在編程教學中發展學生計算思維

〔摘" "要〕" 計算思維是中小學信息科技教學中的核心內容，是信息科技學科核心素養的重要組成部分。培養學生的計算思維是為了讓其適應智能時代的生存需求，將現實問題轉化為可計算的模型，這為幫助學生構建認知世界設置了思維框架。編程課程是培養學生計算思維的重要途徑，小學信息科技編程教學能夠提高學生的邏輯思維能力，使其更好地適應互聯網、人工智能等技術的發展趨勢。因此，探討編程教學中發展學生計算思維的策略，具有重要的現實意義。

〔關鍵詞〕" 信息科技；編程教育；計算思維

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）15" " 0101-03

現在的學生是在信息時代中成長起來的“數字土著”，信息科技、數字技術、互聯網無時無刻不在影響著他們的生活方式、認知結構及思維方式。在這一時代背景下，計算思維是“數字公民”必備的素養，因此，計算思維就成為我國信息科技課程核心素養的重要內容。

一、計算思維的內涵

目前我國還未針對計算思維的概念給出統一界定，筆者通過研讀前人參考文獻，總結出計算思維的定義為：運用計算機科學的基礎概念求解問題、設計系統、理解人類行為的思維模式。計算思維要素包括抽象、概括、算法、評估、分解等五大部分。針對小學信息科技課程教學，適宜學生掌握的計算思維培養要素主要包括以下幾個模塊：模塊一，分解，即將復雜任務、問題、過程、方案等對象分解為更易處理子問題的思維模式，比如課堂上學生能夠合理分解學習任務，降低任務難度。通過完成分解后的子任務，最終合成整體的解決方案，在編程學習中，將一個游戲成品的制作細分為多個部分編寫代碼、搭建程序，這個過程即采用了分解的思維模式。模塊二，抽象，即重新闡述復雜的情境問題，從中提煉出問題的本質特征，比如從一段程序或代碼中識別出編程結構，從不同程序中分析其作用。該思維忽略了問題不必要的細節與內容，對問題進行抽象與簡化，再用算法更高效地實現。模塊三，算法，即尋求解決問題的方案，并用腳本程序實現方案。在編程學習過程中，算法思維主要表現為，學生能夠針對問題編寫指令，以達到預期的效果；清楚解決問題的算法步驟，用流程圖的形式描述解決過程，并根據流程圖實現能解決問題的算法。模塊四，評估，即對算法進行不斷調試、優化與反思的思維，能夠從多種算法中選擇解決問題的最優解。在編程學習過程中，學生能夠評估解決方案是否符合規范或標準，評估方案功能的正確性，對完成的作品進行評價、反思，總結不足，優化方案，并歸納一般特征。模塊五，概括，對利用算法完成作品的過程進行歸納、總結、遷移，用已有知識經驗解決相關問題。學生在編程學習過程中，如果能夠識別問題、流程或解決方案中的模式與共性，即可判定其具備概括思維。概括思維還表現在學生能夠調整解決方案的一部分，并能將其應用于同類問題，能夠將解決問題的過程由一個領域遷移到另一個領域，將概括、歸納解決問題的方法應用于新的情境中。計算思維不僅應用于數學運算、編程學習，還滲透于學生的日常生活、技術應用、科學探索等活動中。在小學信息科技課程中，注重學生計算思維的培養，能夠為其后續邏輯思維能力、創新創造能力的發展打下堅實基礎。

二、在編程教學中培發展生計算思維

為更好地分析編程教學過程中學生計算思維的培養策略，本研究以我校五年級計算機編程社團的學生為對象，分析教學實例。五年級學生的思維發展處于半抽象過渡階段，學生本身具有一定的編程基礎，且認知能力、空間能力、數理邏輯能力等均開始迅速發展，因此本研究提出開發“智能導航”的設計任務。利用編程軟件設計出一個簡易的模擬智能導航機器人，幫助學生規劃公園的參觀路線，并通過腳本升級設計出具備互動選擇功能的智能導航機器人。本次教學采用國產青少年編程軟件Mind+工具，其集成主流主控板及上百種開源硬件，支持人工智能及物聯網，既可以應用高級編程語言，也支持圖形化編程，入門門檻低，更適合學生。

（一）教學目標設計

本研究提出的“智能導航”設計任務教學目標如下：知識與技能目標，旨在通過本次任務的學習使學生了解某些編程算法的概念，比如貪心算法、枚舉算法，并對環境建模知識形成初步認知，為其后續的編程建模打下基礎；了解人工智能技術在導航系統中的應用方法，并通過教師設計的編程任務掌握圖形化編程的操作方法，能夠通過小組討論并在教師的帶領下，完成智能導航的編程任務。過程與方法目標，旨在通過本次課程的學習，使學生能夠掌握上述計算方法的實際應用，通過環境建模搭建智能導航場景，通過貪心算法、枚舉算法等進行路線規劃。通過對這些知識技能的學習、訓練，了解智能導航的算法原理，在面對復雜任務時，能夠應用分解思維降低任務難度，并促進計算思維初步形成。情感態度與價值觀目標，在學習過程中學生能夠切實感受到人工智能的技術優勢，體驗可視化編程的魅力，激發其對編程課程的學習興趣，豐富其感知體驗，促進其創新意識發展。

（二）教學內容設計

本次任務具體的教學內容包括以下幾個方面：首先，本次任務設計森林公園的景點路線規劃，能夠通過環境建模將各景點之間的距離表示出來，構建完整的森林公園地圖；其次，理解貪心算法、枚舉算法的基礎概念及具體應用，利用兩種計算方法優化公園景點游覽線路，并比較不同線路的優缺點；然后，利用編程軟件完成智能導航機器人的設計與實現，要求智能導航能夠完成互動選擇；最后，對智能導航機器人設計方案進行反思、優化。整個教學內容的難點在于游覽路線的優化，以及如何添加互動選擇功能。

（三）教學過程設計

1.設計教學情境

教學情境能夠將學生快速代入到知識應用場景中，使學生在接近真實的環境中進行學習、實踐，以激發其學習興趣，提升其主觀能動性。在本次任務課程中，筆者創設了公園游覽指南的任務情境：我們城市的森林公園植被豐富，動物多樣，老師想帶同學們去森林公園春游，從學校出發，該如何到達森林公園？學生經過討論后認為可以利用導航App規劃路線，教師再就勢引入任務內容：設計一個智能導航機器人，幫我們規劃到達森林公園的路線。將學生分為若干學習小組討論設計方案。真實的生活情境可以拉近學生與學習內容的距離，強化知識、技術的實用性。

2.任務分解

教師提出問題引導學生進行任務分解：問題一：你覺得應如何設計一個智能導航機器人？首先應該做什么？學生經過討論后，認為需先規劃好森林公園的地圖、距離，計算公園內各個景點用時最短路程、距離最短路程等，再在地圖上重點標注某些更受歡迎的景點。問題二：我們可以把復雜的森林公園地圖抽象成簡單的模型，用貪心算法規劃路線，能夠實現最短距離游覽所用景點；再用枚舉算法優化線路。“那么，請問什么是貪心算法？什么是枚舉算法？”用問題激發學生的求知欲，再帶領學生理解貪心算法、枚舉算法的概念、內容及應用。問題三：如何完成智能導航機器人的分解流程圖？需要用到哪些編程工具？通過三個問題將整個任務進行細化、拆解，引導學生通過小組討論分析問題解決方案，并探討不同方案的有效性、可行性。這個過程也是促進學生抽象、概括及算法思維發展的過程。

3.任務實施

任務一：資料分析。教師將森林公園的模型圖、景點的距離統計表等相關資料發放給學生，同樣以小組為單位對這些資料、數據進行分析、討論，學生梳理數據、資料之間的關系。任務二：環境建模。教師再進一步引導學生：我們看地圖的時候，是不是越直觀越清晰？請思考一下，如何將森林公園的景點用直觀的符號表示出來，如何將景點之間的路線更直觀地表現出來？教師可以利用課件展示常見的地圖符號以及路線表達方式，由學生自主選擇，再用數字標注出路線長度，這種表示方法即為模型圖。任務三：模型制作。學生通過教師講解初步理解了環境建模的概念，接下來教師即可讓學生完成任務：制作出森林公園景觀模型圖示。任務四：路線規劃。教師讓學生代入森林公園導游的角色，思考路線規劃方法，要求路線能夠滿足兩個條件，一是能夠到達每個景點，二是距離最短。每個學習小組規劃出自己認為最合理的線路，教師帶領學生對每個方案進行分析：有些學生認為，本組的路線計劃按照最短距離計劃，因此總距離最短；但也有學生提出異議：看上去每段長度的距離都是最短的，但是有些路線需要重復，所以整體來看并不是最短線路。此時，教師就提出“貪心算法”的概念，即不考慮整體最優，而是做出一個當下看來是最好結果的選擇；而后再用一個完整的手機導航App向學生講解如何用貪心算法規劃路線，最終從學生規劃的路線方案中選擇最優方案。這個過程就是“枚舉算法”，即列舉所有解決方案，對所有方案進行評分、分析，確定最優方案。

4.編碼設計

學生在教師的帶領下規劃出了最優路線，接下來就在Mind+上進行智能導航機器人的設計，小組之間進行討論、交流，并開始編程。學生通過討論可知，可以將地圖導入系統作為背景，再添加一個機器人，機器人按照路線規劃行進即可。學生自行參照流程圖開始編碼設計，教師巡視給予適當指導。教師在該環節要為學生提供更多自主探究的空間與機會，提供合適的腳手架，促進學生計算思維、實踐能力的綜合發展。學生在編程過程中會遇到景點坐標設置不當、背景放置順序錯誤、腳本選擇錯誤等問題，教師在鼓勵學生自主查找問題的同時，給予其一定的提示。所有小組完成設計任務后，教師再帶領學生進行綜合評價，包括教師點評、組內互評、組間互評、自我評價等，進一步提升學生解決問題的能力，促進其創造能力發展。

三、結語

總之，計算思維是小學信息科技學科核心素養的重要組成部分，培養學生的計算思維是小學階段開展編程課程的重要目標。教師在實際教學中，要能夠充分認識到計算思維對促進學生綜合素質發展的重要意義，深入理解計算思維的內涵，在編程教學的各個環節注重學生抽象、概括、算法、評估、分解等思維能力的培養與發展。本研究以智能導航機器人為例，分析如何在編程教學中培養學生的計算思維，在教學過程中強調教學情境的創設，以幫助學生快速進入角色，激發其學習興趣；通過編程任務的設計、分解，促進學生抽象思維、概括思維、算法思維以及分解思維的發展；并在教學最后采用多元評價主體，引導學生總結、反思整個學習過程，實現知識與技能的組合應用，進一步提升學生解決問題的能力，促進其計算思維的發展。

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