劉慶歡

近年來，世界各國都非常重視對學生計算思維能力的培養(yǎng)。在教育部頒布的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中，計算思維被列為信息技術學科的核心素養(yǎng)之一。計算思維最早由周以真提出。計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。2013年，南安普敦大學的塞爾比和伍拉德在ISTE&CSTA操作定義的基礎上，基于計算思維的概念提煉出五大思維活動：抽象、分解、算法思維、評估、歸納。筆者參考歐盟委員會聯(lián)合研究中心2016年發(fā)布的《在義務教育階段發(fā)展計算思維研究報告》以及一些學者或研究機構的研究成果，將核心思維活動分為分解、模式識別、抽象、算法思維、評估和歸納6步。下面，筆者結合課例“智能時鐘”，從學科融合視角設計初中計算思維專題教學的內容和模式，介紹教學實施步驟和方法，探索新的教學途徑。

一、基于計算思維的教學模型

計算思維教育被理解為運用計算思維進行問題求解的過程，它所關注的不是簡單的知識學習和技能操練，而是讓學生通過獲取知識、應用知識、訓練技能、實踐應用的過程，內化為自己的思維并增長智慧^[1]。筆者基于計算思維的教學理念，設計了與之相對應的問題求解活動，使計算思維從內涵形式轉化為可操作、可評價的課堂教學行為。以計算思維的六大核心思維活動為“橋梁”，筆者構建了計算思維教學模型（如圖1）。

此模型主要包括以下三個層次的要素：①一個核心概念，即計算思維，也是模型的核心、出發(fā)點和落腳點。②六大核心思維活動，即分解、模式識別、抽象、算法思維、評估、歸納。以此對計算思維進行顯化，既詮釋了計算思維內涵，表征了計算思維特點，又易于學生理解和掌握，還有利于教師基于這些思維活動設計具體的問題求解活動，進行教學探索。③六步問題求解過程：首先，教師將復雜的問題分解成一系列小而易于管理的問題（分解）;其次，對這些小問題進行單獨觀察，考慮以前是否解決過類似問題（模式識別）;再次，分別研究這些小問題，忽略不相關的細節(jié)，僅關注其重要特征（抽象）;接著，設計解決每個小問題的簡單步驟或規(guī)則，形成解決問題的一組可執(zhí)行的指令（算法思維）;然后，對形成的問題解決方案進行評估，優(yōu)化方案并執(zhí)行（評估）^[2];最后，將具有共性的問題、過程、方法、數(shù)據(jù)等歸納為一種具有相似性的模型，并將此法遷移用于解決其他問題（歸納）。

此模型還實現(xiàn)了兩個層次的循環(huán)：“核心思維活動”循環(huán)和“問題求解”循環(huán)。

二、專題教學設計

計算思維是高中信息技術學科的核心素養(yǎng)之一，義務教育階段雖然還未提出，但是教師對此非常認可，常以此指導教學。目前，教材還沒有改版，計算思維培養(yǎng)始終貫穿于教學中，其中與之最為密切的內容是程序設計。然而，程序設計的教學側重學生學習編程語言、算法和相關知識，且只是計算思維中的一環(huán)（核心思維活動），在培養(yǎng)學生系統(tǒng)的計算思維方面有所欠缺。為提高學生能力，教師需要對現(xiàn)行教材進行統(tǒng)整和豐富，以項目為單位開展教學。初中計算思維專題教學就是在此背景下產生的。

筆者所指的學科融合是以主導學科（要學習的學科）為統(tǒng)領的、多學科參與的融合教育，未打破學科界限，也非簡單意義上的跨學科教育。這樣融合有利于為主導學科提供解決問題的情境、資源、方法和手段，有效地解決問題，更好地達成教學目標，并在問題解決的過程中全面培養(yǎng)學生的學習能力。雖然是多學科的參與和融入，但是學科之間還是有主次之分的，更多地體現(xiàn)主導學科的個性和特質，即主導學科是認知的主要對象和目標，其他學科充當輔助和支持的角色。這樣，學生能更好地學習主導學科知識，豐富學習資源，拓寬認知視野，鞏固和深化對被融合學科的認識和理解。

（一）教學內容選擇

筆者將計算思維作為一個專題單獨教學，選用網(wǎng)易有道卡搭（圖形化編程平臺）作為編程平臺，并應用教學模型，對教學內容進行選擇與設計。教學內容要求：首先，要符合初中生的認知特點，貼近他們的學習和生活;其次，要能與其他學科相融合，可以設計與學習相關的趣味小游戲或與生活相關的小程序;第三，所選內容要易于外顯和分享，且能調動學生的積極性，讓學生獲得成就感。

該專題安排在七年級下學期，分6個項目（3課時/項目）教學（見表1）。為引導和幫助學生，筆者針對每個項目設計了學習單，包括學習目標、情境引入、作品效果、任務分析、程序流程圖、知識加油站、小試牛刀、挑戰(zhàn)自我、知書達理、自我評價10個模塊。

（二）初中計算思維專題教學模式

筆者借鑒經(jīng)典思維教學程序研究成果，基于建構主義學習、認知發(fā)展、自主學習等理論，綜合了計算思維的思維活動研究、教學實踐成果和教學內容的要求，設計了基于核心思維活動的初中計算思維專題教學模式（如圖2）。

第一層，計算機學科知識層。計算機學科知識是教學的基礎。計算思維是建立在計算機科學的基礎概念之上的，是基于此而進行的求解問題、設計系統(tǒng)、理解人類行為和自動化處理解決方案的思維活動。初中階段的計算思維培養(yǎng)仍處于基礎階段，選擇什么樣的計算機學科知識應根據(jù)學生的認知水平?jīng)Q定。

第二層，學科融合層。筆者以學生所學其他學科內容為基礎創(chuàng)設問題情境，將所要傳授的知識、技術和方法包裹在問題之中。學生經(jīng)歷解決問題的過程，既訓練了計算思維，掌握了新知識，又鞏固了舊知識。筆者將計算思維培養(yǎng)貫穿于問題求解之中，設計的問題貼近學生的學習和生活。學科融合是教師設計計算思維問題的有效路徑。

第三層，計算思維核心思維活動層。筆者組織核心思維活動，使隱性的計算思維變?yōu)轱@性的教學行為。以核心思維活動為指導，應用計算思維解決問題的一般過程如下：①將復雜的問題分解成一系列小而易于管理的問題（分解） ;②對這些小問題進行單獨觀察和分析，考慮以前是否解決過類似的問題（模式識別）;③分別研究這些小問題，忽略不相關的細節(jié)，僅關注其重要特征（抽象）;④設計解決每個小問題的簡單步驟或規(guī)則（算法思維），形成解決問題的一組可執(zhí)行指令;⑤對形成的問題解決方案進行評估（評估），優(yōu)化方案并執(zhí)行;⑥將具有共性的問題、過程、方法、數(shù)據(jù)等歸納為具有相似性的模型（歸納），并將此法遷移用于解決其他問題。

第四層，教學環(huán)節(jié)層。筆者將計算思維的核心思維活動按照問題解決的一般步驟轉化為可執(zhí)行的教學環(huán)節(jié)。從教學實踐來看，評估對初中生來說有一定的難度。在教學中，教師如果完全按照“使用計算思維解決問題的一般步驟”組織教學，會發(fā)現(xiàn)學生在繪制流程圖后，基本無法對方案進行評估，而直接進入執(zhí)行解決問題方案的環(huán)節(jié)。筆者讓學生進行方案調試時，學生發(fā)現(xiàn)指令不夠優(yōu)化，以此觸發(fā)他們去完善算法指令（流程圖），其實這一過程就是在實踐的前提下進行評估。隨著生活閱歷和解決問題經(jīng)驗的不斷積累，漸漸地學生會在調試之前進行評估。另外，教師在“迭代測試，優(yōu)化方案”環(huán)節(jié)還可以給出建議，幫助學生評估所設計的算法指令。

第五層，教師活動。課堂上教與學的活動，是教師組織課堂教學手段和策略的具體體現(xiàn)。教師作為情境的創(chuàng)設者、問題的設計者、問題分析的組織者、問題解決的指導者與幫助者，應根據(jù)核心思維活動發(fā)生的順序，引導學生思考、分析、解決問題并建構知識。

第六層，學生活動。學生活動是學生在教師的指導下進行的一系列問題求解學習活動。學生在教師創(chuàng)設的問題情境中學習，界定問題、分析問題和解決問題，逐步掌握解決問題的方法，并能將獲取的方法遷移用于解決其他問題，進而提高計算思維能力。

三、案例分析

“智能時鐘”是與數(shù)學學科融合的一課。在時、分、秒的數(shù)量關系的基礎上，筆者引導學生觀察并標出時針、分針、秒針每秒鐘旋轉的度數(shù)，進而完成制作智能時鐘的任務。本節(jié)課的教學是建立在數(shù)學基礎之上的，核心是數(shù)學知識的運用和表達，而整個過程訓練的是學生運用計算思維進行問題求解的能力。

筆者創(chuàng)設“時間飛逝”的情境，提出“如何感受時間的存在”的問題，引導學生研發(fā)電子時鐘?！爸悄軙r鐘”的設計與實現(xiàn)分兩步完成：第一步，學生用圖形化編程中的重復執(zhí)行、向右旋轉、等待1秒等指令，實現(xiàn)準確計時功能（第1課時）;第二步，用圖形化編程中的重復執(zhí)行、面向……方向、目前的（時、分、秒、日期……）、運算符等指令，實現(xiàn)智能顯示計算機中的時間、日期、午別、周幾等信息（第2課時）。教學案例框架如下（如圖3）。

（一）創(chuàng)設情境，分解問題（分解）

學生根據(jù)筆者創(chuàng)設的“時間飛逝”情境，明確制作智能時鐘的問題，并將問題分解為時針、分針、秒針（以下簡稱“三針”）在表盤上有規(guī)律旋轉這樣一組小問題。

（二）討論交流，識別問題（模式識別）

學生以小組為單位，借助實物時鐘，分別觀察“三針”的運動情況，弄清它們之間的運動關系，然后聯(lián)想過往是否解決過類似的問題。

（三）抽象特征，組織數(shù)據(jù)（抽象）

筆者引導學生糾正一些錯誤的認識，忽略時、分、秒之間的數(shù)量關系，僅關注“三針”每秒鐘旋轉的角度，并計算或標出各針旋轉的角度。

（四）顯現(xiàn)思維，設計方案（算法思維）

筆者對問題進行梳理：每秒鐘“三針”都在獨立地旋轉，只是旋轉的角度不同，此時先忽略時、分、秒之間的數(shù)量關系。在上述基礎上，學生以組為單位繪制“三針”的程序流程圖。

（五）迭代測試，優(yōu)化方案（評估）

筆者介紹本節(jié)課圖形化編程所需要用到的一些新指令，如運算符、新建變量、偵測計算機中的時間等，然后讓學生進行方案的測試和優(yōu)化。筆者根據(jù)各組情況，適時給出優(yōu)化提示和指導。

（六）歸納遷移，分享評價（歸納）

筆者引導學生總結簡單電子時鐘開發(fā)的經(jīng)驗，進而完成智能顯示時鐘的創(chuàng)作，讓學生分享智能時鐘的設計理念、方案，評價時鐘性能。

計算思維作為人工智能時代的重要能力和基礎思維，其重要性日益凸顯，也是各國重視的原因所在。經(jīng)合組織（OECD）指出，計算機科學和計算思維可以培養(yǎng)學生應用解決問題、創(chuàng)造和協(xié)作的能力，并將測試計算思維的問題納入2021年國際學生評估項目（PISA）數(shù)學評估之中，以此評估學生邏輯或解決問題的能力。

筆者基于計算思維的教學理念開展學科融合教學，建立了計算思維內涵與問題求解活動的內在聯(lián)系，在一定程度上豐富了計算思維培養(yǎng)的理論基礎，為中小學開展計算思維教育提供參考。但由于研究能力有限，筆者尚不能提供相關數(shù)據(jù)證明上述模式的有效性。后續(xù)，筆者將借助科爾馬茲等人的計算思維量表和“北京大學計算思維測評”系統(tǒng)開展實證研究，獲取并分析學生的學習行為數(shù)據(jù)，以驗證該模型的有效性和科學性。

注：本文系廈門市第十二期中學學科帶頭人培養(yǎng)對象課題“指向核心技能特征的初中計算思維課程開發(fā)研究”（立項編號：XMZXXD202012055）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 龔靜，侯長林，張新婷.計算思維能力發(fā)展模型與教學程序研究[J].現(xiàn)代教育技術，2018（4）：48-54.

[2] 王榮良.中小學計算思維教育實踐[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2019.

（作者系北京師范大學廈門海滄附屬學校教師）