基于TPACK框架的小學(xué)計算思維培養(yǎng)模式與實踐

楊顯忠

(懷化市鐵路第二中學(xué),湖南 懷化 418000)

1 TPACK框架

TPACK(Technologyical Pedagogical Content Knowledge)即整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識。密歇根州立大學(xué)的學(xué)者Matthew J.Koehler和Punya Mishra給TPACK下的定義是：一種“整合技術(shù)的教師知識的框架”。該框架建立在Shulman的學(xué)科教學(xué)知識(PCK)基礎(chǔ)之上，并加入了技術(shù)知識(TK)。它是“學(xué)科內(nèi)容、教學(xué)法和技術(shù)”這3種知識要素之間的復(fù)雜互動，是整合了這3種知識形成的一種新知識形式[1]。3種知識要素之間的關(guān)系如圖1所示。其中，CK(Content Knowledge，學(xué)科內(nèi)容)，如語文、數(shù)學(xué)、英語、科學(xué)等具體學(xué)科內(nèi)容；PK(Pedagogical Knowledge，教學(xué)法知識)，是通用性的教學(xué)方法知識；TK(Technological Knowledge，技術(shù)知識)，是在教學(xué)中使用的技術(shù)的相關(guān)知識[1]。

圖1 TPACK框架及其知識要素之間的關(guān)系

2 計算思維

2.1 小學(xué)階段培養(yǎng)計算思維的重要性

周以真[2]認為計算思維是分析問題并用計算機的方式解決問題的思考過程，她指出計算思維影響著人們生活的方方面面，從科學(xué)、工程領(lǐng)域到醫(yī)療、法律、制造業(yè)等領(lǐng)域，計算思維代表著一種普遍的認識和一類普適的技能，每一個人都應(yīng)該去學(xué)習(xí)和運用它?？刂?、判斷、循環(huán)、并行、性能與限制、調(diào)試等重要的計算思維概念和實踐與編程教育的核心概念與實踐不謀而合，因此編程教育是計算思維培養(yǎng)的重要途徑[3]。鄧小平曾極具前瞻性地提出“計算機要從娃娃抓起”，最近國家也要求在中小階段開設(shè)人工智能課程，推廣編程教育[4]。發(fā)達國家非常重視青少年計算思維的培養(yǎng)，如奧巴馬在任期間就投入1.2億美元用于培訓(xùn)中小學(xué)計算思維課程師資。英國政府也要求所有K-12階段學(xué)生必須學(xué)習(xí)計算思維相關(guān)的課程[2]。因此，在國內(nèi)小學(xué)階段培養(yǎng)計算思維還是非常有必要的。

2.2 小學(xué)計算思維培養(yǎng)現(xiàn)狀

在學(xué)校內(nèi)，信息技術(shù)課和中小學(xué)綜合實踐活動設(shè)計制作活動中都有編程教學(xué)環(huán)節(jié)，最近在山東、重慶等省市的小學(xué)也開始開設(shè)編程課程；另外還有受眾不多的小學(xué)階段信息學(xué)奧賽培養(yǎng)活動，以及國際學(xué)校中的計算機課程。這些編程課程或活動都是培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的重要途徑。

在學(xué)校外，少兒編程教育最近比較熱門，很多公司或培訓(xùn)機構(gòu)在進行在線一對一或一對多的編程教學(xué)，或是線下編程教學(xué)?，F(xiàn)在也有很多在線學(xué)習(xí)平臺。這些也是培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的補充途徑。

2.3 培養(yǎng)小學(xué)計算思維的方法

在小學(xué)開設(shè)專門計算思維培養(yǎng)課程，是培養(yǎng)計算思維最直接也最有效的方式。但由于計算思維課程需要專業(yè)師資、設(shè)備和課程時間等，只有在條件允許的地區(qū)才能實現(xiàn)。

另外，STEM(Science、Technology、Engineering、Mathenatics,科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué))教育與計算思維關(guān)系密切，二者相互促進，一方面，計算思維和計算工具的使用有助于STEM內(nèi)容的深度學(xué)習(xí)；另一方面STEM教育有利于豐富計算思維培養(yǎng)的內(nèi)容[5]。最新的小學(xué)科學(xué)課程標準把科學(xué)、技術(shù)、工程作為主要內(nèi)容[6]，科學(xué)和數(shù)學(xué)是小學(xué)階段師生花時間最多的課程。因此在小學(xué)階段應(yīng)該將計算思維與STEM教育進行整合，如在綜合實踐活動中將STEM內(nèi)容融入計算思維培養(yǎng)中，在STEM課程中融入計算思維等。

3 基于TPACK框架的小學(xué)計算思維培養(yǎng)模式

由于小學(xué)階段學(xué)生的計算機水平不是很好，如軟件操作水平較低、打字速度較慢，并且抽象思維能力還不夠好，因此選擇可視化編程語言作為教學(xué)工具是比較可行的，比如Scratch等?？紤]到STEM教育和計算思維培養(yǎng)探究、實踐的特點[7]，再加上小學(xué)階段學(xué)生的興趣愛好，采用基于項目的學(xué)習(xí)方式比較適合。綜上所述，筆者基于TPACK框架提出了在小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生計算思維的模式，如圖2所示。

圖2 培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的框架

圖2中，教學(xué)內(nèi)容是STEM教育與計算思維整合后的內(nèi)容，教學(xué)方法是基于項目式的學(xué)習(xí)，教學(xué)技術(shù)是Scratch。事實上對課程設(shè)計的要求很高，一般需要數(shù)學(xué)、技術(shù)、科學(xué)教師共同參與共同制定教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容。

國外學(xué)者認為計算思維與STEM教育結(jié)合后的領(lǐng)域主要有：數(shù)據(jù)與信息技能，建模和模擬技能，計算問題解決技能和系統(tǒng)思考技能[7]。如數(shù)據(jù)與信息技能包括數(shù)據(jù)的收集、整理、分析與可視化等，這些數(shù)學(xué)中常見的技能可通過計算機方式實現(xiàn)；STEM課程的問題可通過計算機模擬、建模方式實現(xiàn)。但在小學(xué)階段，應(yīng)該根據(jù)Scratch語言的適用范圍和學(xué)生學(xué)習(xí)的實際情況取舍。在計算思維內(nèi)容選擇方面可以參考美國計算機科學(xué)教師協(xié)會制定的計算機科學(xué)標準(1-6年級)，在STEM教學(xué)內(nèi)容選擇方面可以參考小學(xué)數(shù)學(xué)課程標準和小學(xué)科學(xué)課程標準。

但是一堂課很難把STEM中每門課程內(nèi)容都融入計算思維的培養(yǎng)，同樣一堂課也很難把計算思維所有內(nèi)容都融入進STEM課程。為了不增加學(xué)生學(xué)習(xí)負擔(dān)，影響學(xué)生知識的掌握，建議把STEM內(nèi)容和計算思維的某一個方面作為新的教學(xué)內(nèi)容，如在融入了STEM內(nèi)容的計算思維培養(yǎng)課中，把計算思維作為新的教學(xué)內(nèi)容，而STEM內(nèi)容是學(xué)生已經(jīng)掌握的，在該課中主要是應(yīng)用STEM內(nèi)容。

在基于設(shè)計項目式學(xué)習(xí)設(shè)計教學(xué)過程，要考慮項目要解決的核心問題、學(xué)習(xí)目標、實踐方式、學(xué)生協(xié)作方式、技術(shù)知識工具、最終產(chǎn)品等要素[8]。一般情況下核心問題和學(xué)習(xí)目標是對應(yīng)的，科學(xué)實踐方式是專家解決問題時采用的方式，需要協(xié)作、基于技術(shù)工具(scratch)等，并且最終產(chǎn)生產(chǎn)品。

4 基于TPACK框架的小學(xué)計算思維培養(yǎng)實踐與反思

4.1 教學(xué)設(shè)計與實踐環(huán)節(jié)

基于以上框架，筆者設(shè)計了一堂在綜合實踐活動課中以計算思維培養(yǎng)為主，融入STEM內(nèi)容的課程。教學(xué)對象為小學(xué)4年級學(xué)生，已經(jīng)能夠計數(shù)、了解時間概念、進行加減運算、理解物體下落過程、理解物體左右移動過程、判斷兩個物體之間距離、知道母雞下蛋事實，已經(jīng)掌握了Scratch條件判斷、隨機數(shù)、計數(shù)和計時等內(nèi)容的使用。

本課教學(xué)目的為：理解循環(huán)含義，會用循環(huán)語句模擬現(xiàn)實問題。本課采用分組教學(xué)，把學(xué)生按照能力分組，確保每組有STEM和Scratch知識水平較高的學(xué)習(xí)者，選一位小組長負責(zé)整組任務(wù)的計劃、安排和協(xié)調(diào)，每組需要有一位發(fā)言人，用于與其他組分享經(jīng)驗和作品。本課要解決的核心問題是如何用循環(huán)實現(xiàn)對現(xiàn)實的模擬。主要教學(xué)過程為：

(1)導(dǎo)入環(huán)節(jié)。通過Scratch場景動畫引入：Lily是德克薩斯州的一個小姑娘，在他們家里，有一座非常大的農(nóng)場。一天中午，Lily的媽媽正在干活，為了招待家里來的客人，所以就由Lily去雞舍中撿取雞蛋。

(2)體驗環(huán)節(jié)。讓學(xué)生去體驗這樣的游戲：母雞總拿棒球充當(dāng)雞蛋，并且每次棒球進入碗中，都會砸壞雞蛋。并且雞蛋落地也會砸壞。學(xué)生需要在指定時間接住盡可能多的雞蛋，雞蛋落地或者接到棒球都會扣分。玩完游戲后，小組討論游戲規(guī)則，然后小組發(fā)言人發(fā)言。教師總結(jié)游戲的規(guī)則并提出任務(wù)要求：開發(fā)一個符合這樣規(guī)則的游戲，游戲元素可以自由更換。通過引導(dǎo)，讓學(xué)生認識到這個游戲要解決的關(guān)鍵問題是如何讓物體反復(fù)出現(xiàn)和運動。

(3)新授環(huán)節(jié)。講授循環(huán)的概念，用生活例子類比，讓學(xué)生自己說出類似例子。演示如何在Scratch中實現(xiàn)循環(huán)。根據(jù)游戲規(guī)則分析游戲，和學(xué)生一起拆解游戲，分析游戲過程和元素，讓學(xué)生對游戲有更深理解。

(4)實踐環(huán)節(jié)。小組長和組員根據(jù)游戲拆解進行分工，小組成員各自在電腦上實踐并完成自己需要的部分，主要是雞蛋和棒球反復(fù)下落、接雞蛋的碗反復(fù)移動、加分和計時的判斷和實現(xiàn)。學(xué)生也可以根據(jù)小組討論選擇自己喜歡的元素，如把母雞、棒球、雞蛋和玩變成其他元素，但基本規(guī)則和過程要類似，小組內(nèi)用的元素要統(tǒng)一。成功后就在發(fā)言人的電腦上把自己的部分添加上去。最后每個人把自己的部分添加上去以后，小組運行游戲并反復(fù)修改直至成功。

(5)展示環(huán)節(jié)。請小組發(fā)言人展示本組完成作品，并分享小組遇到的問題和解決方法，其他組評價并給出建議。教師最后總結(jié)。

4.2 反饋與反思

通過在某城市小學(xué)上課，利用問卷、項目分析、訪談等方法得到如下課程反饋：大部分學(xué)生學(xué)完本課后，能理解循環(huán)概念，并會使用Scratch實現(xiàn)簡單循環(huán)，但是只有少數(shù)學(xué)生能靈活使用循環(huán)。這可能需要用額外時間讓學(xué)生做循環(huán)的遷移練習(xí)，以便能舉一反三。大部分學(xué)生對這種上課方式很感興趣，學(xué)生認為這種上課內(nèi)容和上課方式比較好玩。但是，小組任務(wù)分工及教師幫助方面需要加強，可以讓小組成員參與更多需要新知識的實踐，同時建議配備助教，助教可以是高年級的學(xué)生或?qū)嵙?xí)教師等。

5 未來研究方向

筆者只進行了一次課程實踐，為了能系統(tǒng)地研究基于TPACK框架的小學(xué)計算思維培養(yǎng)模式的有效性，需要進行更長時間研究。建議研究者采用基于設(shè)計的研究方法，整合校內(nèi)外人力資源，集中各學(xué)科教師智慧，開發(fā)系統(tǒng)的計算思維培養(yǎng)課程，與高校研究者合作開展長期研究，不斷優(yōu)化課程內(nèi)容。為了讓人人都能享受到優(yōu)質(zhì)教育資源，可以將經(jīng)過實踐檢驗的課程放到網(wǎng)上，讓更多學(xué)生能隨時隨地得到計算思維的訓(xùn)練；也可以在網(wǎng)上時行做一輪研究，優(yōu)化課程，開發(fā)出更適合網(wǎng)上學(xué)習(xí)的課程。