基于計算思維培養的小學信息科技教學探究

摘 要：《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》強調發展學生的核心素養，其中計算思維是信息科技課程的核心素養之一。計算思維體現了計算機科學的基礎和解決問題的策略，可以提高學生的計算素養，指導他們利用計算機技術解決跨學科問題，并培養他們以計算機化的方式思考和表達的能力。小學階段是培養學生計算思維的黃金時期，因此，應盡早將計算思維培養融入教育體系中，以促進學生創新能力與邏輯思維的發展。

關鍵詞：計算思維；小學信息科技；教學策略

作者簡介：何長英（1990—），女，江蘇省南通市北城小學。

計算思維是人類三大科學思維方式之一，在這個數字化、信息化、智能化時代中，它已成為一項基本素養，并逐漸成為教育領域關注的焦點。作為處理問題的重要思維方式，計算思維對小學信息科技教育極為關鍵。教師應重視培養學生的計算思維，并通過優化教學策略和活動，建立以計算思維為核心的教學模式，以此有效提高學生解決復雜問題的能力。本文聚焦計算思維的四大要素，探討如何開展小學信息科技課程教學［1］。

一、培養學生計算思維的意義

（一）提升學生問題解決能力

計算思維強調系統、邏輯地分析問題，將復雜問題分解為可管理的部分，并設計有效解決方案，提升個體面對挑戰時的應對能力。學生在面對學習任務時，如果具備計算思維，就能將大問題拆分為小問題，逐一解決，并能制訂完善的問題解決策略，從而提升問題解決能力。

（二）強化學生邏輯思維能力

計算思維涉及嚴密的邏輯思維訓練，如條件控制、循環控制等。這種邏輯思維訓練有助于學生在學習過程中更好地理解和掌握知識，避免學生出現知識混淆和錯誤。通過計算思維的培養，學生能強化邏輯推理能力，提升思考過程的有序性和準確性。

（三）激發學生創新思維潛力

培養學生的計算思維有助于提高學生的邏輯分析、問題解決、抽象建模及算法設計能力，激發其創新思維潛力。計算思維鼓勵學生跳出傳統框架，尋找新穎的解決方案，并在實踐中不斷優化。這一過程不僅能鍛煉學生的批判性思維和創造力，還能讓他們學會在復雜環境中靈活應變，勇于創新，從而激發潛在的創新能力。

二、如何聚焦計算思維四大要素開展教學

計算思維的四大要素主要包括問題分解、模式識別、抽象建模、算法設計。這四個要素共同構成了計算思維的核心框架，能幫助人們更有效地理解和解決復雜問題。

（一）問題分解，細化復雜問題

分解是將復雜問題拆解成更小、更易于管理的部分的過程，是計算思維的核心要素。它類似于將一個大項目細化為多個子任務，以便逐步解決。通過分解，學生可以更加清晰地看到問題的各個組成部分，從而有針對性地制訂解決方案。在教學過程中，教師應注重引導學生運用分解思維來解決問題［2］。

生活中的分解思想隨處可見。例如，在講授蘇科版六年級“體驗生活中的智能感知”一課時，教師可以展示生活中的實際問題。課前導入：陳老師最近搬新家了，所以現在裝修是一個大問題，你認為這個大問題可以分解成什么問題？在學生回答時，教師可抓住他們回答的有關于燈的問題，引出本單元課題：給新家布置燈——點亮新家，同時出示大問題：如何給家里布置合適的燈？一開始教師要引導學生根據需求明確問題的方向和邊界，強調問題中“合適的”這一詞，讓學生思考什么樣的設計才是合適的。學生需要考慮燈的數量和不同房間需要什么燈——數量和需求。問題的方向和邊界明確后，就可以開始分解問題，將一個復雜問題分解成多個可處理的子問題。教師可發放任務單，讓學生挑選一個方向——數量，根據所挑選的方向分解問題，形式可以是寫一寫也可以是畫一畫，然后動手操作，開始分解問題。在學生的任務單填寫完畢后，教師可以邀請他們說一說是如何考慮數量問題的。這樣將問題分解為可執行的步驟的分解方法叫作行動分解。之后教師可展示學生作品。學生可在戶型圖上標注燈的位置，先將新家分解為各個房間，然后從各個房間出發考慮每個房間需要的燈的數量，最后相加。這樣把大問題分解為類似的小問題，再來解決，叫作規模分解。這一個環節結束后，教師可以引出第二個環節：如果晚上做噩夢然后起床開燈不方便，你想通過什么樣的方向和邊界來確定問題？學生會回答：開關的位置和開燈的方法。教師可出示實物燈——手勢控制燈，并界定問題：需要制作一盞感應燈；分解問題：找到傳感器、連接硬件、編寫程序、調試優化；關鍵問題：編寫程序。教師可提醒學生再次展開循環，請學生拿出抽屜里的感應燈，分解感應燈的工作步驟。通過三次不斷漸進的分解，學生最終將復雜的問題簡單化，得出一個可執行的問題解決方案。

（二）模式識別，發現一般規律

模式識別是在分解的基礎上，對相似的事物或者經歷進行分析，找到其規律，并對規律與趨勢進行預測的過程。它有助于人們從龐雜的數據中提取出有用的信息，透過現象看本質，進而發現問題的一般規律，搜索已有的解決問題的方法［3］。

例如，在講授蘇科版六年級“表情識別”一課時，教師可以帶領學生深度感受人工智能的模式識別技術。隨著信息技術的飛速發展，計算機模式識別技術越來越先進，已被廣泛應用于各行各業。從人臉識別、指紋識別到自動駕駛、醫療診斷，模式識別技術都在發揮著重要作用。首先，教師可與學生玩一個“猜猜他是誰”的小游戲，用多媒體技術展示一些名人的臉部局部圖，讓學生憑借記憶和特征猜猜他們是誰。通過這個小游戲充分激發了學生的興趣后，教師可提出：“我們可通過人臉的眼睛、鼻子、嘴等關鍵特征識別，想一想計算機怎么識別人臉？”這時教師可以邀請一位同學上臺，使用平板打開百度AI功能，百度AI可以識別人的年齡、性別、臉型、是否戴眼鏡等。打開百度AI后，第一步是拍攝照片并上傳，這一步叫作圖像采集。然后進行人臉定位，對臉上特征進行提取和算法分析，最后輸出結果。所以說，計算機進行模式識別需要經歷數據收集與預處理、特征提取、模型選擇與訓練、模型評估與優化、模式識別與決策、后處理與結果展示以及持續學習與更新等多個步驟。這些步驟相互關聯、相互影響，共同構成了計算機模式識別的完整過程。知曉計算機模式識別的基本規律后，教師可以讓學生完成一個創新實踐活動，如使用xDing軟件編程制作表情指示器，根據教材指導，自主學習表情識別模塊的操作技巧。要制作一個表情指示器，必須先確保硬件設備能滿足識別表情的功能需求。接下來，學生要將硬件與相應的軟件集成，并做好編程的前期準備。準備工作完成后，便可以著手編寫程序。（1）算法分析：如何使表情指示器能識別并指示表情？首先利用AI技術掃描圖像，若檢測到笑容就點亮指示燈，否則燈不亮。（2）編程實踐：參照白板上已完成的流程圖，小組協作完成程序編碼。若遇到困難，可以參考教材第126至127頁的內容。小組進行編程嘗試。（3）展示腳本：各小組派代表展示腳本，說明各個控件的意義及其在程序里起到的作用。最后對編碼進行評估和優化，總結出識別系統運作的一般規律。

（三）抽象建模，構建簡化表達

抽象是忽略問題中的非本質細節，只關注其本質特征的過程。它有助于人們將復雜問題簡化為更易于理解和處理的模型。在小學信息科技教學中，教師需要創設情境，整合教學資源，設計富有啟發性的課堂活動，引導學生深入思考，分析并提煉問題的核心要素，從而培養他們的抽象思維能力。

例如，在講授蘇科版六年級“機器人的基礎活動”這一單元時，教師可以設計一個“利用Scratch編程校園守護機器人行走路線”的項目課題來培養學生的抽象思維。教師首先可提問：“‘校園守護機器人’想將學生掉落的校服從操場送到教學樓A，該走哪條路？”將問題簡化思考：在這個目標中，哪些要素應留下，哪些可以去掉？教師可用Scratch制作一個程序，學生單擊角色，則角色消失，這樣能使問題簡化，更直觀。以上操作完成后，教師可繼續提問：“你們還能幫助機器人更簡化一點嗎？根據結果，在學習單中進行點線圖的繪制。在從實景圖到點線圖的這個過程中，我們是怎么一步一步進行抽象的？”總結抽象的關鍵：根據目標保留必要的細節，去掉不必要的細節。以上已經將校園的場景建構出來，接下來首要的任務是判斷機器人運行的最短路線，根據具體情境，梳理和抽象出算法可以執行的規則，完成規則抽象。判斷最短路線的條件是什么？把每條線路表示出來之后進行兩兩比較，所有路線中較短的那條就是最短路線。怎么得到每條路線的距離？將每段路線相加。這里需要運用到簡單的數學幾何代數的知識。最后進行數據處理，用變量表達式表達路線總長度。

在教學過程中，教師需要充分發揮學生的自主性，讓學生進行分組探究：各小組根據目標，按照“問題簡化—規則抽象—數據抽象”的流程進行抽象，將探究結果寫在小組的學習單上。最后教師小結：我們首先將生活中的問題進行問題簡化，然后進行規則抽象和數據抽象，最終將其轉化成一個計算機能處理的問題。

（四）算法設計，制訂詳細步驟

算法是解決特定問題的一系列明確步驟。它規定了解決問題的詳細過程，包括輸入、輸出以及中間的計算步驟。算法是計算思維的重要組成部分，因為它提供了解決問題的具體方法。算法按照嚴格的邏輯順序和精確的步驟執行，學生在學習如何編寫算法時，需要清晰地理解各個步驟之間的邏輯關系，預測結果，并調整策略以應對不同情況。

以蘇科版六年級“機器人沿線行走”一課為例，本課是機器人單元中難度較大的一課，綜合性很強。從整體上看，本課主要讓學生理解機器人沿線行走的原理是機器人通過灰度傳感器來不斷地判斷自己行走時的狀態，并通過修改電機參數來進行實時調整。機器人沿線行走一共有五種情況，教師要帶領學生一起設計富有邏輯性的算法程序，制訂詳細精確的運行步驟。

在設計算法的起始階段，首先需要創建一個新的程序，并在其中定義兩個關鍵的自定義變量：“black”和“max”。變量“black”代表場地與軌跡線的感光值中點，這個數值基于先前測試獲得的灰度值的中位數，自行計算得出。而變量“max”則用于指示機器人的當前運行狀態：當“max”的值設置為1時，表明機器人向左偏移；當“max”的值設置為2時，則表明機器人正處于軌跡線上。為了幫助學生克服學習難點，教師應提供詳盡細致的演示過程，引導學生逐步進行操作，以便其順利展開程序編寫的學習。在程序初始化時，將變量“max”的初始值設置為2。學生需要定義“black”和“max”這兩個變量，以完成程序的初始化步驟。接下來，進入本課程算法設計的關鍵環節：配置灰度傳感器。具體而言，要進入“系統設置”并選擇“傳感器設置”，將“通道1”和“通道2”都設置為“灰度傳感器”。然后，在工作區添加兩個“灰度傳感器”控件，并分別配置為“灰度傳感器（1通道）”和“灰度傳感器（2通道）”。考慮到機器人沿軌跡線行駛時可能出現的五種不同狀態，首先考慮機器人完全在軌跡線上的情況。為此，需要添加一個“單分支”控件，并設置條件為“灰度傳感器（1通道）的值≤black”和“灰度傳感器（2通道）的值≤black”。在這個控件中，還需添加一個“直流電機”控件，并配置為“直流電機1：正轉速度15”和“直流電機2：正轉速度15”。通過類比和擴展，學生能完成機器人沿軌跡線行駛的完整程序編寫。通過本課程的學習，學生將掌握如何在系統設置中添加和配置灰度傳感器，學會檢測機器人的偏移狀態，并能編寫機器人沿軌跡線行駛的程序。

三、總結

綜上所述，計算思維與信息科技密不可分，它是信息科技學科核心素養的重要內容。在小學階段強化計算思維的培養，不僅能激發學生的學習興趣和創造力，還能有效提升學生的邏輯思維、批判性思維及問題解決等綜合能力。因此，教師應積極探索培養學生計算思維的有效途徑，不斷提升教學質量和效果，為學生的終身學習奠定基礎。

［參考文獻］

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劉丹鳳.基于小學生1—3階計算思維的階梯式培養：以“打印九九乘法表”編程教學為例［J］.安徽教育科研，2024（22）：44-47.

龔余余.指向計算思維培養的信息技術教學［J］.文理導航（中旬），2023（11）：61-63.