段。

4）評估（Evaluation）。評估就是按照一定的標準評判某一個方案或作品是否最優、最有創意等。在本研究中，不僅需要評估學生最后所呈現的作品，還需要評估學生是如何發現問題、分析問題以及解決問題的。

5）概括（Generalization）。概括是將問題解決的方法或步驟進行有效歸納與總結，形成一個較為通用的解決方案，以方便將來遇到類似問題時能夠迅速提取以便順利解決問題。

2? 基于問題解決的計算思維培養模式的構建

以具體任務為導向的教學方式在中小學課堂中十分常見，這也是當今信息技術課堂教學中的主流方式之一，如圖1所示。教師通過創設問題情境激發學生學習興趣，引發學生積極思考，實現新課的導入;隨后，適時地進行新知講授，并呈現一些具體的任務要求，引導學生一起分析任務;讓學生根據要求嘗試動手操作，在此過程中進行課堂巡視并給予學生一定的幫助;最后由學生展示自己的作品，帶領學生進行課堂小結。這種常規的教學模式以教師講解或操作為主，學生只需按部就班地跟隨教師的指示與操作即可，思維參與過程相對較少。

該流程對于學生知識與技能的掌握有很好的效果，但是缺乏對學生思維的培養，尤其是計算思維的培養，不利于新時期對于發展學生核心素養的要求。因此，十分有必要重構信息技術課堂教學模式，將計算思維的培養納入信息技術日常教學環節，并通過具體的課堂教學活動，有目的地培養學生的計算思維。

結合上述理論依據，研究者重新設計了信息技術課堂教學流程（如圖2所示），圍繞教師和學生活動展開，將計算思維的五個核心要素融入教學過程中，從而構成問題解決模式的教學流程，在整個教學過程的每個環節都側重于計算思維的某一要素培養。

2.1? 教師活動

2.1.1? 創設情境，導入問題? 教師通過創設問題情境，將學生的注意力迅速轉移到本節課的教學內容中，激發學生的學習興趣與探究熱情。隨后組織學生分小組進行討論，抽象問題情境中想要表達的中心思想或主題，引導學生摒棄情境中多余的、無關的信息，從而確定問題。

2.1.2? 組織討論，分解問題? 待問題明確后，教師需要引導學生回憶是否解決過類似的問題。若學生已解決過類似的問題，則直接提取問題的解決方案;若無，則需對問題進行進一步分析。在分析問題的過程中，嘗試對問題進行分解，將其分解成較小的、便于理解或易于解決的小問題。

2.1.3? 引導學生抽象建模? 教師需要及時引導學生借助流程圖或思維導圖等思維工具，基于上一環節的分析對問題進行抽象建模，勾畫出問題解決的關鍵步驟，并對細節部分進行有效處理，從而系統和全面地把握問題。

2.1.4? 引導學生動手操作? 學生借助可視化編程工具將所繪制的圖示轉化為可供計算機執行的程序，并不斷地調試與測試程序，直到程序能夠順利實現自己的預期目標。

2.1.5? 交流展示，評價反思? 在課堂展示環節，教師需要鼓勵各小組積極分享并闡述作品從構思到最終完成這一整個流程，其他學生則需對展示的作品進行評價，提出自己的想法或建議。

2.1.6? 總結評價? 及時的總結與歸納有利于實現學習遷移。故而教師在課堂的最后環節需要引導學生針對所學內容進行有效概括、總結或搭建知識框架，從而實現有意義的學習。

2.2? 學生活動

2.2.1? 進入情境，明晰問題? 能夠根據教師所描述或創建的教學情境，明晰本節課的教學內容與教學目標。通過小組討論的方式，分析問題情境中所描繪的問題狀態，摒棄無關的信息，抽象出問題的關鍵特征，從而確定問題。

2.2.2? 小組討論，分解問題? 為能夠順利解決問題，小組成員積極展開頭腦風暴并將問題進行分解，提出解決問題的可行方案。

2.2.3? 繪制圖示，抽象建模? 學生在教師的引導下嘗試利用思維導圖或流程圖將頭腦中隱性的思考過程用圖示的方式顯性化，對問題的解決方案進行抽象建模，整體上對問題進行系統把握。

2.2.4? 搭建程序? 明確了問題解決方案后，學生需要借助可視化編程工具將思考過程中所繪制的圖示轉化為計算機能夠識別的程序語言，并不斷調試程序，初步實現問題的解決。

2.2.5? 展示交流? 在課堂的展示環節，學生不僅需要積極參與對同學作品的評價，還要積極地展示、分享自己的作品以及闡述設計思路，并根據同學和教師的建議再次修改、完善作品。

2.2.6? 總結? 在課程結束前，嘗試概括總結本課的教學內容與重難點，整理出問題解決的思路與關鍵步驟，從而為學習遷移做好知識儲備。

整個教學過程始終圍繞教師活動與學生活動展開，教師承擔著把控整個教學過程、管理課堂秩序、規劃課堂具體環節等職責。教師在教學過程中需要有目的地引入或創設問題情境，激發學生的情感[9]，并引導學生秉持積極主動的興趣，根據問題情境展開小組討論，從而發現問題、確定問題，而后圍繞問題解決進行計算思維各要素的培養。

3? 結語

思維的培養不是一蹴而就的，它是一個長期、持續的過程，作為信息技術學科核心素養的計算思維更是承擔了重要作用。因此，十分有必要在小學階段開始加強計算思維方面的培養與訓練，在課堂教學中開始有目的地滲透對學生計算思維的培養，通過具體的項目或任務將學生隱性的思維通過一系列的項目、活動展示出來，從而實現對學生計算思維培養的目的。

參考文獻

[1]張立國，王國華.計算思維：信息技術學科核心素養培養的核心議題[J].電化教育研究，2018，39（5）：115-121.

[2]胡科，江鳳娟，丁旭.計算思維培養中教育者的角色分析：基于2018年ISTE《教育者計算思維能力標準》的解讀與啟示[J].現代教育技術，2019，29（9）：39-45.

[3]BUNDY A. Computational thinking is pervasive[J].Journal of scientific & practical computing，2007（2）：67-69.

[4]劉敏娜，張倩葦.國外計算思維教育研究進展[J].開放教育研究，2018，24（1）：41-53.

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

[6]Research Notebook： Computational Thinking： What and Why？[EB/OL].（2019-11-20）[2021-01-22].https：//www.cs.cmu.edu/link/research-notebook-computational-thinking-what-and-why.

[7]范文翔，張一春，李藝.國內外計算思維研究與發展綜述[J].遠程教育雜志，2018，36（2）：3-17.

[8]謝忠新，曹楊璐.中小學信息技術學科學生計算思維培養的策略與方法[J].中國電化教育，2015（11）：116-120.

[9]趙慧臣.STEM教育視野下中學生探究學習的設計與實施[J].現代教育技術，2017（11）：26-32.