初中信息技術(shù)學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生計算思維的策略研究

陳輝濤 魯晶

摘 要：計算思維培養(yǎng)的途徑很多，編程學(xué)習(xí)是一個很好的依托工具和抓手。筆者從初中信息技術(shù)編程教學(xué)入手，通過一線教學(xué)實踐總結(jié)出培養(yǎng)學(xué)生計算思維的教學(xué)策略：運用項目式教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生的計算思維;運用案例教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生的計算思維;運用模式識別培養(yǎng)學(xué)生的計算思維;運用自主探究方式培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

關(guān)鍵詞：計算思維;培養(yǎng)內(nèi)容;教學(xué)策略

中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-0069（2019）04-0059-05

一、研究背景

2006年美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授明確提出了計算思維的概念，“計算思維是一種運用計算機科學(xué)基本概念求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的方式，涵蓋了計算機科學(xué)領(lǐng)域廣度的一系列思維工具”[1]。這個概念一經(jīng)提出，就成為國外學(xué)者研究的熱點。歐美一些國家早早就把計算思維列為21世紀(jì)人才發(fā)展必須具備的能力。在英國，中小學(xué)信息技術(shù)的一個重要課程內(nèi)容就是計算思維;在美國，“K-12計算機課程標(biāo)準(zhǔn)”明確將計算思維定為重要課程內(nèi)容之一。查閱資料發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)關(guān)于計算思維的研究實踐工作處于初級階段，但發(fā)展迅速。

計算思維存在于很多學(xué)科，信息技術(shù)學(xué)科尤為明顯。信息時代的到來讓人們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和思維特征都發(fā)生了改變，如何創(chuàng)造性地使用信息技術(shù)培養(yǎng)有計算思維能力的數(shù)字公民成為教育工作者研究的重要問題。2012年國家教育部高教司設(shè)立以計算思維為切入點的“大學(xué)計算機課程改革項目”，探索在高校培養(yǎng)學(xué)生計算思維的方法。2018年1月18日教育部發(fā)布《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版》，其中明確將計算思維列入高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的四個核心要素之列，要求學(xué)生運用計算思維識別與分析問題，抽象、建模與設(shè)計系統(tǒng)性解決方案。[2]任友群教授在發(fā)文中講道：“在信息技術(shù)課程中，不僅需要普及計算機科學(xué)概念，更需要引導(dǎo)學(xué)生將計算思維合理地應(yīng)用至日常生活與學(xué)習(xí)之中，形成一種思維習(xí)慣?！盵3]謝忠新等人認(rèn)為中小學(xué)信息技術(shù)課程的學(xué)科思維應(yīng)該關(guān)注學(xué)生計算思維、批判性思維與創(chuàng)新思維，其中學(xué)生計算思維應(yīng)該作為中小學(xué)信息技術(shù)課程的重要目標(biāo)。在信息化時代的今天，在中小學(xué)信息技術(shù)教育中，教學(xué)生掌握計算思維比教學(xué)生單純地學(xué)習(xí)操作計算機更為重要。[4]

眾所周知，中學(xué)的信息技術(shù)課程與高校的計算機課程是一脈相承的，在中學(xué)階段通過什么樣的方式和途徑培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，是需要我們初中信息技術(shù)教師思考和探索的問題。實踐證明，在初中信息技術(shù)學(xué)科落實計算思維的培養(yǎng)，編程學(xué)習(xí)是一種很好的途徑。在初中信息技術(shù)教學(xué)中，教師將計算思維融入不同的編程語言學(xué)習(xí)中，能有效地訓(xùn)練學(xué)生在學(xué)習(xí)和創(chuàng)作過程中的算法、分解、抽象和概括以及評估方面的能力，鍛煉邏輯思維能力、算法設(shè)計能力、合作能力和溝通能力，提升計算思維與信息素養(yǎng)。

二、確定基于學(xué)情的計算思維培養(yǎng)內(nèi)容

對于七年級學(xué)生來說，由于沒有編程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，就需要從形象思維方面去培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，因此我們將學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)定為Scratch圖形化編程：掌握各類指令積木塊的使用;了解程序的三大結(jié)構(gòu);學(xué)會通過拖拽指令積木的方式編寫程序，創(chuàng)造出交互式故事、動畫、游戲、音樂和藝術(shù)作品的程序。兩個學(xué)期，每學(xué)期共用12課時完成。而對于八年級學(xué)生來說，他們具備一定的信息處理能力和編程基礎(chǔ)，我們就可以從邏輯思維方面來培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。因此我們將學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)定為VB代碼編程，引導(dǎo)學(xué)生掌握VB編程軟件的使用，通過編寫代碼來解決學(xué)習(xí)生活中的問題，一個學(xué)期，用14課時完成。最后八年級下學(xué)期再通過課本上仿真機器人的編程學(xué)習(xí)，將圖形化編程和代碼編程結(jié)合起來，幫助學(xué)生學(xué)會運用計算思維去探索、解決學(xué)習(xí)生活中的問題，將計算思維的培養(yǎng)落到實處。

三、培養(yǎng)計算思維所采用的教學(xué)策略

（一）用項目式教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生計算思維

所謂項目式教學(xué)法就是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過獨立或者合作的形式參與完成一個完整的項目活動，包括分析問題、設(shè)計程序到形成解決問題的方法等，在項目實施的過程中，教師做好引導(dǎo)，學(xué)生作為主體參與活動。最后學(xué)生通過完成項目從而找出解決問題的方法并進(jìn)行拓展延伸。我們就在教學(xué)中采用項目式學(xué)習(xí)，首先展示項目并確定具體任務(wù)。學(xué)生明確任務(wù)后開始分組或獨立實施項目。在項目實施的過程中，學(xué)生會經(jīng)歷以下幾個步驟：分析問題→確定計算方法→算法流程分析→編寫程序→調(diào)試程序→形成方案。這一系列的操作對于學(xué)生邏輯思維能力和計算思維能力培養(yǎng)起著重要的作用。

【案例1】飄落的花瓣

學(xué)生參與并完成項目，主要有以下幾個步驟：

第一步：確定項目任務(wù)

教師展示作品《飄落的花瓣》，請學(xué)生獨立設(shè)計或者分組合作完成這個項目。學(xué)生明確任務(wù)后，開始項目的實施。

第二步：實施項目過程

（1）分析問題：天空中飄落的花瓣是一個角色還是多個角色？如何實現(xiàn)花瓣飄落的效果？通過什么語句實現(xiàn)？

（2）確定計算方法：通過對角色進(jìn)行抽象和分解，得出天空中的花瓣是一個角色，且通過克隆可以實現(xiàn)花瓣雨的效果。其中，花瓣的飄落是通過y坐標(biāo)數(shù)值的減少來實現(xiàn)的，為了呈現(xiàn)更真實的效果，增加其旋轉(zhuǎn)的角度，最后碰到邊緣刪除本克隆體。

（3）算法流程分析：上一步確定了計算方法，下面就可以通過流程圖幫助學(xué)生更清晰地了解程序。

（4）編程程序：根據(jù)對流程圖的分析、理解，在Scratch的程序區(qū)域拖拽相應(yīng)的指令，修改參數(shù)并完成程序的編寫。

（5）調(diào)試程序和形成方案：編寫好的程序可能在運行的過程中會出現(xiàn)問題，因此需要學(xué)生糾錯、調(diào)試、改進(jìn)程序。學(xué)生調(diào)試程序的過程，就需要像計算機執(zhí)行程序一樣去思考執(zhí)行語句，理解每一步實現(xiàn)的效果。在這樣的“分析—設(shè)計—編程—測試—調(diào)試”的過程中，學(xué)生的計算思維得到提升。通過匯報解決問題的方案，完成整個項目活動。

第三步：項目拓展創(chuàng)新

學(xué)生完成項目后，教師再鼓勵學(xué)生思考：類比這個程序，還能創(chuàng)作哪些作品？比如飄舞的雪花、緩緩升起的氣球、水中不斷冒出的氣泡等。學(xué)習(xí)編程的目的不是僅僅完成某個單獨的程序或者解決某個單獨的問題，而是運用這種方法去解決類似的諸多問題，進(jìn)行知識的遷移，同時借助歸納、實踐來拓展、創(chuàng)新。

（二）運用案例教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生的計算思維

學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)編程時覺得抽象、不好理解，為了更好地幫助學(xué)生理解，任課教師在設(shè)計案例時結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)、生活中的實例，并提出有針對性的討論任務(wù)或者問題，讓學(xué)生預(yù)先討論、分析問題，接著再引導(dǎo)學(xué)生對案例進(jìn)行模仿、創(chuàng)作，從而歸納出解決問題的方法，最后再遷移、拓展到類似問題上，逐步培養(yǎng)和提升學(xué)生的計算思維。

【案例2】在圖片框中顯示一張圖片

這是一個調(diào)用Picturebox對象修改Picture屬性的一個基本案例，該案例不涉及復(fù)雜的代碼編程，僅僅通過調(diào)用控件、修改屬性就能實現(xiàn)，易于被學(xué)生接受，而且突出了重點。

在教學(xué)中，教師演示操作并引導(dǎo)學(xué)生思考對象和對象屬性的概念，再由學(xué)生自主練習(xí)。在練習(xí)中采用的圖片建議讓學(xué)生自主選擇，但可能出現(xiàn)一個問題：有些圖片大小不合適怎么辦？對此教師可以引導(dǎo)學(xué)生自主探究，嘗試修改對象屬性來解決這一問題。以小組合作探究的方式，學(xué)生找到通過修改圖片Picturebox的寬度和高度屬性使其能夠適應(yīng)圖片的大小。修改完之后，又可能出現(xiàn)一個新的問題：Picturebox過大或者過小，在整個窗體中顯得不美觀怎么辦？有了剛才修改對象屬性的經(jīng)驗，學(xué)生會很自然地聯(lián)想到通過修改窗體的寬度和高度屬性使其能夠適應(yīng)Picturebox的大小。

教師也可以及時地進(jìn)行引導(dǎo)：不同類型對象的屬性有可能相同，也有可能不同，你能否找到窗體屬性和Picturebox屬性的不同之處呢？通過這樣的引導(dǎo)和練習(xí)，學(xué)生不僅對抽象概念從陌生變得熟悉，而且能夠舉一反三，模仿、概括解決問題的方法。

此部分教學(xué)從一個簡單的案例出發(fā)，通過案例展示、案例分析、案例設(shè)計以及總結(jié)拓展，由淺入深，一步步地引導(dǎo)學(xué)生不斷地思考、探究和嘗試。在此過程中，學(xué)生的思維將現(xiàn)實生活中的事物（圖片）與計算機所能處理的對象（Picturebox）聯(lián)系起來，將圖片的大小與Picturebox的寬度和高度屬性聯(lián)系起來，并且逐步學(xué)會了“以計算機的方式進(jìn)行思考”即“修改窗體屬性”來解決問題。

（三）運用模式識別培養(yǎng)學(xué)生的計算思維

實踐中，教師發(fā)現(xiàn)即使任課教師講解了編程中的語法格式、功能、用法和流程圖，學(xué)生在實踐操作時還是沒有興趣繼續(xù)鉆研，究其原因還是計算思維能力不夠，缺少觀察數(shù)據(jù)的模式、趨勢和規(guī)律的能力，即模式識別的能力。這就需要教師調(diào)整教學(xué)策略，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律、總結(jié)規(guī)律，從而舉一反三，利用模式識別來提升學(xué)生的計算思維能力。

【案例3】編寫程序，單擊“開始”按鈕，在一行中顯示10個星號（*）

這個案例在課本中是以數(shù)據(jù)累加的形式呈現(xiàn)的，學(xué)生理解起來有些困難。教師在設(shè)計活動時舍棄略顯抽象的數(shù)據(jù)例子，采用顯示符號來說明循環(huán)程序的基本設(shè)計思路，簡單直觀，更容易被學(xué)生接受。

（1）在提前給出程序的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生畫出程序流程圖，討論交流循環(huán)結(jié)構(gòu)的特點。顯然，學(xué)生會覺得循環(huán)結(jié)構(gòu)也是很簡單的。

（2）教師提出一個問題：怎樣顯示出20行中每行10個星號？很多學(xué)生會一直單擊“開始”按鈕，直到顯示出20行星號為止。也有學(xué)生會發(fā)現(xiàn)這樣做很麻煩，認(rèn)為應(yīng)該有更加簡單的辦法。教師可以順勢引導(dǎo)學(xué)生：怎樣單擊一次“開始”按鈕，得到結(jié)果呢？有了顯示1行10個星號的算法基礎(chǔ)，再加上單擊20次按鈕的切身體驗，經(jīng)過熱烈的討論，大家自然地發(fā)現(xiàn)還是需要用到循環(huán)來解決問題，而且要用到兩次循環(huán)。

（3）教師再來講解雙重循環(huán)的結(jié)構(gòu)，學(xué)生就非常容易理解了，問題也就迎刃而解。對于學(xué)有余力的學(xué)生，要讓他們自主探究怎樣用星號組合成三角形、菱形等一些特殊的圖形，一步步地引導(dǎo)學(xué)生去找到數(shù)據(jù)變化的趨勢和規(guī)律，總結(jié)出合適的算法。最后再由此過渡到數(shù)據(jù)的累加和求和等運算，學(xué)生更容易接受和理解。

在代碼編程學(xué)習(xí)中諸如此類的案例還有很多，教師采用顯示直觀的圖形作為教學(xué)案例，不僅可以避免代碼設(shè)計上的一些難點，而且能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于他們在探究中總結(jié)出數(shù)據(jù)的模式、趨勢和規(guī)律，提高模式識別的能力。教學(xué)實踐證明，如果由學(xué)生自己找到規(guī)律并理解程序的算法，進(jìn)而設(shè)計出自己的算法，那么程序的編寫也就水到渠成了。

（四）運用自主探究方式培養(yǎng)學(xué)生的計算思維

從信息技術(shù)學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容來看，無論是編程還是其他模塊的學(xué)習(xí)，前后的知識都是有一定聯(lián)系的。因此在學(xué)習(xí)的過程中，教師要放手讓學(xué)生多思、多練，鼓勵學(xué)生通過自主探究獲取新知，每一次的思考、嘗試、練習(xí)、調(diào)試都是對學(xué)生思維能力的鍛煉。

【案例4】在仿真環(huán)境中讓機器人走出一個正六邊形軌跡

在這一節(jié)之前，學(xué)生已經(jīng)通過前進(jìn)和轉(zhuǎn)向模塊完成正方形軌跡的任務(wù)，從正方形到正六邊形不僅僅是邊數(shù)的增加，還涉及轉(zhuǎn)角的調(diào)試。轉(zhuǎn)角大小的設(shè)置與轉(zhuǎn)角的速度和時間都有關(guān)系，所以一定要反復(fù)調(diào)試才能總結(jié)出合適的參數(shù)。這個任務(wù)就由學(xué)生自主探索完成。

在設(shè)置參數(shù)的過程中，轉(zhuǎn)向電機的速度不易設(shè)置過大，難點在于時間的設(shè)置。學(xué)生在探索的過程中會嘗試不同的時間數(shù)值，如0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒等進(jìn)行實驗，在仿真環(huán)境中學(xué)生會發(fā)現(xiàn)0.3秒短了，0.4秒又長了，于是經(jīng)過反復(fù)調(diào)試發(fā)現(xiàn)大概在0.32秒的時候這個時間最為適合。最后教師在介紹利用二分法和估算法測算轉(zhuǎn)角時間逼近最佳調(diào)試角度，學(xué)生理解起來更容易。

學(xué)生在調(diào)試的過程中會發(fā)現(xiàn)，運動軌跡為不同圖形時，速度與時間的乘積是有關(guān)系的：軌跡為四邊形時，速度與時間的乘積約為25;軌跡為三角形時，速度與時間的乘積約為32;軌跡為五邊形時，速度與時間的乘積約為20;軌跡為六邊形時，速度與時間的乘積約為16。只有經(jīng)過自主探索，發(fā)現(xiàn)、找到規(guī)律，學(xué)生才會理解更深刻，反復(fù)調(diào)試和總結(jié)的過程對于學(xué)生計算思維的提升是非常有幫助的。

四、經(jīng)驗反思

（一）經(jīng)驗

通過教學(xué)實踐，教師對計算思維有了更深入的認(rèn)識：一方面明確了在初中階段培養(yǎng)學(xué)生計算思維的必要性和重要性，樹立在日常教學(xué)中融入計算思維的意識;另一方面結(jié)合學(xué)生特點，總結(jié)出了初中信息技術(shù)學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生計算思維的策略。

1.運用項目式學(xué)習(xí)的策略

在項目式學(xué)習(xí)的過程中，教師有針對性地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并采用科學(xué)的思維方式去解決問題。那么經(jīng)過一段時間的練習(xí)后，學(xué)生在潛意識里就會形成這種思維方式，再遇到類似的問題就會聯(lián)想到運用這種方法去解決，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

2.運用案例分析、歸納、拓展的策略

教師從一個基礎(chǔ)案例出發(fā)，通過分析、歸納、拓展，逐步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考、探究和嘗試。在進(jìn)行案例分析和歸納的過程中，學(xué)生的思維進(jìn)行了遷移，將基礎(chǔ)案例和日常生活、學(xué)習(xí)中的實例相聯(lián)系，并在拓展中進(jìn)行實踐和應(yīng)用。通過這一系列的思維訓(xùn)練，學(xué)生逐步學(xué)會了“以計算機的方式進(jìn)行思考”來解決問題，使計算思維能力得到了鍛煉和提高。

3.運用模式識別的策略

模式識別能力對于信息技術(shù)的學(xué)習(xí)非常重要。信息技術(shù)的很多模塊內(nèi)容是有聯(lián)系的，采用模式識別可以幫助學(xué)生在探究中總結(jié)出數(shù)據(jù)的模式、趨勢和規(guī)律。采用模式識別的策略，學(xué)生可以更好地進(jìn)行知識遷移，這能夠更好地促進(jìn)學(xué)生計算思維能力的提高。

4.運用自主探究獲取新知的策略

計算思維的培養(yǎng)和提升是需要一個過程的，在這個過程中學(xué)生的主動性需要得到充分發(fā)揮。每一次的探索、嘗試、練習(xí)都是對學(xué)生思維能力的鍛煉。無論是編程教學(xué)還是信息技術(shù)其他模塊的學(xué)習(xí)，教師都要合理設(shè)置自主探究的學(xué)習(xí)活動，讓學(xué)生在這個過程中主動獲得新知。

以上幾種教學(xué)策略是我們通過課堂實踐總結(jié)出來的，并以此來指導(dǎo)教學(xué)活動的開展。當(dāng)然，這幾種教學(xué)策略并不是獨立運用的，在某些活動中需要綜合運用。教師在授課的同時也要注重計算思維的融入，不僅要挖掘教材中培養(yǎng)計算思維的內(nèi)容，還要開發(fā)拓展性的學(xué)習(xí)內(nèi)容，再根據(jù)具體的學(xué)情和課堂情況靈活選擇教學(xué)策略。

（二）反思

經(jīng)過團(tuán)隊的共同努力，我們?nèi)〉昧艘恍┏煽?，但在研究的過程中仍然存在一些問題。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：欠缺相應(yīng)的理論水平和研究能力，對于國內(nèi)外計算思維培養(yǎng)的策略研究還不透徹，好的經(jīng)驗在實踐中運用不夠深入;研究內(nèi)容僅僅從編程方面入手，顯得有些狹隘，事實上在信息技術(shù)學(xué)科很多模塊的學(xué)習(xí)中都可以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，比如音（視）頻的采集加工、人工智能的機器人等等;我們在計算思維評價方面做得不夠細(xì)致，缺少深入系統(tǒng)的對比，還需要加強計算思維評價方面的研究。

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（責(zé)任編輯 孫志莉）