基于計算思維培養的設計型學習模式研究與實踐

摘" 要" 編程教育是計算思維培養的重要載體，設計型學習是培養計算思維的有效方式。通過分析計算思維的核心要素，結合設計型學習經典模型的特征，構建了基于計算思維培養的設計型學習模式，在各個階段中有針對性地培養學生的計算思維，并在具體的教學案例中進行實踐，來驗證該模式的有效性。

關鍵詞" 計算思維；設計型學習；Scratch；編程

中圖分類號：G623.58" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）03-0083-05

0" 引言

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》再次將計算思維作為學科核心素養，計算思維的重要性顯而易見。當前國內對學生計算思維的培養更多集中于信息技術課堂，其中尤以編程教學為主，但在實際的編程課堂中，教師還是較為注重軟件本身的技能操作，不重視學生思維能力的培養。設計型學習本身具有迭代性、整合性、反思性、設計性等特點[1]，與計算思維的培養相契合。

因此，本研究將計算思維的培養滲透到Scratch

編程課堂活動中，構建了基于計算思維培養的設計型學習模型，在教學活動流程中有針對性地對計算思維的核心要素進行培養，為編程課堂的教學改革提供新思路。

1" 計算思維與設計型學習

1.1" 計算思維

計算思維一詞最早出現在20世紀50年代，當時的計算思維與計算機聯系密切，且沒有明確的概念。等到2006年，卡內基·梅隆大學的周以真教授才第一次概括了計算思維的核心概念，她認為計算思維是分析問題和解決問題過程中的思維活動，并提出計算思維是一種普適的技能，應該成為數字化時代每個人都具備的基本能力[2]。2011年，美國國際教育技術協會（ISTE）聯合其他組織給出了計算思維的操作性定義，認為計算思維是一種問題解決過程，還明確了計算思維的六階段要素[3]。作為學科核心素養，計算思維在編程課堂中主要表現為學生能夠將問題進行分解，通過抽象建模形成問題解決方案，利用計算機編寫程序解決問題，并將解決問題的方法和思路進行遷移運用的能力。

對于計算思維的核心要素，國內外學者從不同角度進行了闡述。其中南安普敦大學的學者提出計算思維的五要素，其中包括算法思維、分解、抽象、評估、概括。傅騫等[4]根據該標準，將計算思維水平進一步分解為抽象思維、分解思維、算法思維、評估思維和泛化思維。綜合來看，本研究提出計算思維的核心要素包括抽象、分解、算法、迭代、遷移。分解是指在一定目標下將復雜問題做合理分解；抽象是指利用已有的知識經驗快速找到問題的關鍵；算法強調利用程序來解決當前問題；迭代是指對先前方案多次修改調整直到最佳效果；遷移將解決問題的思路和方法應用于其他情境中。

1.2" 設計型學習

設計型學習（DBL）是近年來在國外興起的一種模式，最早是由佐治亞理工學院的克羅德納（Kolodner J L）教授小組提出的。設計型學習模式的核心就是“設計”，學生利用已有的知識經驗設計作品，通過不斷的修改優化，達到最佳效果。整個過程中，學生不僅在循環迭代中完成主題作品，而且還培養了問題解決能力、計算思維能力等。設計型學習在發展過程中形成了一些較為成熟的模式，包括多林·尼爾森的逆向思維學習過程模型和克羅德納的基于設計的科學探究雙循環模型。

逆向思維學習過程模型強調從問題出發，根據問題構建模型，小組合作探討解決方案，修改完善形成最佳方案。與傳統教學模式不同的是，逆向思維學習過程模型更加注重學習過程中的迭代以及學習評價和反思[1]。

基于設計的科學探究雙循環模型是由“設計/

再設計”和“調查與探索”兩個循環圈構成。學生可以根據自己的學習需求在兩個循環圈中隨意跳轉，在“設計/再設計”循環圈中，學生通過建構模型、設計程序來解決問題，如果遇到知識經驗不足導致設計無法進行，便可跳轉到“調查與探索”循環圈中獲得問題解決方法的支持，循環往復，直至任務完成。

兩個模型都在強調讓學生自己動手實踐，且學習過程是循環迭代的過程。本研究綜合兩個模型的共同之處，結合小學編程教學的特點，構建了基于計算思維培養的設計型學習模型。

2" 基于計算思維培養的設計型學習模式的

構建

本研究結合了逆向思維學習過程和基于設計的科學雙循環模型的共同點，并在學生活動的各個環節有針對性地培養計算思維能力，具體模型如圖1所示，學生活動主要包括三個階段，即探究階段、設計階段、評價階段。

2.1" 探究階段

探究階段的具體流程包括理解挑戰、明確任務、合作探究、建立模型。知識探究是模型構建的基礎。學生在理清思路，確定問題后，通過探討項目實施應該解決的問題，包括應該如何搭建、某些模塊的含義、不同模塊之間的關系，需要用到哪些資源，如何獲取資源等問題，只有解決了這些問題才能將自己的想法以積木塊的方式搭建出來。探究階段是以學生為主體，利用自己已有的知識經驗，通過小組合作交流，圍繞問題和解決方案進行探究。教師在必要時進行一定的引導、幫助，避免學生偏離教學目標。

在探究階段中，“理解挑戰，明確任務”主要是通過對項目進行分解，分解成多個子問題，有步驟地解決問題，該過程精準培養了思維要素中的分解技能；“建立模型”是在明確任務后，抽象出問題特征，通過合作探究共同建立出任務原型，該過程體現了思維要素中的抽象技能。

2.2" 設計階段

設計階段的具體流程包括制定計劃、確定方案、設計編程、修改完善。設計階段是課堂教學的核心環節，設計階段是在探究階段的基礎上，將探究形成的想法方案予以實施，強調學生進行自主實踐。在明確挑戰任務，合作探究的基礎上，小組交流制定方案計劃，確定方案，開始設計編程，在此過程中，設計方案并不是固定不變的，而是不斷修改完善的。設計便是要學生發散思維，構想多種可能的方案，每個小組的作品都具有獨創性。在此過程中，教師通過巡視、觀察學生小組的設計情況，盡可能保證各小組進度一致。

在設計階段中，“設計編程”重點培養了學生在編程設計中的算法技能，通過采用流程圖、思維導圖等方式展示編程中的算法，該環節是完成任務的關鍵環節，也是體現計算思維本質的重要步驟。

2.3" 評價階段

評價階段具體流程包括展示作品、評估測試、迭代優化、交流反思。評價階段是指學生在完成作品后，以小組形式展示作品，并簡要說明制作思路、制作過程中的問題以及如何解決，學生在小組互評、教師評價中獲得建議和反饋，形成改進結論，在此過程中實現對新知識的理解與掌握，根據結論再次修改作品，不斷循環迭代，優化完善，形成最佳作品。

在評價階段中，“評估測試，迭代優化”是對問題求解過程中的思路方法進行綜合驗證，出現問題后進行循環迭代，修改優化，直至形成最優方案，該過程體現了設計型學習的關鍵特征，精準培養了思維要素中的迭代技能；“展示作品，交流反饋”重點培養了學生的遷移技能，學生進行組內互評，組間互評，討論交流，這是學生對課堂學習最佳的反饋，通過不同思想觀點的碰撞，容易發生思維的遷移與拓展，進一步強化相關技能。

3" 基于計算思維培養的設計型學習案例分析

本研究以“平臺跳躍游戲”為例，探討該模型在具體教學中的應用，根據模型來設計教學流程，包括創設情境，明確問題、啟發思考，指導探究、設計程序，實時監測、組織分享，評價作品、優化完善，反思歸納。“平臺跳躍游戲”的規則是通過鍵盤上的“上下左右”鍵來控制小猴子的運動，只有跳到一個又一個平臺上，最終觸碰到氣球才算勝利，中途掉落平臺則游戲失敗。

3.1" 創設情境，明確問題

情境性是設計型學習模型的基礎。情境的創設要具有生活化，才能引起學生的情感共鳴，激發學習興趣。另外，通過情境展現的問題/任務要具有一定的挑戰性，學生能夠產生學習動力，對知識的學習和運用也更加深刻。通過創設情境，教師要幫助學生明確任務問題。在“平臺跳躍游戲”中，學生親自體驗了游戲的樂趣，明白游戲的規則，好奇心和求知欲讓他們迫切想要嘗試自己編寫程序來設計游戲。在此過程中，教師帶領學生從自然語言過渡到抽象語言，循序漸進，讓學生不至于一頭霧水，不知所措。

教學片段

【教師】同學們平常喜歡玩游戲嗎？都喜歡玩些什么游戲啊？

【學生】王者榮耀、QQ飛車等等。

【教師】你們玩的游戲都是別人設計的，那么今天我們自己來設計一個游戲——平臺跳躍游戲。（展示平臺跳躍游戲的畫面）。小猴子的愿望是摸到氣球，該怎么實現呢？同學們可以幫幫它。

（學生體驗“平臺跳躍”的Scratch小游戲）

【教師】我們找同學來分享一下游戲結果。學生A來說一說你的小猴子是如何取得勝利的呢？學生B可以分享他的小猴子又是如何失敗的呢？

【學生A】我通過鍵盤上的“上下左右”鍵來控制小猴子的運動，小猴子跳到第一個平臺，又跳到第二個平臺，最后摸到氣球，系統便提示我“勝利”啦！

【學生B】我和學生A的操作一樣，只不過我的小猴子從第一個平臺跳到第二個平臺時，發生點意外，它沒能成功跳到第二個平臺上，掉了下來，系統就判定我為“失敗”。

【教師】同學們都已經體驗過了“平臺跳躍游戲”的規則，那么這個Scratch小游戲應該如何制作呢？

3.2" 啟發思考，指導探究

設計型學習的主線應該是“設計”，為了減少學生在其他環節浪費過多的時間，教師應該帶領學生對情境或者案例進行分解、剖析，啟發學生思考，引導學生探究。

根據“平臺跳躍游戲”的情境，教師提出五個問題來指導學生的探究活動，即視頻中要選擇和繪制哪些角色？小猴子是如何實現跳躍運動的？小猴子是如何實現左右移動的？游戲成功應該如何設置？游戲失敗應該如何設置？學生在明確問題后，根據教師提出的問題進行小組討論，探討解決問題的想法和思路，將最終方案記錄到學習任務單上，并根據思路繪制出流程圖，流程圖（部分）如圖2。在此過程中，教師巡視指導，答疑解惑。

3.3" 設計程序，實時監測

學生探究出解決方案后，就可以根據設計思路來編寫程序，（如表1是重要步驟的代碼塊設置），在實踐中將編程方案落實，然后通過不斷調試來驗證是否達到預期目標，如若在調試中出現問題或是思考出最優解法，還可以對程序進行優化和修改。在此過程中，教師不僅要關注小組進度給予指導，控制好時間，同時還要選擇合適的方式幫助學生解決問題。另外，教師通過巡視了解各小組進度差距，主動為一些困難小組和進度緩慢的小組提供幫助和指導，盡可能保持各個小組齊頭并進。

3.4" 組織分享，評價作品

學生在初步完成作品后進行分小組展示，如圖3學生作品展示，展示過程中可以簡要說明制作思路、制作過程中出現的問題以及如何解決。評價時每位學生都要參與其中，通過分享評價，學生不僅可以借鑒其他小組的優勢和創意，同時還能根據其他同學的建議對自己的作品進行修改和優化。

3.5" 優化完善，反思歸納

優化完善，反思歸納是教學環節的最后一步。通過評價提出的建議，學生進行作品優化，并再次展示。

教師對每個項目作品進行總結，指出其亮點，幫助學生獲得成就感和愉悅感。同時帶領學生回憶本節課的知識點，總結歸納，學生在此過程中獲得升華。最后，教師組織學生討論交流，暢所欲言，反思學習過程中的不足，在總結反思中發現新的問題，為后續學習奠定基礎。課后教師反思本節課的優缺點，整理學生意見和存在問題，以便在下次教學中進行改進。

4" 效果分析

4.1" 培養學生的計算思維能力，激發學生的編程興趣

在設計型學習模式中，真正做到了“以學生為中心”。學生進入情境后確定任務，在教師的引導下將任務分解成能夠解決的小問題，在小組合作中探討解決方案，明確設計思路和想法，繪制流程圖，以此來編寫程序，調試程序，優化完善。整個過程都是由學生自己確定問題、設計方案、解決問題，計算思維能力得以提升，促使學生對編程產生興趣。

4.2" 提升學生的合作交流能力，增進學生的情感共鳴

無論是探究階段還是設計、評價階段，學生都是以小組的形式參與其中，共同探究，溝通交流，在合作中產生情感共鳴，也讓學生明白了團隊的重要性。為了共同的目標，小組成員互幫互助，遇到問題妥善解決，培養了學生的人際交往能力。

4.3" 提高學生的創新創造能力，面對問題發散思維

設計型學習的關鍵在于“設計”，學生圍繞主題任務發散思維，將自己的創意想法融入設計作品中。同時，在評價交流中，通過思想碰撞激發靈感，將創意體現在作品優化上。

5" 結束語

信息化時代教育的革新更要凸顯學生的主體地位，筆者將設計型學習引入小學編程課堂，構建了基于計算思維培養的設計型學習模式，讓學生在“設計”中體驗問題解決過程，掌握編程的基礎知識和技能，學生具有極大的創作興趣，教學效果良好。在編程教學中，教師只有真正認識到培養學生的計算思維是課程的歸宿，在實際教學中才會重視知識的創造而非簡單的技術傳授，才能真正培養學生面對復雜問題時運用計算思維的方式來解決問題[5]。

6" 參考文獻

[1] 李美鳳，孫玉杰.國外“設計型學習”研究與應用綜述[J].現代教育技術，2015，25（7）：12-18.

[2] 肖廣德，高丹陽.計算思維的培養：高中信息技術課程的新選擇[J].現代教育技術，2015，25（7）：38-43.

[3] 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.

[4] 傅騫，解博超，鄭婭峰.基于圖形化工具的編程教學促進初中生計算思維發展的實證研究[J].電化教育研究，2019，40（4）：122-128.

[5] 鄭茜.信息技術教學中培養學生計算思維的策略研究[J].現代教育技術，2017，27（8）：121-123.