計算思維：跨學科視野下小學編程教學實踐

曹偉

摘要：信息素養是繼人文素養、科學素養之后的又一重要核心素養，它能夠有效擴展學生的語言表達和數字化工具表達能力。編程教學已經成為培養學生信息素養的有效途徑，通過實施跨學科的課程整合設計與融合應用教學，能夠有效提升不同情境下學生解決問題的能力。同時，編程教學還能夠促進學生的計算思維發展，這也是編程教學的重要價值所在，通過跨學科的方式培養學生的計算思維有助于學生在知識應用領域實現有效遷移與迭代。

關鍵詞：編程教學;跨學科;計算思維

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2021）S2-0018-03

近些年，隨著信息技術與人工智能的高速發展，編程教育受到了人們更加廣泛的關注。國務院頒布的《新一代人工智能發展規劃》明確提出了要在中小學階段逐步推廣編程教育，這足以說明編程教育將納入中小學課程體系建設，由此可見開展編程教學的重要性不言而喻。計算思維是提升學生信息素養的有效途徑，通過實施編程教學來積極促進學生計算思維的發展將成為重要的突破口。抽象、演繹、歸納、轉化等計算機科學領域的思想方法是計算思維內涵的通達表征，也是計算思維在編程教學實踐中的重要特征與方法。

從跨學科和學科融合中看計算思維的發展

計算思維作為重要的科學思維方式，已經被納入《普通高中信息技術課程標準（2017版）》四大學科核心素養之一。由此可見，培養學生的計算思維已經成為信息技術課程教學的重要目標。編程教學作為培養學生計算思維強有力的工具和方法，已經在信息技術課堂中進行了廣泛的實踐。從小學階段就開始開展編程教學，對發展學生的計算思維是十分有利的。但是，需要強調的是，計算思維并不只是信息技術學科才有的思維方式。

計算思維作為一種科學有效的問題解決的思維方式在其他學科中也是適用的。例如，小學生最初對“抽象”的了解和接觸主要是在小學低年級數學課程中“數的認識”，比較不同數量的水果，通過抽象出共同的數量屬性“幾個”，最后抽象成數的大小比較，再用符號來表示比較的結果。因此，抽象作為數學的首要特征，為推理提供了對象。由此我們可以看出，計算思維是一種跨學科的問題解決方式，是融合創新教育背景下產生的強有力的思維“武器”，其作為一種高效的問題解決方法與工具，具有很大的發展空間和推廣價值。

針對計算思維的“抽象”，我們可以認為是來源于數學的抽象方法。同時，筆者認為計算思維是科學本身的概念，而不是計算機科學引申出的概念。因此，我們可以將計算思維看作是計算科學方法的一個特征，而不是計算機科學的顯著特征。

在學科融合中深度體驗計算思維的學科價值與內涵

學科的融合與創新發展對學生的認知方式發展具有重要的促進作用。計算思維作為一種高效的問題解決方法和工具，在不同學科中體現出豐富的價值與內涵。因此，計算思維作為一種科學高效的構造思維，對跨學科下的學科融合發展與應用具有較強的適應性和發展性。除此以外，計算思維作為普通高中信息技術學科的學科核心素養，具備了與其他基礎學科相同的學科價值地位與豐富內涵，對發展學生的核心素養具有重要價值導向作用。在跨學科應用與學科融合創新發展的基本思路下，通過采用計算機系統可以處理的方式來對問題進行科學有效界定，在對問題特征進行抽象的基礎上，建立可計算的數學模型，最終形成解決問題的有效方案和具體的操作過程。

1.在分解過程中理解“循環”的概念

在小學低年級階段學生對“循環”的認知主要還停留在“乘法口訣”的初步認知階段，還沒有能夠形成一定的學科思維。例如，在教學以蘇教版小學信息技術五年級scratch程序設計模塊中《繪制角色》一課時，筆者通過設計微項目式教學《繪制角色——病毒大戰》案例，培養學生對“有限循環”與“無限循環”形成相對成熟的概念和理解。如圖1所示，讓“病毒衛士”在舞臺上移動10步，可以設計三種方案。這三種方案分別是：①一次性讓“病毒衛士”移動10步;②讓“病毒衛士”每次移動2步，連續走5次;③使用重復執行5次“移動2步”。通過逐層逐步分解的方式，幫助學生有效理解“循環”的概念，培養學生分解問題的能力和運用多種方式解決問題的能力。

2.在復用過程中理解“循環”的內涵

“循環”作為一種程序設計結構，主要由循環語句結構和“循環體”組成，“循環體”中所要放置的內容就是程序需要“重復”執行的內容。例如，筆者在蘇教版小學信息技術五年級scratch程序設計模塊中設計的微項目案例《繪制角色——病毒大戰》，要想實現病毒“泛濫”的動畫效果，學生首先會考慮到使用“復制”的方式，即對病毒角色進行復制操作。如圖2所示，在scratch角色區使用“復制”命令可以快速復制出更多相同的角色，需要注意的是，如果角色帶有腳本，腳本也會被復制過去。通過角色復制的方式充分體現了“復用思想”的深刻內涵，能夠有效促進學生對“循環”的深度理解。同時，“復用思想”的關鍵在于整體性思維，在小學數學問題中有時需要從局部的、簡單的情況入手，以發現整體的規律。例如，在小學四則混合運算中變式法求解復雜算式，基本思路是把所求式變形后的某些部分看成一個整體，或者把某些部分看成一個整體，用字母代替，使原來比較復雜的式子變得簡單。這就是“從整體上看”思想，即通過把一個問題進行變形，或者把一個復雜的問題進行轉化，最后都看成一類整體。在scratch中將角色看作一個整體，利用角色“復制”的方式，有效提升了角色數量和動作的批量快速處理能力。

3.在迭代過程中理解“循環”的價值

在設計制作病毒“泛濫”動畫效果時，我們可以采用同體異構的方式來形成各種各樣的病毒“泛濫”的動畫效果。例如，以一個基礎的病毒角色為本體，通過采用“隨機數”來控制病毒“克隆體”在舞臺上的大小、位置、顏色等動畫效果。每一次所產生的新的“克隆體”病毒，將成為下一個病毒的“本體”，從而產生了迭代效果。該部分的設計可以使用角色隱藏來實現，也可以在后期學習過“克隆”控件進行擴展學習。通過對角色“對象”的不斷迭代，幫助學生對“循環”的作用與價值形成有效的遷移與應用，最終實現思維的有效迭代。迭代思維在小學數學中也是使用得比較多的方法，迭代法我們也可以稱為輾轉法，迭代的基本過程是通過小規模問題的解逐步求解大規模問題的解，一般用于數值計算，如小學數學中的累加、累乘、求最大公約數等都可以通過迭代的方式來快速有效地提升計算速度。

因此，跨學科開展計算思維教學實踐，幫助學生實現了思維的有效遷移應用，學生逐步養成了利用計算思維工具來解決問題的基本策略和方法，這也充分體現了核心素養背景下計算思維的學科價值。

在編程實踐中逐步構建計算思維模型

計算思維屬于構造思維，具有較強的可塑性和實踐操作性。筆者在實踐探究和經驗總結的基礎上形成了計算思維的可操作模型，即問題解決模式下計算思維三層架構模型，該模型主要分為解決問題之抽象層、解決問題之建模層，以及解決問題之表征層。

1.解決問題之抽象層

針對微項目案例《繪制角色——病毒大戰》，筆者采用了解決問題模式下計算思維的操作方法。將該案例中的“病毒大戰”進行了多層次的抽象操作，首先是形成了病毒衛士始終追著病毒在舞臺上移動的動畫效果。其次，利用復制角色的方式來產生病毒“泛濫”的動畫效果。最后，形成仿造類似“克隆”效果的病毒“泛濫”動畫效果，即由一個病毒衍生出一個病毒，新產生的病毒的大小、位置、顏色等都會有所差異。

2.解決問題之建模層

在對項目案例所要解決的問題進行抽象的基礎之上，需要對其建立模型，形成計算機系統可以解決的問題模型。筆者在“病毒大戰”案例中從病毒的產生、移動、消失等狀態入手，構建了多層次的數學問題模型，即由單個病毒在舞臺上有規則的移動到多個相同病毒在舞臺上有規則的移動，以及多個不同的病毒在舞臺上不規則的移動，從而形成了病毒“泛濫”的動畫效果。

3.解決問題之表征層

在對所要解決的問題進行科學有效的抽象，形成可計算的模型結構的基礎上，需要對所要解決的問題進行形式化的表征，即將其問題細化到每一步的操作過程中，從而促進問題的解決。例如，在“病毒大戰”案例中，筆者利用“碰到邊緣就反彈”控件讓病毒角色在舞臺左右兩側來回移動，但是學生會發現“病毒”碰到舞臺邊緣反彈后角色的上下會出現顛倒的現象。通過對角色區的探究，學生發現可以試著更改角色的“旋轉模式”，讓“病毒”只能夠左右翻轉，從而解決了角色碰到邊緣反彈后上下顛倒的問題。此外，在不增加和修改腳本控件的基礎上，為了實現病毒在舞臺上到處“亂跑”的效果，可通過使用“桌球”的原理，在角色區修改角色的初始方向，讓角色在碰到舞臺邊緣后產生多次反彈，從而產生病毒在舞臺上到處“亂跑”的動畫效果。

結束語

在編程教學實踐過程中，筆者嘗試探尋培養學生計算思維的實踐創新之路，

從具體的實踐到應用，再到創新，最終形成具有可操作性的計算思維結構模型。在跨學科的大背景下，通過解決問題模式下計算思維模型的操作方法，能夠有效促進學生計算思維的發展，這也將是計算思維實踐與探索的新方向。

參考文獻：

李藝，鐘柏昌.談“核心素養”[J].教育研究，2015（09）.