袁婷　肖冰

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；OBE；CDIO；Scratch；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）12-0122-04

1 引言

周以真教授于2006年首次提出“計(jì)算思維”的概念[1]，之后很多國(guó)家都頒布了相關(guān)的政策文件，促進(jìn)國(guó)內(nèi)計(jì)算思維教育的發(fā)展。我國(guó)新推出的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》已將計(jì)算思維列為學(xué)科核心素養(yǎng)之一[2]，從思維的角度闡述了信息科技學(xué)科的培養(yǎng)目標(biāo)。隨著國(guó)家課程改革的推進(jìn)，小學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)越發(fā)受到重視，編程教育是一個(gè)很好的承載體。Scratch作為一款積木式的編程軟件，操作簡(jiǎn)單且容易理解，整體設(shè)計(jì)符合兒童的認(rèn)知特征，是培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的重要抓手。然而目前指向計(jì)算思維培養(yǎng)的Scratch教學(xué)大多采取“重步驟、偏模仿”的教學(xué)模式，學(xué)生通過模仿范例來學(xué)習(xí)，缺少深入思考，對(duì)程序設(shè)計(jì)的過程及方法理解不到位，致使學(xué)生在課程后期缺乏創(chuàng)造力，無(wú)法將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)靈活應(yīng)用[3]，因而不能有效地促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的發(fā)展。

OBE-CDIO是一種指向?qū)W生高階思維能力培養(yǎng)的教育理念，近年來受到了學(xué)者的普遍關(guān)注，在計(jì)算思維的培養(yǎng)中也得以應(yīng)用。學(xué)者在Scratch編程教學(xué)中融入OBE理念[4]、在Python課程中引入CDIO理念[5]構(gòu)建新的教育模式，實(shí)踐表明，研究構(gòu)建的模式可以鍛煉小學(xué)生的計(jì)算思維，保證教學(xué)質(zhì)量，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足。雖然已有研究對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)展開了一定的實(shí)踐，但在小學(xué)階段將OBE和CDIO理念融合運(yùn)用于計(jì)算思維培養(yǎng)的研究還處于起步階段，在Scratch課程中探索構(gòu)建基于OBE-CDIO理念、培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模式，是信息科技教學(xué)值得探索的問題。基于此，本研究在Scratch課程中構(gòu)建OBECDIO教學(xué)模式及實(shí)施流程，以期為以小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)為目標(biāo)的課程教學(xué)提供參考。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 計(jì)算思維

2006年周以真教授首先提出：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、理解人類行為的一系列思維活動(dòng)[1]。此后多名研究者對(duì)計(jì)算思維展開了深入研究，當(dāng)前有關(guān)計(jì)算思維模型或者框架的定義，大體可以分為兩部分，一是敘述思維過程，二是確定計(jì)算思維能力的要素。從思維過程來看，計(jì)算思維是對(duì)問題進(jìn)行邏輯分析和分解、得出詳細(xì)的解決方案、進(jìn)行算法設(shè)計(jì)并實(shí)施，最后反思與優(yōu)化的思維過程[6]。從能力要素來看，計(jì)算思維的核心技能可分為問題解決能力、算法思維、批判性思維、合作能力和創(chuàng)造力五個(gè)維度[7]。

2.2 OBE-CDIO

OBE-CDIO是OBE和CDIO相融合的教育理念，其中OBE（Outcomes-based Education） 是以能力為導(dǎo)向的教育理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)成效并以此驅(qū)動(dòng)教學(xué)過程，從能力和學(xué)習(xí)成果出發(fā)，逆向建構(gòu)教學(xué)過程，區(qū)別于依據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)和組織教學(xué)環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)模式[8]。CDIO（構(gòu)思－設(shè)計(jì)－實(shí)施－運(yùn)行）是近年來國(guó)際工程教育改革的最新成果，以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體實(shí)施教學(xué)，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)更具主動(dòng)性和實(shí)踐性，以此模式培養(yǎng)的學(xué)生在未來的企業(yè)和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)中會(huì)更有優(yōu)勢(shì)[9]。OBE以學(xué)習(xí)成效為導(dǎo)向來組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)教育，注重解決“做什么”的問題，也就是學(xué)生應(yīng)該具備的知識(shí)、能力和素質(zhì)；CDIO根據(jù)學(xué)習(xí)成效來確定課程內(nèi)容、教學(xué)方法及評(píng)價(jià)方式，注重解決“怎么做”的問題，也就是如何使學(xué)生具備相應(yīng)的知識(shí)、能力和素質(zhì)；將兩者融合得到的OBE-CDIO理念，應(yīng)用到新一代信息技術(shù)人才的培養(yǎng)中具有一定的實(shí)踐意義[10]。

2.3 計(jì)算思維與OBE-CDIO 的契合之處

OBE理念重視能力培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在經(jīng)歷學(xué)習(xí)活動(dòng)后應(yīng)具備的能力及學(xué)習(xí)成效，教學(xué)活動(dòng)與評(píng)價(jià)也圍繞學(xué)習(xí)成效展開，該理念的關(guān)鍵是衡量學(xué)生能做什么[8]。而計(jì)算思維是關(guān)于人的內(nèi)在品質(zhì)的概念，強(qiáng)調(diào)在真實(shí)情境面前，利用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想、策略、方法和技術(shù)解決特定問題的能力[11]，這與OBE理念倡導(dǎo)的能力導(dǎo)向不謀而合。同樣的，CDIO理念的四個(gè)環(huán)節(jié)能集中體現(xiàn)計(jì)算思維的思維過程，其中“構(gòu)思”指對(duì)問題進(jìn)行分析和設(shè)想（對(duì)應(yīng)計(jì)算思維的問題邏輯分析和分解），“設(shè)計(jì)”指利用流程圖等方式表達(dá)解決思路（對(duì)應(yīng)計(jì)算思維的得出解決方案），“實(shí)施”指進(jìn)行實(shí)際操作以達(dá)到目標(biāo)（對(duì)應(yīng)計(jì)算思維的算法設(shè)計(jì)并實(shí)施），“運(yùn)行”指對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)以便反思優(yōu)化方案（對(duì)應(yīng)計(jì)算思維的反思與優(yōu)化）[5]。因此，OBE-CDIO理念適用于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

3 面向計(jì)算思維培養(yǎng)的OBE-CDIO 教學(xué)模式

本文結(jié)合近些年研究者的理論成果，構(gòu)建出一套適合培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模式（見圖1） 。面向計(jì)算思維培養(yǎng)的OBE-CDIO教學(xué)模式包含任務(wù)預(yù)習(xí)、成果展示、知識(shí)學(xué)習(xí)、內(nèi)化吸收、小組展示和知識(shí)遷移六個(gè)環(huán)節(jié)。

3.1 任務(wù)預(yù)習(xí)

在課前教師提出預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生以小組合作的方式（2～3人為一組）進(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計(jì)。構(gòu)思是指通過觀察日常生活和查閱相關(guān)資料，分析預(yù)習(xí)任務(wù)需要解決的是一個(gè)什么樣的問題，這個(gè)問題是否可以分解為多個(gè)小問題。設(shè)計(jì)是指學(xué)生可用文字、圖片等任意形式來表達(dá)解決該問題的算法流程，以便理清問題解決的思路。將構(gòu)思和設(shè)計(jì)作為預(yù)習(xí)任務(wù)，可以給學(xué)生留出充足的時(shí)間進(jìn)行問題思考、觀察和表達(dá)，并且在此過程中小組成員可以隨時(shí)交流想法、集思廣益，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)造力和合作能力。

3.2 成果展示

在每節(jié)課的開始，教師邀請(qǐng)各小組上臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)任務(wù)的成果展示，小組成員從構(gòu)思和設(shè)計(jì)的角度細(xì)致講解該任務(wù)，教師和其他學(xué)生對(duì)小組方案進(jìn)行提問和點(diǎn)評(píng)，最后教師以流程圖或思維導(dǎo)圖的形式，總結(jié)預(yù)習(xí)任務(wù)涉及的問題和問題解決的詳細(xì)步驟。在這個(gè)過程中，全班同學(xué)一起經(jīng)歷“頭腦風(fēng)暴”，使得學(xué)生不再拘泥于一種思路，學(xué)會(huì)思考其他解決方案的優(yōu)點(diǎn)和不足，有利于鍛煉學(xué)生的批判性思維。

3.3 知識(shí)學(xué)習(xí)

學(xué)生對(duì)問題及問題解決方案逐漸明確后，教師以提問、板書、PPT等多種形式講解知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生邊理解邊記錄學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。之后教師結(jié)合軟硬件教具，介紹與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的程序積木和硬件模塊，并按照之前總結(jié)的問題解決步驟編寫程序，最后將程序錄入硬件模塊，引導(dǎo)學(xué)生觀察作品效果，調(diào)試程序直到與預(yù)期效果一致。

3.4 內(nèi)化吸收

學(xué)生學(xué)完知識(shí)點(diǎn)后，打開軟件自行編寫程序，結(jié)合硬件調(diào)試程序，以促進(jìn)知識(shí)的內(nèi)化吸收，如有問題可請(qǐng)教組內(nèi)成員或者舉手問老師。在實(shí)際問題情境中，學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)、編寫、調(diào)試和反思程序的過程，能夠提高其算法思維和問題解決能力。

3.5 小組展示

各小組完成程序后，依次上臺(tái)展示本組編寫的程序和實(shí)現(xiàn)效果、講解編寫的思路和涉及的程序知識(shí)點(diǎn)，教師進(jìn)行針對(duì)性點(diǎn)評(píng)，并從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行的角度總結(jié)該任務(wù)，讓學(xué)生在交流中鞏固知識(shí)。小組上臺(tái)展示時(shí)，小組成員各司其職，有人負(fù)責(zé)講解，有人負(fù)責(zé)作品展示，有利于鍛煉學(xué)生的合作能力。此外，學(xué)生通過觀察其他小組的問題解決過程和作品制作，能夠促進(jìn)其批判性思維的發(fā)展。

3.6 知識(shí)遷移

教師提出新的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生按照構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行的步驟，運(yùn)用本節(jié)課和之前學(xué)習(xí)的知識(shí)獨(dú)立解決問題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移。然后教師邀請(qǐng)部分學(xué)生上臺(tái)展示解決方案，并對(duì)這些方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，最后對(duì)該任務(wù)的解決思路進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。新舊學(xué)習(xí)任務(wù)有較大的相似性，但是又略有不同，學(xué)生自主進(jìn)行探究，有助于及時(shí)鞏固所學(xué)，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維和問題解決能力。

以上六個(gè)環(huán)節(jié)以兩個(gè)任務(wù)為核心，保證學(xué)生每節(jié)課都能從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行的角度解決實(shí)際問題，符合CDIO理念的實(shí)現(xiàn)要求。在整個(gè)教學(xué)過程中始終堅(jiān)持能力導(dǎo)向，以計(jì)算思維五個(gè)部分的能力培養(yǎng)為目標(biāo)、反向設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，使每個(gè)教學(xué)活動(dòng)都目標(biāo)明確；對(duì)于學(xué)生的預(yù)習(xí)和課堂表現(xiàn)，采取教師評(píng)價(jià)為主、學(xué)生組內(nèi)和組間評(píng)價(jià)為輔的方式，結(jié)合課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容從創(chuàng)造力、算法思維等五個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)定；對(duì)于期末測(cè)試，選取和學(xué)生生活相關(guān)的問題，引導(dǎo)他們按照構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行的步驟給出解決方案并制作作品，教師從創(chuàng)造力、算法思維等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，此外測(cè)試時(shí)允許學(xué)生自帶兩張A4紙張大小的手寫資料，目的是讓他們擺脫繁重的記憶工作，將更多的精力放在知識(shí)點(diǎn)的理解和問題的解決思路上。以上對(duì)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)活動(dòng)和評(píng)價(jià)過程的設(shè)計(jì)，滿足OBE理念的實(shí)施要求。

4 面向計(jì)算思維培養(yǎng)的OBE-CDIO 教學(xué)案例

本研究以上海市某小學(xué)Scratch編程社團(tuán)課為依托，課程內(nèi)容包含聲控?zé)?、水果鋼琴、警?bào)燈、噪音探測(cè)器、超聲波測(cè)距儀、亮度測(cè)量器、指示小夜燈、簡(jiǎn)易手機(jī)云臺(tái)等15個(gè)和學(xué)生生活緊密相關(guān)的作品。該課程使用圖形化編程軟件Codecraft（基于Scratch3.0平臺(tái)研發(fā)而成），配套操作簡(jiǎn)單、易連接的硬件設(shè)備Grove Zero，實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)合，提高小學(xué)生編程學(xué)習(xí)的實(shí)踐性。下面以“警報(bào)燈”課程為例，從任務(wù)預(yù)習(xí)、成果展示、知識(shí)學(xué)習(xí)、內(nèi)化吸收、小組展示和知識(shí)遷移六個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行案例分析。

4.1 任務(wù)預(yù)習(xí)

在課前教師預(yù)告本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)是制作“警報(bào)燈”，要求學(xué)生通過觀察日常生活中的警報(bào)燈，以小組為單位、分析警報(bào)燈的功能和實(shí)現(xiàn)算法，以文字、思維導(dǎo)圖、流程圖等形式表達(dá)小組的分析結(jié)果和算法設(shè)計(jì)思路。

4.2 成果展示

開始上課時(shí)，教師邀請(qǐng)各小組上臺(tái)展示預(yù)習(xí)成果并逐個(gè)點(diǎn)評(píng)，最后進(jìn)行總結(jié)：正如大家所觀察到的警車、救護(hù)車上會(huì)放置警報(bào)燈，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，人們會(huì)按下警報(bào)燈上的“開”按鈕，警報(bào)燈便會(huì)閃爍紅色燈光和發(fā)出聲音來提醒人們；當(dāng)緊急情況解除后，人們可以按下“關(guān)”按鈕，警報(bào)燈便會(huì)熄滅燈光并停止播放聲音。因此制作警報(bào)燈需要開關(guān)、燈、喇叭等設(shè)備，并且有警報(bào)提醒和警報(bào)解除兩種情況需要處理。

4.3 知識(shí)學(xué)習(xí)

教師結(jié)合實(shí)物，介紹制作警報(bào)燈需要用到的雙按鈕開關(guān)、可調(diào)彩燈、蜂鳴器等硬件模塊，然后結(jié)合PPT和板書講解循環(huán)的概念，闡述無(wú)限循環(huán)、次數(shù)循環(huán)和不確定循環(huán)的含義，用“告訴小馬跑三步就停下”“告訴小老鼠把所有扣子扣好才能出去玩”“告訴小兔子要不停地吃東西補(bǔ)充能量”的例子幫助學(xué)生理解這三種循環(huán)的區(qū)別。最后教師打開Codecraft軟件，結(jié)合之前總結(jié)的算法流程，介紹需要用到的編程積木、編寫警報(bào)燈程序并完成調(diào)試。

4.4 內(nèi)化吸收

學(xué)生以小組為單位自行編寫警報(bào)燈程序，并結(jié)合硬件進(jìn)行調(diào)試，教師實(shí)時(shí)觀察學(xué)生表現(xiàn)，根據(jù)各小組的情況進(jìn)行適當(dāng)輔導(dǎo)和答疑解惑。

4.5 小組展示

各小組制作完成后，上臺(tái)展示制作的警報(bào)燈并講解制作思路，教師進(jìn)行逐個(gè)點(diǎn)評(píng)，并就學(xué)生在編程過程中出現(xiàn)的共性問題進(jìn)行講解，最后從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行的角度總結(jié)該作品。

4.6 知識(shí)遷移

教師要求學(xué)生獨(dú)立制作新作品“門鈴”，明確按照構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行的步驟完成作品，之后請(qǐng)部分學(xué)生講解并展示作品，最后教師進(jìn)行概括總結(jié)。門鈴的設(shè)計(jì)思路是：當(dāng)雙按鈕開關(guān)被按下，可調(diào)彩燈應(yīng)變換燈光、蜂鳴器播放一段旋律，否則可調(diào)彩燈熄滅、蜂鳴器停止播放。所用編程知識(shí)點(diǎn)和警報(bào)燈類似但又略有不同，有助于知識(shí)遷移的發(fā)生，警報(bào)燈和門鈴的程序見圖2。

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 研究對(duì)象

采用準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)法，選取上海市某小學(xué)五年級(jí)的兩個(gè)班，一共70 名學(xué)生，其中A 班35 人為實(shí)驗(yàn)組，采用OBE-CDIO教學(xué)模式；B班35人為對(duì)照組，采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，按照學(xué)生課前預(yù)習(xí)、教師演示作品、教師講解知識(shí)、學(xué)生自主編寫、交流展示、鞏固練習(xí)六個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施教學(xué)。實(shí)驗(yàn)假設(shè)是：OBE-CDIO教學(xué)模式比傳統(tǒng)教學(xué)模式更能促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展。

5.2 研究工具

采用認(rèn)可度高且適合小學(xué)生的、張屹團(tuán)隊(duì)開發(fā)的、包含23個(gè)題項(xiàng)的計(jì)算思維量表[12]，從創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決能力和合作能力五個(gè)方面對(duì)小學(xué)生的計(jì)算思維水平進(jìn)行測(cè)量。為了驗(yàn)證此量表的適用性，實(shí)驗(yàn)前選取部分學(xué)生對(duì)量表進(jìn)行了測(cè)試，后利用SPSS 25軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到Cronbach′s Alpha值為0.942、KMO值為0.624和Bartlett球形檢驗(yàn)值為0.000，均符合正常值，說明該量表具有良好的信效度。

5.3 研究過程

研究從2022年9月初開始，到2022年12月末結(jié)束，歷時(shí)四個(gè)月。實(shí)驗(yàn)組采用OBE-CDIO教學(xué)模式，課程包含15個(gè)教學(xué)作品，共授課15課時(shí)，每周1課時(shí)；對(duì)照組采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，課程內(nèi)容、授課課時(shí)及頻率和實(shí)驗(yàn)組一致。分別于課程教學(xué)開始前和結(jié)束后測(cè)試兩組的計(jì)算思維水平，并分析其變化情況。

5.4 數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)開始及結(jié)束后，采用問卷的方式對(duì)兩組學(xué)生的計(jì)算思維水平分別進(jìn)行前后測(cè)，實(shí)驗(yàn)組發(fā)放了70份后回收70份，對(duì)照組也發(fā)放了70份并回收70份，問卷的回收率及有效率均為100%。

使用計(jì)算思維量表對(duì)學(xué)生進(jìn)行前測(cè)，數(shù)據(jù)經(jīng)過SPSS 25分析后結(jié)果顯示（見表1） ，在創(chuàng)造力、批判性思維等五個(gè)維度上，數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)方差齊性（sig > 0.05） ，說明在實(shí)驗(yàn)開始前，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在計(jì)算思維的五個(gè)維度上均不存在顯著性差異，即為同質(zhì)樣本。

四個(gè)月后對(duì)學(xué)生進(jìn)行后測(cè)，使用SPSS 25對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)（見表2） ，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在計(jì)算思維的五個(gè)維度上均產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的變化。其中，在問題解決能力、算法思維、批判性思維與合作能力上，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比出現(xiàn)較高水平的顯著性差異（sig < 0.005） ；在創(chuàng)造力維度上，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比出現(xiàn)了顯著性差異（sig < 0.05） 。因此，采用OBE-CDIO教學(xué)模式比傳統(tǒng)教學(xué)模式能更好地提升小學(xué)生的計(jì)算思維水平。

6 結(jié)論與建議

本文在反思傳統(tǒng)Scratch教學(xué)培養(yǎng)計(jì)算思維局限性的基礎(chǔ)上，分析了OBE-CDIO理念和計(jì)算思維培養(yǎng)的契合之處，設(shè)計(jì)了基于OBE-CDIO理念、以小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)模式，并給出了教學(xué)案例。實(shí)證研究表明該模式能很好地提升小學(xué)生的計(jì)算思維水平，為在小學(xué)階段將OBE-CDIO理念引入計(jì)算思維培養(yǎng)的研究提供了可行方案。但模式的實(shí)施需要軟硬件教學(xué)環(huán)境的支持，對(duì)教師課堂把控的能力有一定的要求，建議教師根據(jù)實(shí)際教學(xué)條件進(jìn)行實(shí)踐和改進(jìn)。