沈 賢

（常州市外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，江蘇 常州 213000）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)日趨重視。2011年美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)科教師協(xié)會(huì)啟動(dòng)了計(jì)算思維的能力培養(yǎng)方向；2013年開(kāi)始英國(guó)將計(jì)算思維的培養(yǎng)作為中小學(xué)信息技術(shù)課程的主要方向；2016年，我國(guó)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一；2018年，蘇科版初中教材中更是加入了眾多與計(jì)算思維培養(yǎng)相關(guān)的章節(jié)，由此可見(jiàn)對(duì)于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)已經(jīng)到了刻不容緩的地步。筆者通過(guò)課堂觀察發(fā)現(xiàn)課前的有效預(yù)設(shè)有助于初中學(xué)生計(jì)算思維能力的提高，為此展開(kāi)進(jìn)一步的觀察研究。有效預(yù)設(shè)是為了能在課堂教學(xué)中對(duì)大多數(shù)學(xué)生在計(jì)算思維方面的知識(shí)技能的培養(yǎng)，情感態(tài)度、價(jià)值觀的養(yǎng)成，行為與創(chuàng)新能力的提升起到積極的作用?；诖?，我們成立專門研究小組，通過(guò)課堂觀察法來(lái)分析、評(píng)價(jià)初中信息技術(shù)課堂中的有效預(yù)設(shè)對(duì)于學(xué)生計(jì)算思維養(yǎng)成的影響，以期對(duì)初中信息技術(shù)的后續(xù)教學(xué)提供指導(dǎo)和借鑒。

一、計(jì)算思維的概念與內(nèi)涵

計(jì)算思維源自2006年美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任Jeannette M.Wing的《Computational Thinking》一文，文章中提出：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。文章認(rèn)為我們除了要培養(yǎng)學(xué)生閱讀文章、書寫文字、數(shù)學(xué)運(yùn)算的能力，還要培養(yǎng)計(jì)算思維的技能。由于計(jì)算機(jī)的普及和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，計(jì)算思維對(duì)于社會(huì)的進(jìn)步、人類的發(fā)展也愈來(lái)愈重要。[1]此后，計(jì)算思維得到了計(jì)算機(jī)界和教育界的關(guān)注。

計(jì)算思維其實(shí)是我們思考如何用計(jì)算機(jī)來(lái)解決問(wèn)題過(guò)程中所采用的方法與策略。在2013年由南安普頓大學(xué)的兩位博士提出的計(jì)算思維的五個(gè)要素對(duì)于人們理解計(jì)算思維具有非常重要的借鑒意義，它們分別是算法思維、評(píng)估、分解、抽象與概括。本文研究的重點(diǎn)就在于研究如何將這五個(gè)要素滲透入課前的有效預(yù)設(shè)中。由此，筆者在此對(duì)這五個(gè)要素提出自己的思考與理解。[2]

1.算法思維

《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書 （數(shù)學(xué)3必修）》（人民教育出版社）中算法的概念為：“通常指可以用計(jì)算機(jī)來(lái)解決的某類問(wèn)題的程序或步驟，這些程序或步驟必須是明確和有效的，而且能夠在有限步內(nèi)完成?！彼惴ㄋ季S可以說(shuō)是綜合了數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的一種特殊思維。

算法思維是計(jì)算思維的核心，最早將算法思維運(yùn)用于計(jì)算機(jī)運(yùn)算可以追溯到二戰(zhàn)期間，計(jì)算機(jī)科學(xué)之父圖靈為了破解德國(guó)著名密碼系統(tǒng)Enigma，制造了一臺(tái)能夠破解Enigma密碼的計(jì)算機(jī)，制造過(guò)程中大量使用了算法思維。為了能使學(xué)生明白算法思想，我們經(jīng)常以狼、羊、菜過(guò)河為例來(lái)說(shuō)明算法思維。狼、羊、菜要過(guò)河，狼吃羊，羊吃菜，一次只能帶一件物品過(guò)河。思考過(guò)程如表1所示，在整個(gè)過(guò)程中必須考慮到狼和羊、羊和菜不能共存，狼和菜可以共存的特殊性，利用三個(gè)特性進(jìn)行思考，學(xué)生可能需要多次嘗試才能得到正確的解題思路，但這正是算法思維能力提高的過(guò)程，能夠培養(yǎng)學(xué)生更為全面、有效地思考問(wèn)題、分析問(wèn)題進(jìn)而解決問(wèn)題的能力。

表1 狼、羊、菜算法流程

2.評(píng)估

評(píng)估的外延非常寬泛，這里特指學(xué)生在開(kāi)展思考解決問(wèn)題過(guò)程中所用的方式方法，可從兩個(gè)方面來(lái)理解：①在解決問(wèn)題之前，它是對(duì)解決問(wèn)題方式的規(guī)劃，只有準(zhǔn)確的評(píng)估才能找到解決問(wèn)題的最佳途徑。同時(shí)也要評(píng)估解決問(wèn)題的方法是否合理與正確。②在解決問(wèn)題過(guò)程中，通常在解決一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，我們都需要不斷嘗試各種的方式方法，直到尋求到最合適的方法，在此過(guò)程中不斷進(jìn)行評(píng)估，這時(shí)的評(píng)估尤為重要。

3.分解

分解是把一個(gè)大問(wèn)題分解為多個(gè)可以解決的小問(wèn)題來(lái)解決。在問(wèn)題分解時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循MECE原則，即彼此獨(dú)立、毫無(wú)遺漏。彼此獨(dú)立的原則在程序設(shè)計(jì)中體現(xiàn)為“函數(shù)”，例如abs函數(shù)，當(dāng)我們使用它時(shí)得到的結(jié)果是某個(gè)數(shù)的絕對(duì)值。毫無(wú)遺漏是指分解的全面性，要把問(wèn)題的所有方面都模塊化，這樣才能保證問(wèn)題的順利解決。對(duì)于初中生，以做家務(wù)來(lái)解釋分解思想，做家務(wù)包括掃地、洗衣服、燒飯等，我們把掃地交給掃地機(jī)器人，把洗衣服交給洗衣機(jī)，把燒飯交給電飯鍋，我們不用知道它們是如何運(yùn)作的，但是它們會(huì)把處理成功的結(jié)果反饋給我們。通過(guò)分解的方式解決了多個(gè)小問(wèn)題，當(dāng)然最后也完成了“做家務(wù)”這個(gè)大問(wèn)題。[3]

4.抽象

抽象是我們處理問(wèn)題的常見(jiàn)方式，在使用時(shí)會(huì)隱藏一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，刪除不重要的內(nèi)容，使得問(wèn)題的主干更加突出，利于我們解決主要問(wèn)題。例如，對(duì)蘋果、香蕉、梨等進(jìn)行抽象時(shí)，我們都把它們歸納為水果，要去除干擾信息找到其本質(zhì)。抽象其實(shí)是一種由現(xiàn)象到本質(zhì)的必然過(guò)程，我們?cè)谔幚韱?wèn)題時(shí)找出其中的必然規(guī)律就是一個(gè)抽象的過(guò)程，然后運(yùn)用這個(gè)規(guī)律解決類似的問(wèn)題，使得問(wèn)題處理更加容易，這便是抽象在計(jì)算思維中獨(dú)樹(shù)一幟的特征。

5.概括

概括是對(duì)于已經(jīng)解決完的問(wèn)題提供的一種快速解決新問(wèn)題的方法。很多相似問(wèn)題都是衍生、變化出的新內(nèi)容，這些新的內(nèi)容是以原有問(wèn)題為基礎(chǔ)的，所以在解決問(wèn)題時(shí)可以通過(guò)一些特定的算法進(jìn)行處理，使其能夠解決類似的問(wèn)題，從而提高處理問(wèn)題的效率。例如在中國(guó)古代有“百錢買百雞”的問(wèn)題，通常我們會(huì)用枚舉的方式把公雞、母雞及小雞的所有情況用雙重循環(huán)進(jìn)行求解，遇到滿足條件的情況就輸出結(jié)果并退出循環(huán)。通過(guò)概括得到“枚舉”的算法思想。概括使我們可以完成一種思維方式的遷移，并且用來(lái)解決同類的問(wèn)題。

二、有效預(yù)設(shè)與計(jì)算思維

1.有效預(yù)設(shè)改善計(jì)算思維

在計(jì)算思維培養(yǎng)的初期，不能期望學(xué)生立刻形成計(jì)算思維的方式，這時(shí)預(yù)設(shè)的起點(diǎn)會(huì)比較低，通常會(huì)用易于思維的例子為引導(dǎo)，提高學(xué)生思維的積極性與活躍度，以期待學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度的轉(zhuǎn)變。

2.有效預(yù)設(shè)促進(jìn)計(jì)算思維

在計(jì)算思維培養(yǎng)的中期，由于學(xué)習(xí)態(tài)度及思維方式已有了改觀，這時(shí)在預(yù)設(shè)中可以給學(xué)生一定的計(jì)算思維的方法，這些方法可以幫助學(xué)生訓(xùn)練計(jì)算思維的能力，使得學(xué)生使用計(jì)算思維進(jìn)行思考成為一種常態(tài)。

3.有效預(yù)設(shè)提高計(jì)算思維

在計(jì)算思維培養(yǎng)的最終階段，學(xué)生的思維能力已經(jīng)達(dá)到一定的水平，這時(shí)我們的預(yù)設(shè)應(yīng)是能最大限度促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的，已經(jīng)由簡(jiǎn)單的引導(dǎo)發(fā)展至為學(xué)生鋪設(shè)逐步提高的階梯，使得學(xué)生可以拾階而上，達(dá)到計(jì)算思維能力顯著提高的目標(biāo)。

三、基于有效預(yù)設(shè)來(lái)培養(yǎng)計(jì)算思維的課堂觀察

1.課堂事件

選擇普通班七年級(jí)（1）班作為研究對(duì)象，以七年級(jí)第2章第1節(jié)中的《認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)》為課例。以計(jì)算機(jī)5大邏輯部件為探究基礎(chǔ)，通過(guò)4個(gè)探究活動(dòng)來(lái)組織課堂教學(xué)。為方便研究，將課堂劃分為表2所示的6個(gè)“事件”進(jìn)行分析。

2.基于計(jì)算思維能力的課堂分析

課后，參與觀察的諸位教師就本節(jié)課中針對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的部分展開(kāi)了討論。多數(shù)教師認(rèn)為，本節(jié)課的有效預(yù)設(shè)能夠達(dá)到學(xué)生掌握知識(shí)，從而完成知識(shí)能力擴(kuò)展的目的，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的提高有幫助。但在不同的課堂事件中，學(xué)生的能力提高還存在許多差異。為進(jìn)一步探究原因，我們根據(jù)聽(tīng)課教師的隨堂觀察記錄及課堂錄像對(duì)本課進(jìn)行了更深層次的分析。

（1）算法思維的養(yǎng)成

表2 教學(xué)流程分析表

本節(jié)課算法思維體現(xiàn)在以馮諾依曼結(jié)構(gòu)為核心的處理問(wèn)題方式方法。從認(rèn)識(shí)CPU到了解其基本組成是“運(yùn)算器”與“控制器”，從常見(jiàn)的外存儲(chǔ)器到神秘的內(nèi)存儲(chǔ)器都是為了馮諾依曼結(jié)構(gòu)作為鋪墊，希望通過(guò)這些預(yù)設(shè)，讓學(xué)生明白5大邏輯部件的作用，為說(shuō)明其工作方式做鋪墊。這里期望學(xué)生能以自主探究的方式討論得到數(shù)據(jù)在整個(gè)計(jì)算機(jī)中的流轉(zhuǎn)過(guò)程，從“輸入設(shè)備”到“存儲(chǔ)器”，再到“運(yùn)算器”后返回“存儲(chǔ)器”后由“輸出設(shè)備”輸出結(jié)果。學(xué)生通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)原理的理解，促使學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)內(nèi)部整體數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的理解，從而培養(yǎng)其計(jì)算思維的能力。

（2）評(píng)估方式的選擇

以存儲(chǔ)器為例來(lái)對(duì)有效預(yù)設(shè)作出說(shuō)明。有效預(yù)設(shè)是從三種不同儲(chǔ)存介質(zhì)的參數(shù)比較開(kāi)始，給出三種介質(zhì)對(duì)比的參數(shù)，學(xué)生自主探究后通過(guò)提問(wèn)方式考察學(xué)生計(jì)算思維的“評(píng)估”能力。課堂對(duì)話如表3所示。

表3 課堂對(duì)話

通過(guò)有效預(yù)設(shè)，期待學(xué)生能對(duì)各類存儲(chǔ)器做出準(zhǔn)確的評(píng)估。同時(shí)，有效預(yù)設(shè)應(yīng)是符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的，這樣才能促使學(xué)生評(píng)估能力的提高。

（3）分解的常見(jiàn)方法

計(jì)算機(jī)通常作為一個(gè)整體出現(xiàn)在我們面前，其內(nèi)部的每種部件功能各不相同，有效預(yù)設(shè)從對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的拆解開(kāi)始，拆解計(jì)算機(jī)能激發(fā)學(xué)生探究計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的興趣。在學(xué)生秉著“彼此獨(dú)立、毫無(wú)遺漏”的思想來(lái)分解一臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，正是學(xué)生“分解”思維能力提高的時(shí)候。普通課堂一般以講授為主，其活動(dòng)記錄見(jiàn)表4。有效預(yù)設(shè)的課堂采取小組合作探究的方式來(lái)解決問(wèn)題，其活動(dòng)記錄見(jiàn)表5，可以發(fā)現(xiàn)小組探究式的學(xué)習(xí)方式充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。[4]

表4 普通課堂表

5 有效預(yù)設(shè)課堂

包含“分解”思想的預(yù)設(shè)是期望學(xué)生能由整體到局部逐步理解計(jì)算機(jī)的構(gòu)成，為邏輯部件的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

（4）抽象的過(guò)程與結(jié)果

抽象是歸納事物本質(zhì)的一種方式，本節(jié)課的抽象放在整堂課的最后，如果教師由計(jì)算機(jī)5大邏輯部件的展開(kāi)來(lái)介紹計(jì)算機(jī)的構(gòu)成，會(huì)打消學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使課堂缺乏抽象的思維過(guò)程。筆者在預(yù)設(shè)時(shí)采用探究計(jì)算機(jī)的硬件組成的方式作為引入點(diǎn)，一步步引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的硬件組成，在最后抽象為邏輯部件就變得理所當(dāng)然。例如把顯示器、打印機(jī)、音箱、耳機(jī)等歸類為輸出設(shè)備就是一種抽象方式。有效預(yù)設(shè)符合學(xué)生的認(rèn)知，通過(guò)從現(xiàn)象的探究到本質(zhì)的抽象，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高。

（5）概括的合理有效

此次研究課以思維導(dǎo)圖的方式幫助學(xué)生概括計(jì)算機(jī)的基本組成。預(yù)設(shè)時(shí)從5大邏輯部件開(kāi)始，在引導(dǎo)學(xué)生思考的過(guò)程中，學(xué)生可以很容易得到思維導(dǎo)圖，從而概括出本節(jié)課的重點(diǎn)難點(diǎn)。通過(guò)引導(dǎo)性概括，期望學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的整體結(jié)構(gòu)有更深的了解，由此及彼，在今后的學(xué)習(xí)中也能以思維導(dǎo)圖的方式概括與整理知識(shí)，培養(yǎng)其對(duì)知識(shí)概括的能力，使得相似知識(shí)的遷移變?yōu)榭赡堋?/p>

四、改進(jìn)課堂，促使學(xué)生計(jì)算思維能力提高的策略

通過(guò)課堂分析，筆者認(rèn)為在信息技術(shù)教學(xué)課堂中，通過(guò)在預(yù)設(shè)中考慮計(jì)算思維的五個(gè)要素對(duì)于逐步培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力是有效的，以下是針對(duì)五要素所做的策略構(gòu)建：

1.尊重學(xué)生差異，突出學(xué)生個(gè)性發(fā)展，促使算法思維的提升

學(xué)生之間的差異是教學(xué)中無(wú)法回避的問(wèn)題，有效預(yù)設(shè)應(yīng)當(dāng)做到設(shè)置有層次結(jié)構(gòu)的任務(wù)來(lái)幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。計(jì)算思維能力強(qiáng)的學(xué)生，會(huì)評(píng)估任務(wù)的可行性，會(huì)把任務(wù)逐步分解為多個(gè)任務(wù)，會(huì)把一般的問(wèn)題抽象為特定的情況，更會(huì)概括所學(xué)的內(nèi)容，但計(jì)算思維最核心的仍然是算法思維。相同的問(wèn)題從1加到100，選擇的算法不同，所產(chǎn)生的結(jié)果也不一樣，所以對(duì)于教師來(lái)說(shuō)要顧及到每位學(xué)生的難度很大，可以通過(guò)一般模式的思維訓(xùn)練來(lái)提升學(xué)生思維品質(zhì)，同時(shí)也要設(shè)計(jì)符合學(xué)生個(gè)性發(fā)展的有效預(yù)設(shè)來(lái)促使每位學(xué)生在課堂中均有所得，以期待學(xué)生計(jì)算思維能力得到提高。

2.教學(xué)目標(biāo)的彈性化，以期學(xué)生評(píng)估能力的提升

備課最困難的是備學(xué)生，學(xué)情通常是千差萬(wàn)別，學(xué)生之間有智力差異及喜歡與偏好，預(yù)設(shè)準(zhǔn)備的再充分也會(huì)碰到需要調(diào)整的情況，所以課堂教學(xué)不僅需要教師的淵博知識(shí)及臨場(chǎng)應(yīng)變能力，還需要有“第二套”方案。這時(shí)彈性化的教學(xué)目標(biāo)就顯得尤為重要，書本的教學(xué)目標(biāo)只是課堂教學(xué)的參考，真正的課堂主體是學(xué)生，大部分學(xué)生能達(dá)到的目標(biāo)才是好的教學(xué)目標(biāo)。在計(jì)算思維培養(yǎng)過(guò)程中，學(xué)生不再是以技能培訓(xùn)為目的，而是以思維訓(xùn)練為目標(biāo)，計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的方法往往不止一種，其中包含了最優(yōu)算法與普通算法，在預(yù)設(shè)時(shí)設(shè)定彈性的教學(xué)目標(biāo)，在自我評(píng)估的基礎(chǔ)上學(xué)生自主選擇思維訓(xùn)練的層次，使得普通學(xué)生的思維得到了訓(xùn)練，優(yōu)秀的學(xué)生也能學(xué)有所得，這是計(jì)算思維培養(yǎng)的雙贏。

3.放慢教學(xué)節(jié)奏，等待分解能力的養(yǎng)成

張文質(zhì)先生提出過(guò)“慢教育”的教育思想，教育的變化是非常緩慢與細(xì)微的，它需要我們慢下來(lái)，計(jì)算思維的培養(yǎng)也是如此，我們不期待一節(jié)課的思維訓(xùn)練就能成就學(xué)生的快速成長(zhǎng)。通過(guò)充分的預(yù)設(shè)，使得學(xué)生養(yǎng)成和計(jì)算機(jī)相似的思維習(xí)慣，能對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行“彼此獨(dú)立、毫無(wú)遺漏”的處理，這便是計(jì)算思維中的分解能力，從而用簡(jiǎn)單但最有效的方式來(lái)處理問(wèn)題，全方位考慮存在的可能性，讓思維縝密成為一種習(xí)慣。

4.課堂內(nèi)的多元對(duì)話，促進(jìn)抽象能力的培養(yǎng)

課堂的主體是學(xué)生，優(yōu)秀的教師可以通過(guò)問(wèn)題的引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)造性。課堂內(nèi)的多元對(duì)話是一種對(duì)話方式的變革。首先，我們可以從一問(wèn)一答的模式過(guò)渡到“眾說(shuō)紛紜”的模式，課前預(yù)設(shè)的問(wèn)題，在學(xué)生那里可以得到多種不同的結(jié)果，這便是思維的過(guò)程，教師選取其中有價(jià)值的部分進(jìn)行再討論，又是一個(gè)合理對(duì)話的過(guò)程；其次，對(duì)話的層次應(yīng)當(dāng)追尋“由淺至深”的規(guī)律，預(yù)設(shè)的問(wèn)題剛開(kāi)始可以很淺顯，但是最終一定要有升華的過(guò)程，計(jì)算思維的培養(yǎng)說(shuō)到底還是需要培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜的思維方式，最終完成從知識(shí)表象至知識(shí)本質(zhì)的思考過(guò)程，抽象出最主要的內(nèi)容，完成能力的提升。[5]

5.提問(wèn)的實(shí)效性，幫助提升概括能力

有效預(yù)設(shè)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的前提條件，教師課堂上給學(xué)生提出的問(wèn)題應(yīng)該經(jīng)過(guò)篩選和提煉，也就是我們所說(shuō)的實(shí)效性。一個(gè)無(wú)意義的或者說(shuō)沒(méi)有思維價(jià)值的問(wèn)題對(duì)學(xué)生是有害的，輕者打亂思維的連貫性，重者把學(xué)生引入歧途。因此，在進(jìn)行預(yù)設(shè)準(zhǔn)備時(shí)需要考慮學(xué)生、教材特點(diǎn)等多方面的因素，通過(guò)有實(shí)效性的提問(wèn)逐步幫助學(xué)生理清思路，能在課堂內(nèi)完成對(duì)知識(shí)的概括，提升其概括能力，從而提高其計(jì)算思維能力。