計(jì)算思維下編程實(shí)例活動(dòng)的課堂實(shí)施探索

姚海通

（雄縣昝崗鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)，河北 雄安新區(qū) 071802）

一、引言

在核心素養(yǎng)教育下，從義務(wù)教育階段到普通高中階段，計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息意識(shí)、信息社會(huì)責(zé)任都是構(gòu)成信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的四大要素。其中在“計(jì)算思維”素養(yǎng)的培養(yǎng)上，初中階段的要求是進(jìn)一步理解（提高）計(jì)算思維的內(nèi)涵，高中階段的要求是要學(xué)會(huì)運(yùn)用計(jì)算思維識(shí)別與分析問題，然后通過抽象、建模設(shè)計(jì)系統(tǒng)性解決方案。從初中的“進(jìn)一步理解”到高中的“學(xué)會(huì)運(yùn)用”，其既有梯度又聯(lián)系緊密，同時(shí)還充分遵循了學(xué)生認(rèn)識(shí)事物和思維發(fā)展的規(guī)律。

在義務(wù)教育階段的信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中，編程任務(wù)被納入到了活動(dòng)主題內(nèi)容范疇內(nèi)。雖然編程的學(xué)習(xí)過程并不是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的唯一途徑，但絕對(duì)是極好的途徑，因?yàn)樗芎芎玫貛椭鷮W(xué)生在面對(duì)問題時(shí)，迅速找到解決問題的切入點(diǎn)，將問題化整為零；并找到它們彼此之間的關(guān)聯(lián)和規(guī)律，以抓住問題的主要節(jié)點(diǎn)，由此可構(gòu)建分析、解決問題的完整思路及具體方案。然后通過程序的反復(fù)測(cè)試、修改、優(yōu)化等一系列過程，可養(yǎng)成、鍛煉學(xué)生的思維能力，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)毅力，進(jìn)而可提升學(xué)生的綜合信息素養(yǎng)。

由河北人民出版社出版、河北省教育科學(xué)研究院編寫的《信息技術(shù)》教材八年級(jí)用書中的第二單元“編程之旅”，以源碼編輯器（Kitten）這款面向青少年的圖形化編程工具為例，緊緊圍繞信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)來確定課程目標(biāo)、設(shè)計(jì)活動(dòng)主題、甄選具體內(nèi)容，并在“前言”中明確指出：“通過活動(dòng)開展的過程，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。”這為活動(dòng)的具體開展指明了方向，即活動(dòng)開展的目的就是要使學(xué)生逐步形成計(jì)算思維，并培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

教材“編程”單元的最后一課“我的貪吃蛇——巡線小車”，是在學(xué)生已掌握相關(guān)編程基本知識(shí)和基本技能基礎(chǔ)上的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立、開放的編程活動(dòng)，也是運(yùn)用計(jì)算思維的典型實(shí)例。教師可結(jié)合本節(jié)課的活動(dòng)，和學(xué)生一起探討計(jì)算思維的培養(yǎng)及其如何與具體活動(dòng)的開展相結(jié)合，為此需要我們首先要厘清以下三個(gè)問題：

（一）什么是計(jì)算思維

計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。具備計(jì)算思維的學(xué)生，在信息活動(dòng)中能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式來界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)；能夠通過判斷、分析、綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案；能夠總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題的解決中。

（二）教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容

從核心素養(yǎng)目標(biāo)到課程目標(biāo)再到教學(xué)目標(biāo)，這些目標(biāo)從上到下既保持統(tǒng)一，又逐層細(xì)化。教學(xué)活動(dòng)內(nèi)容是為教學(xué)目標(biāo)服務(wù)的，是教學(xué)目標(biāo)具體落地時(shí)，師生互動(dòng)的素材。為了更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，活動(dòng)內(nèi)容是可以被修改、重組的，甚至是可以被替換的，這樣更有利于搭建靈活的活動(dòng)結(jié)構(gòu)。編程實(shí)例活動(dòng)開展的過程，應(yīng)以培養(yǎng)、發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維為教學(xué)目標(biāo)，這是落實(shí)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵所在，即內(nèi)容只是表面師生互動(dòng)的載體，目標(biāo)才是對(duì)背后能力的培養(yǎng)。

（三）知識(shí)技能與解決方案

學(xué)生掌握了知識(shí)和技能，等于擁有了解決問題的工具，但并不等于能夠運(yùn)用這些工具來解決問題，其還需要形成一個(gè)基于思維層面的解決方案才行。方案形成的過程，是培養(yǎng)學(xué)生綜合信息素養(yǎng)的過程，也是編程主題活動(dòng)中的“靈魂”。只有搞懂什么是計(jì)算思維，整個(gè)活動(dòng)才有指導(dǎo)方向；只有清楚目標(biāo)與內(nèi)容的聯(lián)系，核心素養(yǎng)才能更好地落地；只有明白技能與方案的差別，才能更好地掌握活動(dòng)的側(cè)重點(diǎn)。

二、“巡線小車”編程主題活動(dòng)的情節(jié)解析

下面將從六個(gè)方面來簡(jiǎn)要解析“巡線小車”編程主題活動(dòng)的情節(jié)。

（一）精細(xì)研磨教材，掌握主題活動(dòng)的框架

“我的貪吃蛇——巡線小車”是基于問題的編程實(shí)例。教材精心設(shè)計(jì)了“小車沿黑色路線行駛”的主題活動(dòng)，且內(nèi)容的安排非常契合計(jì)算思維的運(yùn)用，如此有助于通過問題解決來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

見下表

（二）圍繞核心素養(yǎng)，確定細(xì)化教學(xué)目標(biāo)

在具體的活動(dòng)中，教師應(yīng)以“計(jì)算思維”核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，根據(jù)活動(dòng)主題，將教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行分解細(xì)化。即把“計(jì)算思維”的培養(yǎng)分散在具體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中，也就是說，表面上看是在完成活動(dòng)目標(biāo)，但實(shí)則是在培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”。

本活動(dòng)以計(jì)算思維為導(dǎo)向，所確定的細(xì)化教學(xué)目標(biāo)如下：

1.理解雙傳感器巡線小車的巡線原理（歸納抽象能力）；

2.探究多思路實(shí)現(xiàn)角色通信及多角色聯(lián)動(dòng)的可行性（算法）；

3.體驗(yàn)“小車”巡線時(shí)情況排除的過程（綜合判斷、分析、調(diào)試能力）；

4.豐富作品，拓展學(xué)生的個(gè)性思維（拓展遷移能力）。

每個(gè)目標(biāo)都有其對(duì)應(yīng)的相關(guān)能力的培養(yǎng)，目的明確。教師之后可以安排與之相匹配的教學(xué)環(huán)節(jié)以培養(yǎng)學(xué)生的相關(guān)能力。

（三）依據(jù)問題認(rèn)知，靈活搭建內(nèi)容結(jié)構(gòu)

當(dāng)活動(dòng)內(nèi)容不便于學(xué)生直接學(xué)習(xí)、掌握時(shí)，教師可以對(duì)內(nèi)容結(jié)構(gòu)做出調(diào)整，然后利用相對(duì)容易理解的方式，引導(dǎo)學(xué)生回歸到原有的問題上來。即另辟蹊徑、激發(fā)思維以解決問題。

教材對(duì)該活動(dòng)的設(shè)計(jì)思路，即需要探測(cè)燈跟隨小車移動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，在給出的流程圖中，也描述了同樣的程序執(zhí)行過程，即“如果探測(cè)燈碰到白色，它就跟隨小車一起轉(zhuǎn)。”在這個(gè)問題上，小車的動(dòng)作是“主動(dòng)”的，探測(cè)燈的動(dòng)作是“被動(dòng)”的。依據(jù)學(xué)生對(duì)問題的認(rèn)知，一般情況下其會(huì)認(rèn)為是探測(cè)燈碰到白色，才主動(dòng)轉(zhuǎn)，為什么要“跟隨”小車一起轉(zhuǎn)呢？它和小車之間到底有什么信息往來呢？事實(shí)上，不管是誰主動(dòng)、被動(dòng)，只要一起動(dòng)，都不會(huì)影響小車在黑色路線上的行駛。而且之前也已經(jīng)把小車分解成了三個(gè)角色，并明確了每個(gè)角色的功能，現(xiàn)在只不過是通過不同的模式將三者構(gòu)建在一起。所以教師可以完全沿著學(xué)生的既有認(rèn)知開辟另一種解決問題的思路，即左右兩個(gè)探測(cè)燈碰到白色自己轉(zhuǎn)向的同時(shí)，也令小車轉(zhuǎn)向。這樣的思路是很明晰且易于接受的，當(dāng)學(xué)生成功實(shí)施這個(gè)思路后，就能很容易地被引導(dǎo)回活動(dòng)問題上來。

如下圖，白色圓形表示探測(cè)燈碰到白色。

（四）倡導(dǎo)自主實(shí)踐，結(jié)合科學(xué)進(jìn)行有效指引

在編程實(shí)例主題活動(dòng)實(shí)施過程中，要處理好學(xué)生自主實(shí)踐與教師有效指導(dǎo)的關(guān)系。即教師既不能教活動(dòng)，又不能推卸指導(dǎo)的責(zé)任，而應(yīng)當(dāng)成為學(xué)生活動(dòng)的組織者、參與者和促進(jìn)者，且教師的指導(dǎo)還應(yīng)該貫穿編程主題活動(dòng)實(shí)施的全過程。

本課的編程主題活動(dòng)，是在學(xué)生獲得了編程基本知識(shí)和技能的基礎(chǔ)之上，通過尋求問題的解決方案，來培養(yǎng)、提升學(xué)生的綜合信息素養(yǎng)的。活動(dòng)在組織實(shí)施過程中，教師不能將預(yù)設(shè)的解決問題的思路向?qū)W生直接“攤牌”，這樣會(huì)使學(xué)生喪失參與思維活動(dòng)的機(jī)會(huì)和興趣，同時(shí)也不能置身于活動(dòng)之外，而應(yīng)做為參與活動(dòng)的一員，和學(xué)生一起探討、交流，并從中指導(dǎo)、引導(dǎo)學(xué)生形成自己的解題思路，如此可于潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

下面是筆者在本節(jié)課中對(duì)活動(dòng)的部分指導(dǎo)環(huán)節(jié)：

1.問題導(dǎo)入。相似的事物之間很容易產(chǎn)生思維關(guān)聯(lián)和遷移，因此教師可用學(xué)生所熟知的掃地機(jī)器人導(dǎo)入問題。掃地機(jī)器人探測(cè)并躲避的是障礙物，而本節(jié)課的小車則必需在黑色的路線上行駛，不能碰上白色，即小車探測(cè)并躲避的是白色。因此可以把掃地機(jī)器人躲避障礙物的原理關(guān)聯(lián)、遷移到巡線小車上來，這樣非常有利于問題的分解。然后進(jìn)一步提升，即引導(dǎo)學(xué)生通過討論、分析、歸納等一系列綜合活動(dòng)，得出巡線小車的原理，如此可培養(yǎng)學(xué)生從具體事物中抽象出一般規(guī)律的思維能力。

2.通訊方式。當(dāng)一個(gè)探測(cè)燈碰到白色時(shí)，需要和另一個(gè)探測(cè)燈及小車產(chǎn)生通訊，以便順利完成巡線過程。對(duì)此教師可引導(dǎo)學(xué)生使用“告訴”或“廣播”兩類積木，而不必提示三個(gè)角色間程序的邏輯關(guān)系，如此可把機(jī)會(huì)讓給學(xué)生，使其在問題中思考、實(shí)踐。

3.參數(shù)調(diào)整。每個(gè)學(xué)生繪制的路線是不一樣的，腳本中的移動(dòng)步數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度需要根據(jù)路線的具體情況來調(diào)整。而作為教師則需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)修改測(cè)試，如此可使學(xué)生體驗(yàn)程序編寫的艱辛與成功的快樂，進(jìn)而可磨練其編寫程序的意志。

（五）豐富拓展問題，強(qiáng)化計(jì)算思維

在本次活動(dòng)中，小車的路線是寬闊的，即路線寬于小車。假設(shè)路線窄于小車，則小車在巡線過程中又是如何工作的呢？學(xué)生經(jīng)討論后，可對(duì)解決方案進(jìn)行描述。

（六）允許出現(xiàn)問題，抓住思維鍛煉契機(jī)

小車在巡線過程中，會(huì)出現(xiàn)一些問題。比如因沒有把涉及到的“角色”全面綜合進(jìn)去，而使“角色”在運(yùn)動(dòng)上不能協(xié)調(diào)一致，即各行其道，由此會(huì)造成小車“解體”；再如小車前進(jìn)或旋轉(zhuǎn)的參數(shù)設(shè)置沒能適應(yīng)路線狀況，而造成小車沖出路線等。教師在此過程中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生，使其在解決問題的過程中反復(fù)思考、實(shí)踐，如此既能錘煉學(xué)生的計(jì)算思維，使學(xué)生養(yǎng)成越挫越勇的學(xué)習(xí)毅力，又能對(duì)學(xué)生其他學(xué)科的學(xué)習(xí)活動(dòng)產(chǎn)生積極影響。

編程實(shí)例活動(dòng)的開展，要以學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為根本目的，并確定有針對(duì)性的教學(xué)目標(biāo)。然后靈活調(diào)整內(nèi)容結(jié)構(gòu)，貫穿有效的活動(dòng)指導(dǎo)，如此可使學(xué)生在自主實(shí)踐中形成并提升綜合信息素養(yǎng)。