在編程教學中培養中小學生計算思維力的探索與實踐

張廬

摘要： 中小學生處于思維發展的關鍵期，其中計算思維的發展尤為重要。本研究旨在探索在編程教學中培養中小學生計算思維的新型教學模式，通過編寫適用于培養中小學生計算思維的教學案例集，開發編程課例和科技創新校本課程，營造科技創新的校園文化氛圍，為區域內的信息技術教育提供有效范例。

關鍵詞： 編程? 計算思維? 課程模型? 評價

一、國內外計算思維培養研究現狀

計算思維在國外以應用研究為主，主要集中在K-12階段。我國在高等教育階段研究計算思維較多，但計算思維的培養需要很長的時間，無法在高校一蹴而就，故而越來越多的學者將注意力集中到九年義務階段中小學生計算思維的培養上。

很多學者將編程教育和技術產品相結合，研究如何激發學生興趣，培養學生計算思維力。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》將計算思維列為四大核心素養之一，突出了在中小學推廣編程教育的重要性;而中小學信息技術課程標準也將編程教育納入中小學信息技術課程體系中。從實踐的角度來看，在我國中小學階段，利用編程教學提升中小學生計算思維的研究時間較短，教學效果不穩定，普及性還需要在教學實踐中檢驗。

二、計算思維的概念

計算思維的概念在中國最早是由周以真教授提出的。計算思維在《普通高中信息技術課程標準》中的定義是：在信息技術教學過程中，針對問題抽象出相同的特征，把問題概念化，建立解決問題的模型，應用此模型解決其他相似的問題。

三、中小學生思維發展的特點

思維是“人腦內部顯示的客觀世界的狀態，是人腦對客觀事物的反映”。兒童思維發展有以下幾個階段的特點：

上表顯示，小學高年級以及初中階段的學生思維已經發展到可以抽象出事物本質，將事物概念化，并且可以通過邏輯推理的形式思考問題，這個階段是思維發展的關鍵期。小學高年級階段可以教授學生基本的計算機知識、計算機編程基礎，讓學生體驗程序控制的技術，初步培養學生的計算思維。中學階段計算思維的培養目標主要表現為積極運用計算機的基本知識和技能來解決現實問題，能夠做出推理判斷，合理分析問題，總結提煉出主要問題，利用事物之間的聯系來處理問題，培養堅持不懈的探究精神。

四、在編程教學中培養中小學生計算思維的研究背景及意義

在信息時代背景下，世界上很多國家將少兒編程納入中小學課程體系，給出了教育政策導向，為編程教學的課程實施提供了有力依據。但我國義務教育階段信息學科的新課程標準并未明確這方面，學校的編程教育處于一片空白。很多中小學信息技術教師都不了解計算思維的含義，在課堂上注重理論知識的傳授、知識技能的提升，缺乏對學生思維意識的鍛煉，在課程教學中沒有關注到學生計算思維的培養。因此，我們在中小學開展這項研究。此項研究具有多方面的意義。首先，引領教師專業成長。教師在研究過程中，學習理解學生計算思維的要素，設計出與計算思維要素相關的教學內容并融入課堂教學中，成長為符合時代發展要求的優秀導師。其次，要完善計算思維培養的課程體系建設。

深入研究和分析課程模型的構建，在編程教學中，運用自主探究的學習方法，引導學生運用計算思維處理問題，提出解決問題的有效方案。在學生學習過程中，觀察學生的情緒狀態是否積極，思考問題的習慣是否改變，思維能力測評是否達到預期效果，再根據實際情況對教學活動進行合理的調整及改進，形成可供參考的教學實踐案例，研發培養計算思維的課程模型，在區域內起到示范、引領的作用，為國內的編程教學提供一個可借鑒的參考模式。

五、基于計算思維培養的編程教學實踐研究

（一）研究方法

1.文獻分析法：以計算思維和編程教學為關鍵詞搜索國內外相關文獻資料，了解國內外對計算思維的理論研究和基于學生計算思維培養的編程教學實踐研究。

2.行動研究法：集體研討教案，在教學實踐中，分析合肥市高新區被試學生情況，根據學情及時調整研究方案，再次進行實踐并將相關記錄和經驗總結形成文字材料。

3.實驗法：立足實驗對象，對比實驗前、實驗后對合肥市夢園小學、高新創新實驗小學、高新創新實驗中學學生計算思維量表數據，找到適合學生計算思維培養的方案。

（二）在編程教學及科技創新大賽中培養學生計算思維的探索實踐

教學對象來自合肥市夢園小學、高新創新實驗小學、高新創新實驗中學。教學內容分為三類：小學以Scratch可視化編程為主，中學以C++語言編程為主，還有一類是以圖形化編程linkboy和VJC軟件編程為工具進行科技創新。具體流程如下：

1.在合肥市夢園小學、高新創新實驗小學4—6年級，高新創新實驗中學七年級、八年級開展編程教育必修課和社團課。必修課整合教材的拓展內容，主要包括Scratch初級創意編程;社團課涉及信息學競賽（C++編程）、STEAM教育、機器人社團、科技創新大賽，利用課余時間，打造一批科技創新型學生團體。以社團課程為立足點，設計教學目標，將培養學生計算思維貫徹教學過程，指導課堂教學，不斷摸索總結案例、經驗，出版優秀教學案例集，形成一套獨具魅力的中小學編程教育課程體系，在全區推廣，為一線教師提供可借鑒的教學模式。

2.通過“專題培訓”“專家講座”“項目式學習”“主題分享”“評估評價”等一系列活動，讓教師在備課、上課、課后反思以及拓展研究的過程中明確如何利用編程教學培養學生的計算思維，轉變教學理念和行為，在教學實踐中不斷改進教學設計思路，開發出適合我區學生實際學習能力的校本課程，提升教師對校本課程的研發能力，促進編程教學和科技創新的發展。同時解放教師和學生思維，著力培養師生創造、實踐、分享、團隊協作等核心綜合素質，實現教師與學生的共同成長，形成科技創新的校園文化特色。

3.進行實驗授課，將被試學生劃分為實驗組A、對照組B、對照組C。實驗組分為兩類：圖形化編程與文本語言編程學習。實驗組都采用相同的教學設計。具體方法：（1）將小學學過編程的同學歸為A組，沒學過的歸為B組，對比A組、B組學生的計算思維測試結果，得出一些啟示。（2）將初中學過編程的同學歸為A組，沒學過的歸為B組，在初中A組、B組學生學習一段時間編程后再進行計算思維測試，比較A組、B組學生結果，并得出一些啟示。同時將在小學、初中都沒有學過編程的C組學生作為對照組。

4.針對課本上的Scratch初級創意編程，高新區小學教師每人設計了一節精彩課例，再經過共同研討、修改，形成了區本課程。在教學過程中教師先引出問題，再根據問題請學生規劃需要的程序算法。在老師的引導下，學生探究完成程序設計，最后再總結出共同的規律。創新實驗中學的信息學科競賽課堂、機器人課堂、科技創新大賽課堂均采用項目化教學，引導學生運用所學知識，構思設計出新方法或者新事物。在創新合作、積極進取的學習氛圍中，學生開闊了視野，拓展了思路。

5.利用問卷調查法，從認知、情感、意志三個維度，評測合肥市夢園小學、高新創新實驗小學、高新創新實驗中學的被試學生，分析這些學生在編程學習過程中計算思維的發展情況，根據分析結果，檢驗編程教學中的計算思維培養效果。

六、計算思維培養效果的評價

計算思維培養的有效性，需要通過評價來檢驗。學生的表達將自己計算思維意識外顯化。

為有效解決問題，人們首先感知問題的表象;其次分析問題間的聯系，抽象出問題的本質;最后判斷、組合、設計出解決問題的最佳方案。這是人類意識中認知、情感、意志共同作用的活動過程。計算思維的一級評價指標定為認知、情感、意志。計算思維認知維度下的二級指標包括記憶、言語、抽象、想象。計算思維情感維度下的二級指標包括開放性、外傾性、責任心。計算思維意志維度下的二級指標包括自覺性、獨立性、果斷性、自制性。計算思維的評價量表如下：

基于上述量表，合肥市夢園小學、高新創新實驗小學、高新創新實驗中學的被試學生無論在小學還是在初中階段，學習過編程或者參與過科技創新大賽的B組同學，平均分數要高于沒有學習過此類課程的A組同學。而對照組C組同學（在小學、初中均沒有學習過編程課程以及參與過科技創新大賽）的量表分數最低。

七、總結與展望

關于培養學生計算思維的研究越來越受到學者的關注，很多學者在實踐中不斷探索培養中小學生計算思維的方法。我們主要研究在編程教學和科技創新活動中如何培養中小學生計算思維，并取得了一定的成果。我們主要做了以下工作：

第一，分析國內外計算思維研究的現狀，學習針對不同年齡階段學生進行計算思維培養的方法和經驗。我們了解到計算思維培養的研究正不斷地向中小學階段傾斜，明確了在中小學階段發展學生計算思維的重要性。

第二，對計算思維的內涵和中小學生思維特點的分析研究，讓我們找到了進行義務教育階段中小學生計算思維培養的方向。

第三，我們探究了在中小學編程教學中培養計算思維的理論依據和策略目標，形成獨特的編程教學、科技創新教學體系模式，帶動區域課堂教學的創新發展。

第四，運用量表評價中小學生計算思維在編程學習及科技創新活動中的發展情況，通過對比分析實驗前后的數據，檢驗在編程教學中培養計算思維效果并及時調整教學策略，設計出科學可行的課程模型并在全區范圍內的信息技術課堂上推廣傳播。

第五，引導教師學習先進的教學理念，探索計算思維能力的要素，改變原有的教學習慣，創新教學設計，在編程教學中培養學生的計算思維，成長為適應新時代發展需要的創新型教師。

計算思維的培養是計算機教育領域的熱門話題。將計算思維的培養融入中小學信息技術課堂，是信息技術課程改革和教學研究的重要方向之一。未來，我們將繼續探索更有效的培養中小學生計算思維的教學策略。

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責任編輯：丁 蔚

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