陳久華 王榮良

計算思維（Computational Thinking）是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為。其中，求解問題包括使用計算機技術(shù)或設(shè)備解決問題以及用計算機科學的思想解決問題；設(shè)計系統(tǒng)包括設(shè)計計算機系統(tǒng)，也包括用計算機科學的思想來設(shè)計一般系統(tǒng)。由此可見，計算思維可以指導(dǎo)人們設(shè)計與使用計算機，其更大的功能在于通過對計算及計算機的實現(xiàn)等機理的認識，反映客觀規(guī)律，并用以指導(dǎo)人們的社會生活。計算思維教育，就是通過對計算原理和過程的認識，掌握基本的計算方法，理解計算思維的本質(zhì)，從而學會應(yīng)用計算思維解決實際問題。計算思維教育可以落實到數(shù)學方法和工程方法的學習，如遞歸法、分治法以及形式化表達等方法，來理解計算思維的抽象、自動化等本質(zhì)屬性。

如果說，在高中或者大學階段可以通過實施計算機編程、計算機原理類的課程，來開展計算思維教育，那么，小學階段是否也能開展計算思維教育呢？小學階段的學生，尤其是低齡段的學生，主要依賴于無意注意，以具體形象思維為主，通過直觀感知事物的特征和規(guī)律。因此，在小學階段開展計算思維教育，不適合從枯燥的計算機原理性知識學習的途徑進行，而應(yīng)該采用滲透教育的方法，讓學生在有趣的作品制作過程中體驗和理解計算思維。第一，早期開展的中小學計算機編程等課程，盡管也涉及計算機原理部分的教學，但是往往過分關(guān)注具體的編程技術(shù)以及細節(jié)，而缺乏關(guān)注計算的本質(zhì)與思維。因此，在中小學開展計算思維教育，不是簡單的計算機原理或計算機編程的學習，也不是各種算法的學習，而是要通過適量的計算機知識與技能的學習，真正理解計算思維的本質(zhì)。第二，在小學開展計算思維教育，應(yīng)該有一個適合小學生的學習平臺或環(huán)境，具有趣味性、技術(shù)門檻低等特點，以便在教學過程中學生不必過多地關(guān)注操作性技能和規(guī)定。Kodu是一款游戲軟件開發(fā)工具，具有三維場景和模式化的編程方式，易學易用，是一個適合小學生使用的程序開發(fā)工具。第三，兒童化編程軟件融入小學信息科技的課堂，讓小學生從小接觸計算機編程，其目的不僅是讓學生學會編程，更是使其體驗一個程序完整的開發(fā)過程，知道計算機工作和解決問題的方式，從而發(fā)展學生的計算思維。“小學生Kodu趣味程序設(shè)計”課程的開發(fā)，就是將信息科技課堂實踐經(jīng)驗和資料積累向課程、教材和教學轉(zhuǎn)化，為小學的計算思維的普及教學提供載體。

計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化，下面是在小學開展Kodu編程教學中，滲透計算思維本質(zhì)教育的教學實踐。

在編程中體會抽象

所謂抽象，是指通過分析的途徑，運用概念在人腦中再現(xiàn)對象本質(zhì)的方法，從眾多的事物中抽取共同的、本質(zhì)性的特征，而舍棄其非本質(zhì)的特征。在小學階段，學生可以通過數(shù)學課感受數(shù)和形的抽象概念，但是通過計算思維教育，學生可以更全面地感受抽象。在兒童化編程的教學過程中，抽象也是必不可少的。學生學會抽象可以更容易找到編程的切入點，梳理游戲的規(guī)則，并且最終將游戲規(guī)則轉(zhuǎn)變?yōu)镵odu程序。下面通過案例《吃蘋果》來說明。

環(huán)節(jié)一：從故事抽象規(guī)則

上課伊始，教師出示游戲故事情境：我們的小伙伴Kodu擁有一個美麗的蘋果園，蘋果樹下落滿了成熟的蘋果，小伙伴Kodu要收集這些蘋果，并將蘋果搬運到自己的小屋里。然而，我們的小伙伴并不知道，有一個特別喜歡偷吃蘋果的壞蛋已經(jīng)盯上這里了。

教師然后提出問題，讓學生互相討論：根據(jù)這個故事情境，你可以制定怎樣的游戲規(guī)則？同時，教師出示相關(guān)的學習表格（如表1），輔助學生思考。

如果憑空討論，學生難免沒有頭緒，無從下手，或是異想天開，設(shè)想一些Kodu軟件無法實現(xiàn)的內(nèi)容。通過這樣的形式，教師引導(dǎo)學生有針對性地對故事情節(jié)進行分析和梳理，抽象出自己的游戲規(guī)則，學習表格不僅提供了抽象的方法，也為之后編寫程序提供了便利。

環(huán)節(jié)二：從規(guī)則編寫語句

制定了游戲規(guī)則，可以說是完成了編程的第一步，有了編寫程序的依據(jù)。這時，教師出示部分Kodu程序（如下圖）。

讓學生先讀一讀出示的程序，用“在什么情況，做什么事情”這樣的句式來翻譯這段程序，幫助學生熟悉“when-do”句式的含義。when就是條件，而do就是動作。接著提出問題，學生分析每一條游戲規(guī)則中，哪部分是條件，哪部分是動作。最后，學生理清所有的條件和動作，在Kodu中完成程序的編寫。

在制定計劃后，如果直接開始編寫程序，學生往往分不清楚條件和動作，會對教師提出諸如“when里面怎么沒有eat啊”“do里面怎么找不到bump”之類的問題。這些都反映了學生沒有搞清楚自己寫的程序，哪些是條件，哪些是動作。通過環(huán)節(jié)二，可以有效地幫助學生抽象出規(guī)則中的條件和動作，理解“when-do”句型，更加有效地完成Kodu程序的編寫。

對小學階段的學生來說，抽象概念的理解與運用是比較困難的。在Kodu編程實踐中，采用“故事情節(jié)→游戲規(guī)則→編程語句”的實踐路徑，可以有效引導(dǎo)學生體驗和運用抽象。

在編程中認識自動化

自動化是計算思維的本質(zhì)之一。所謂自動化，是指機器設(shè)備、系統(tǒng)或過程在沒有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，經(jīng)過自動檢測，實現(xiàn)預(yù)期目標的過程。與其他課程不同，計算機編程最大的特點就是自動化，利用計算機本身的功能，解決實際的問題。程序的執(zhí)行過程就是自動化的具體分析體現(xiàn)。在Kodu《捕魚達人》一課中，有Kodu、漁夫爺爺以及小魚等多個角色，程序代碼也比較復(fù)雜，教師通過教學程序調(diào)試的方法，讓學生感受計算機執(zhí)行語句和執(zhí)行結(jié)果的關(guān)系，同時促進學生理解自動化的意義。

環(huán)節(jié)一：體驗程序調(diào)試

在學生寫完程序之后，教師提出問題：現(xiàn)在大家的程序已經(jīng)編好，是不是可以直接提交給老師了呢？

大部分學生會不約而同地說出“不可以，還要檢查程序”。

教師繼續(xù)追問道：“那么在寫完程序之后，我們該如何檢查程序呢？”

有些學生說：“自己寫好以后把程序讀一讀，就會發(fā)現(xiàn)錯誤。”

教師提出一種調(diào)試程序的方法：運行程序→觀察程序→分析錯誤的程序→改進程序。讓學生按照這個方法測試，看能不能發(fā)現(xiàn)程序中的問題。

按照這個方式，不少學生都找到了自己程序中出現(xiàn)的部分。

環(huán)節(jié)二：理解程序執(zhí)行過程

教師提出問題：是誰告訴你們程序在哪里出錯了？并進一步闡述：計算機最大的一個特點就是自動化，它在運行程序時，是一條一條語句逐步執(zhí)行預(yù)先設(shè)計的任務(wù)。計算機一旦執(zhí)行了錯誤的程序，表現(xiàn)出的現(xiàn)象與你原來設(shè)計的要求不一致。你需要像計算機執(zhí)行程序一樣地思考，理解計算機執(zhí)行每一步語句應(yīng)該有的現(xiàn)象，與實際的執(zhí)行結(jié)果比較，根據(jù)錯誤的現(xiàn)象，找到錯誤的程序語句，并把它修改正確。

教師為學生提供了調(diào)試程序的學習單（如表2）。

學生依照教師提供的程序調(diào)試方法，對照游戲規(guī)則，對《捕魚達人》這個游戲進行調(diào)試，觀察并記錄錯誤現(xiàn)象。在找到錯誤之后，學生互相討論，分析解決這些問題的方法，修改程序，重復(fù)調(diào)試的環(huán)節(jié)，直到程序完全正確。

計算機是自動執(zhí)行程序的，但計算機的自動化是一個黑匣子，沒有辦法看到每一步程序的執(zhí)行過程，只能通過執(zhí)行結(jié)果來感受。對小學生來說，以程序調(diào)試為切入點，通過尋找計算機程序?qū)嶋H執(zhí)行結(jié)果與最初設(shè)計方案的不一致，讓學生嘗試像計算機執(zhí)行程序一樣思考執(zhí)行語句應(yīng)該對應(yīng)的動作，從而發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。這一過程既是程序調(diào)試的過程，也是理解自動化的過程。

2012年10月，英國宣布了新的ICT課程，將ICT學科的教學層次從基礎(chǔ)應(yīng)用型提升到創(chuàng)造發(fā)明型，要重視培養(yǎng)學生的計算思維。我國的信息技術(shù)教育也正從知識與技能的學習向能力與思維方式轉(zhuǎn)變，從信息技術(shù)的應(yīng)用向信息技術(shù)的創(chuàng)造轉(zhuǎn)變。我們希望通過基于計算思維為核心的“小學Kodu趣味程序設(shè)計”課程的實施讓小學生常有一些靈感迸發(fā)出來，讓這些閃光點成為一個意想不到的創(chuàng)意，讓學生在自主、合作、交流、思考的過程中，促進思維發(fā)展，在學會編程過程中，提高科學創(chuàng)新的能力。