指向計(jì)算思維培養(yǎng)的中小學(xué)不插電編程教學(xué)策略

摘要：計(jì)算思維是中小學(xué)生應(yīng)具備的核心素養(yǎng)之一，近年來(lái)在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，被納入多個(gè)國(guó)家的教育體系。以中小學(xué)階段不插電編程教學(xué)活動(dòng)為例，探討如何通過(guò)不使用電子設(shè)備的編程活動(dòng)促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。通過(guò)分析計(jì)算思維的五個(gè)要素——分解思維、抽象思維、程序化思維、迭代思維和概括評(píng)估思維，結(jié)合現(xiàn)有教學(xué)實(shí)踐提出五種具體的不插電編程教學(xué)策略，為中小學(xué)計(jì)算思維課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供有益的參考，也為未來(lái)相關(guān)研究提供新的思路。

0 引言

以人工智能、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人等為代表的新技術(shù)推動(dòng)的第四次工業(yè)革命正在不斷走向深入，對(duì)全球各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。在這一背景下，由程序驅(qū)動(dòng)的數(shù)字技術(shù)迅猛發(fā)展，引發(fā)了教育領(lǐng)域的深刻變革，計(jì)算思維成為學(xué)生適應(yīng)這些變革并得以立足的基本素養(yǎng)，其重要性堪比聽(tīng)、說(shuō)、讀、寫等基本技能。近年來(lái)，世界各國(guó)紛紛修訂國(guó)家政策與中小學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，力求將計(jì)算思維的培養(yǎng)從高等教育階段的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程向中小學(xué)甚至幼兒園階段延伸。這是因?yàn)橹行W(xué)階段正是學(xué)生孕育思維的關(guān)鍵時(shí)期，計(jì)算思維的培養(yǎng)理應(yīng)始于此階段。

英國(guó)作為基礎(chǔ)教育階段發(fā)展計(jì)算思維的先行者之一，早在2014年便從國(guó)家層面制定政策，將計(jì)算思維和編程強(qiáng)制性納入中小學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[1]。2022年，歐盟委員會(huì)發(fā)布《義務(wù)教育計(jì)算思維研究》報(bào)告，強(qiáng)調(diào)編程是中小學(xué)教育的重要組成部分，并指出編程教育是培養(yǎng)計(jì)算思維的重要途徑?？梢?jiàn)，在基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)計(jì)算思維已成為全球共識(shí)，而編程教育則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵手段。

綜觀現(xiàn)有的編程實(shí)踐研究，學(xué)校主要通過(guò)計(jì)算機(jī)編程練習(xí)（插電活動(dòng)）和不需要硬件設(shè)備支持的不插電編程活動(dòng)兩種方式開(kāi)展計(jì)算思維教學(xué)。由于硬件設(shè)備和編程基礎(chǔ)知識(shí)的限制，傳統(tǒng)的插電編程教學(xué)在實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)。而不插電編程教學(xué)作為一種無(wú)需依賴計(jì)算機(jī)設(shè)備的教學(xué)方式，逐漸受到關(guān)注。不插電編程教學(xué)主要通過(guò)紙牌、卡片、游戲等形式，使學(xué)生在實(shí)踐中掌握編程的基礎(chǔ)概念，并在此過(guò)程中發(fā)展計(jì)算思維。本文旨在探討如何通過(guò)不插電編程教學(xué)活動(dòng)幫助中小學(xué)生有效地培養(yǎng)計(jì)算思維，進(jìn)而為他們未來(lái)的學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1計(jì)算思維與不插電編程教學(xué)的內(nèi)涵

計(jì)算思維這一概念在1980年被提出，西摩·派珀特[2在他的著作《頭腦風(fēng)暴：兒童，計(jì)算機(jī)和有力的想法》（Mindstorms：Children，ComputersandPowerfulIdeas）中指出，計(jì)算機(jī)能夠提升思維能力、改變知識(shí)獲取模式。2006年，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授在《ACM通訊》（Communica一tionsoftheACM）上首次發(fā)表關(guān)于計(jì)算思維（ComputationalThinking）的文章[3]，讓計(jì)算思維這一概念迅速在學(xué)術(shù)界引起廣泛關(guān)注。她在西摩·派珀特思想的基礎(chǔ)上，將計(jì)算思維定義為“利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念解決問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的思維過(guò)程”。時(shí)至今日，計(jì)算思維研究已有40余年的發(fā)展歷史，然而學(xué)術(shù)界尚未對(duì)其形成統(tǒng)一的定義。當(dāng)前，計(jì)算思維的定義主要分為兩個(gè)派別：其一，描述計(jì)算思維過(guò)程；其二，闡述計(jì)算思維能力的構(gòu)成要素。本文從描述計(jì)算思維過(guò)程的角度出發(fā)，認(rèn)為計(jì)算思維是一種解決問(wèn)題和處理信息的方式，它強(qiáng)調(diào)借助分解問(wèn)題、抽象建模、運(yùn)用算法等計(jì)算方法來(lái)應(yīng)對(duì)各類復(fù)雜問(wèn)題。計(jì)算思維并非局限于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，而是一種跨學(xué)科的思維方式，能夠在數(shù)學(xué)、工程、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、管理等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。其中，最常見(jiàn)的五個(gè)核心要素是分解思維、抽象思維、程序化思維、迭代思維和概括評(píng)估思維[3]。

不插電編程教學(xué)是有別于傳統(tǒng)的借助電腦學(xué)習(xí)編程的一種學(xué)習(xí)方式，其最大的特點(diǎn)之一便是以離線、無(wú)需電腦或其他電子設(shè)備的形式培育程序設(shè)計(jì)思維和教授計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念。這種教學(xué)活動(dòng)最初是由新西蘭的三位教師依據(jù)他們的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一些專門針對(duì)中小學(xué)生的活動(dòng)，即通過(guò)開(kāi)展一系列有趣的活動(dòng)，讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)的一些原理性知識(shí)[4]。不插電編程活動(dòng)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行手工操作并深入思考，以解決各種編程問(wèn)題。這種方式能夠培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、創(chuàng)造力和問(wèn)題解決能力，使他們學(xué)會(huì)用簡(jiǎn)單的方法解決復(fù)雜的問(wèn)題。

2不插電編程教學(xué)促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展的優(yōu)勢(shì) 3中小學(xué)不插電編程教學(xué)策略

2.1符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，緩解數(shù)字不平等現(xiàn)象

不插電編程教學(xué)以紙牌、卡片、游戲等饒有趣味的形式，讓學(xué)生在無(wú)需借助電腦或屏幕的狀況下掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)而在此過(guò)程中發(fā)展自身的計(jì)算思維。依據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，中小學(xué)階段的學(xué)生正處于從具體運(yùn)算階段向形式運(yùn)算階段過(guò)渡的時(shí)期，此時(shí)他們的思維依舊依賴于具體內(nèi)容的支撐。一方面，在不插電編程的實(shí)踐活動(dòng)中，學(xué)生能夠通過(guò)操作紙張、積木或卡片等實(shí)體元素，去探索諸如序列、循環(huán)、條件和函數(shù)等編程的基本概念，這些具體的操作和實(shí)踐活動(dòng)有利于學(xué)生將抽象的編程概念轉(zhuǎn)化為具體的行動(dòng)與思考。另一方面，不插電編程活動(dòng)使得不同背景的學(xué)生能夠在不使用數(shù)字設(shè)備的情況下參與計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)踐，從而有效化解計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的限制和學(xué)生缺乏早期編程知識(shí)儲(chǔ)備的問(wèn)題，對(duì)于緩解數(shù)字不平等現(xiàn)象有著重大意義。

2.2學(xué)習(xí)門檻低，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

不插電編程的學(xué)習(xí)門檻相對(duì)較低，既不需要昂貴的設(shè)備，也無(wú)需技術(shù)基礎(chǔ)。與那些需要專業(yè)軟件或硬件支持的編程方式相比，不插電編程更加注重基礎(chǔ)概念和邏輯思維的培育，學(xué)生無(wú)需記憶復(fù)雜的編程語(yǔ)言，即使毫無(wú)編程基礎(chǔ)也能夠輕松入門。不插電編程活動(dòng)通常以游戲化的形式展現(xiàn)，將編程概念融入游戲，使學(xué)習(xí)過(guò)程更為生動(dòng)有趣。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生輕松掌握了編程的基礎(chǔ)知識(shí)，并逐步獲取編程的基本技能和概念。更為關(guān)鍵的是，這種輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境能夠讓學(xué)生在愉快的氛圍中進(jìn)行交流、探索和學(xué)習(xí)，不但有助于他們掌握知識(shí)，還能夠激發(fā)他們學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的興趣與熱情。

2.3做中學(xué)，學(xué)中做，踐行“知行合一”理念

不插電編程教學(xué)活動(dòng)常常在真實(shí)的自然環(huán)境中開(kāi)展，學(xué)生需要通過(guò)直接的實(shí)踐操作，比如使用紙筆或者參與游戲活動(dòng)等方式進(jìn)行。這種實(shí)踐操作讓學(xué)生親身感受編程過(guò)程，從而更為深入地理解編程概念和原理。同時(shí)，不插電編程教學(xué)活動(dòng)也鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行探索式學(xué)習(xí)，學(xué)生在掌握一定的知識(shí)和技能后，嘗試不同的編程挑戰(zhàn)或任務(wù)，以探索編程世界。這深入貫徹了“做中學(xué)，學(xué)中做”的學(xué)習(xí)理念，極大地激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求知欲，進(jìn)而促使他們更加積極地投入編程知識(shí)的學(xué)習(xí)，將“知”與“行”有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)。這不僅能夠幫助學(xué)生在實(shí)踐中鞏固知識(shí)，更好地掌握編程知識(shí)和技能，還培養(yǎng)了他們解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)造性思維，為他們未來(lái)的學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本文以計(jì)算思維的五個(gè)核心要素一分解思維、抽象思維、程序化思維、迭代思維和概括評(píng)估思維為依據(jù)，結(jié)合多召軍等[5]構(gòu)建的編程問(wèn)題解決過(guò)程與計(jì)算思維核心要素的承載關(guān)系模型（圖1），以不插電編程教學(xué)活動(dòng)為例，深入分析并形成面向中小學(xué)生的、有助于計(jì)算思維發(fā)展的不插電編程教學(xué)策略（圖2）。

3.1創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，培養(yǎng)分解思維

分解思維是把一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題拆分為多個(gè)更容易解決的子問(wèn)題的思維過(guò)程。學(xué)生面對(duì)復(fù)雜的編程問(wèn)題時(shí)，可能會(huì)心生畏懼而退縮，如果能將問(wèn)題分解為具體的指令，那么編程問(wèn)題的解決過(guò)程就會(huì)變得簡(jiǎn)單直接。中小學(xué)生認(rèn)知發(fā)展尚不成熟，對(duì)問(wèn)題的探索能力也有所不足。因此，教師需要從學(xué)生的日常生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，讓學(xué)生在了解問(wèn)題后，能夠結(jié)合已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)形成問(wèn)題解決方案，進(jìn)而逐步提高分解思維能力。

例如，在不插電編程教學(xué)的“回家之旅”主題活動(dòng)中，教師創(chuàng)設(shè)學(xué)生回家的路程情境。學(xué)生在與問(wèn)題情境交互的過(guò)程中，能夠通過(guò)聯(lián)系日常生活經(jīng)驗(yàn)，將客觀問(wèn)題轉(zhuǎn)化為自己能夠理解的問(wèn)題，并運(yùn)用分解思維將其拆分為易于操作的小問(wèn)題，如“避開(kāi)障礙物”“找到回家的路”（圖3）。學(xué)生將回家問(wèn)題進(jìn)行分解的過(guò)程充分鍛煉了他們的分解思維能力，還幫助他們積累了日常生活經(jīng)驗(yàn)。

3.2注重學(xué)科融合，培養(yǎng)抽象思維

抽象思維是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)活動(dòng)中運(yùn)用概念、判斷、推理等思維形式，對(duì)客觀問(wèn)題進(jìn)行間接、概括反映的過(guò)程[6]。不插電編程教學(xué)活動(dòng)不只涉及信息技術(shù)一門學(xué)科，還會(huì)涵蓋其他學(xué)科，如語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等。這就需要學(xué)生在明確問(wèn)題的情況下再進(jìn)行問(wèn)題表征活動(dòng)，即從問(wèn)題情境中獲取與每個(gè)問(wèn)題相關(guān)的信息，并在頭腦中形成圖示，分析這些信息的作用，再將這些信息進(jìn)行資源整合加工，最終形成問(wèn)題空間中所有信息的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生了解這些知識(shí)網(wǎng)絡(luò)背后的規(guī)則和模式后，采用流程圖或其他方式將其表征出來(lái)，這個(gè)過(guò)程就是抽象思維形成的過(guò)程。

例如，不插電編程教學(xué)的“發(fā)送火箭到火星”主題活動(dòng)，融合了空間科學(xué)、信息技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科內(nèi)容（圖4）。教師將編寫程序和使用編程語(yǔ)言抽象為前進(jìn)、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)等基本指令。學(xué)生用熟悉的文字或符號(hào)寫下這些指令，然后根據(jù)指令進(jìn)行表達(dá)和實(shí)踐，這樣的過(guò)程既有助于學(xué)生理解程序設(shè)計(jì)中的順序工作原理，也能提高他們的抽象思維能力。

3.3實(shí)現(xiàn)問(wèn)題具體化，培養(yǎng)程序化思維

程序化思維是一種將問(wèn)題或任務(wù)分解為一系列有序步驟，并以一種邏輯和系統(tǒng)化的方式來(lái)解決的思維方式。教師幫助學(xué)生明確具體的問(wèn)題是培養(yǎng)程序化思維的關(guān)鍵，在不插電編程教學(xué)活動(dòng)中，給學(xué)生設(shè)定具體明晰的編程任務(wù)有助于學(xué)生形成具體的問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)整合相關(guān)資源解決問(wèn)題，形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程就是程序化思維過(guò)程。

例如，在不插電編程教學(xué)的“回家之旅”主題活動(dòng)中，教師向?qū)W生下達(dá)具體的編程任務(wù)：“找到回家的路徑方向”（圖5）。學(xué)生根據(jù)具體的任務(wù)，在頭腦中形成回家的任務(wù)解決方案，即“向前直走—右轉(zhuǎn)”的任務(wù)指令。學(xué)生從明確任務(wù)到不斷更新迭代任務(wù)解決方案的思維過(guò)程也是程序化思維不斷發(fā)展的過(guò)程。

3.4過(guò)程鼓勵(lì)試錯(cuò)，培養(yǎng)迭代思維

迭代思維是通過(guò)反復(fù)迭代（重復(fù)）過(guò)程來(lái)解決問(wèn)題的思維方式。在不插電編程教學(xué)活動(dòng)中，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生不斷改進(jìn)和優(yōu)化當(dāng)前的解決方案，逐步接近最終的目標(biāo)或最優(yōu)解。在每一次檢查錯(cuò)誤、迭代更新的過(guò)程中，學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)抵觸心理，此時(shí)需要教師適時(shí)給予鼓勵(lì)，幫助學(xué)生反思過(guò)程并分析錯(cuò)誤原因，直至達(dá)到理想狀態(tài)。

例如，在不插電編程教學(xué)的“發(fā)送火箭到火星”主題活動(dòng)中，學(xué)生首先需要找出火箭和火星的位置，其次要保證路線暢通，避免障礙物的干擾，同時(shí)選取最短路線，以最快的方式將火箭發(fā)射到火星上（圖6）。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生需要多次嘗試，不斷試錯(cuò)，最終選出最短的路線。

3.5展示作品，交流共享，培養(yǎng)概括評(píng)估思維

概括評(píng)估思維是指對(duì)一個(gè)問(wèn)題或情境進(jìn)行整體性理解和評(píng)估的能力。中小學(xué)生具有一定的概括反思能力。學(xué)生準(zhǔn)備作品進(jìn)行展示的過(guò)程，就是對(duì)編程問(wèn)題解決過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行概括、總結(jié)的過(guò)程；同時(shí)，學(xué)生在評(píng)價(jià)他人作品并進(jìn)行交流的過(guò)程中也會(huì)提升自己的評(píng)估能力。

例如，在不插電編程教學(xué)的“發(fā)送火箭到火星”主題活動(dòng)中，教師鼓勵(lì)學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的路線展示出來(lái)，與其他同學(xué)交流共享。學(xué)生在與同學(xué)交流的過(guò)程中對(duì)自己的作品進(jìn)行反思，一方面是對(duì)編程問(wèn)題解決方案和策略進(jìn)行的歸納與總結(jié)，另一方面也能夠?qū)⑦@些經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到更為廣泛的問(wèn)題情境之中。這不僅使學(xué)生的溝通表達(dá)能力得到鍛煉，也促進(jìn)了學(xué)生概括評(píng)估思維的發(fā)展。

4結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞中小學(xué)階段不插電編程教學(xué)活動(dòng)如何有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維展開(kāi)深入探討。首先，剖析不插電編程教學(xué)在中小學(xué)階段促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。不插電編程教學(xué)通過(guò)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)的實(shí)踐活動(dòng)，幫助學(xué)生在不受計(jì)算機(jī)設(shè)備限制的情況下掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念，并逐步培養(yǎng)他們的邏輯思維和問(wèn)題解決能力。接著，分析計(jì)算思維的五個(gè)核心要素，并結(jié)合現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)踐提出五種適用于不插電編程教學(xué)的策略。教學(xué)實(shí)踐表明，不插電編程教學(xué)為中小學(xué)階段計(jì)算思維的培養(yǎng)提供了有效途徑，是未來(lái)基礎(chǔ)教育改革的重要實(shí)踐方向。

盡管當(dāng)前不插電編程教學(xué)活動(dòng)的研究尚處于起步階段，面臨諸多挑戰(zhàn)，但其在計(jì)算思維培養(yǎng)中的潛力不容小廳。未來(lái)的研究應(yīng)進(jìn)一步探索資源共享、跨學(xué)科整合和有效評(píng)估手段，以推動(dòng)不插電編程教學(xué)的廣泛應(yīng)用，為學(xué)生的全面發(fā)展提供更為豐富的實(shí)踐機(jī)會(huì)和支持。本文的研究為中小學(xué)計(jì)算思維課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了重要參考。

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