面向計算思維培養(yǎng)的教學(xué)模式設(shè)計與實踐

李曉曉 謝忠新

【摘 要】本文從信息技術(shù)學(xué)科相關(guān)知識原理與技術(shù)思想的教學(xué)與落實學(xué)生計算思維培養(yǎng)相結(jié)合的角度，構(gòu)建了面向計算思維培養(yǎng)的不插電計算機(jī)科學(xué)游戲化教學(xué)模式，包括“選定主題—對標(biāo)計算思維—設(shè)計游戲—組織游戲—思維引導(dǎo)—概括模式—遷移應(yīng)用”七個步驟。最后，通過搜索算法教學(xué)案例具體分析了如何在中小學(xué)開展面向計算思維培養(yǎng)的不插電計算機(jī)科學(xué)游戲化教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】計算思維;不插電計算機(jī)科學(xué);游戲化教學(xué)模式

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）09-009-05

目前在中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科的算法與程序設(shè)計、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用等內(nèi)容的教學(xué)中落實學(xué)生計算思維培養(yǎng)的研究與實踐較多，因為教師可以創(chuàng)設(shè)利用這些學(xué)科知識來解決實際問題的情境與任務(wù)，而完成這些任務(wù)，需要形成問題解決方案。那么，在信息技術(shù)學(xué)科相關(guān)知識原理與技術(shù)思想的教學(xué)中，能否在幫助學(xué)生理解計算機(jī)知識原理與技術(shù)思想的同時，落實學(xué)生計算思維的培養(yǎng)呢？中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科相關(guān)知識原理與技術(shù)思想的教學(xué)可以組織不插電計算機(jī)科學(xué)活動方式開展，如何在學(xué)習(xí)與組織不插電計算機(jī)科學(xué)活動中落實學(xué)生計算思維的培養(yǎng)呢？

計算思維與不插電計算機(jī)科學(xué)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確將計算思維定為一項重要的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，計算思維是指個體運用計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動[1]。未來的信息化社會更加需要具備問題解決能力和創(chuàng)新思維能力的人，計算思維被公認(rèn)為21世紀(jì)中葉人人都應(yīng)具備的基本技能之一。

不插電計算機(jī)科學(xué)是面向世界范圍的信息科學(xué)普及項目，它以一種沒有計算機(jī)參與的方式，透過一些既有趣又容易的活動，展示各項計算機(jī)技術(shù)原理在計算機(jī)世界里是如何發(fā)生的，幫助學(xué)習(xí)者理解技術(shù)背后的思想和科學(xué)，理解新技術(shù)是如何被設(shè)計出來的，提高其問題解決能力[2]。這些活動不要求學(xué)習(xí)者有計算機(jī)操作能力，因此在中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科相關(guān)知識原理與技術(shù)思想的教學(xué)中，教師通常會以設(shè)計和組織不插電計算機(jī)科學(xué)活動的方式開展教學(xué)。

學(xué)生運用計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，形成問題解決方案過程中產(chǎn)生的一系列思維活動，包括了按精確步驟一步步執(zhí)行的算法思維、對問題進(jìn)行分解、從眾多細(xì)節(jié)中抽象出關(guān)鍵信息、相似問題解決方法概括、評估解決方案是否合理及如何優(yōu)化五個方面[3]。不插電計算機(jī)科學(xué)活動模擬的正是計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法在計算機(jī)世界的發(fā)生過程，與分解、抽象、算法、評估與概括這些思維活動密不可分?；谌绾卧诓徊咫娪嬎銠C(jī)科學(xué)活動中落實學(xué)生計算思維培養(yǎng)這一出發(fā)點，筆者構(gòu)建了面向計算思維培養(yǎng)的不插電計算機(jī)科學(xué)游戲化教學(xué)模式。

面向計算思維培養(yǎng)的不插電計算機(jī)科學(xué)游戲化教學(xué)模式

建構(gòu)主義理論強調(diào)學(xué)習(xí)是意義建構(gòu)的過程，是學(xué)習(xí)者通過新、舊知識經(jīng)驗的相互作用，形成、豐富和調(diào)整自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程。因此，教師應(yīng)該通過創(chuàng)設(shè)有意義的情境、任務(wù)等為學(xué)生搭建新舊知識銜接的腳手架，引導(dǎo)學(xué)生有效實現(xiàn)自身的知識建構(gòu)。杜威“做中學(xué)”理論強調(diào)知識的獲得不是個體“旁觀”的過程，而是“探究”的過程，不插電計算機(jī)科學(xué)活動對計算機(jī)原理發(fā)生過程的模擬正是“探究”的體現(xiàn)。游戲化學(xué)習(xí)主張借鑒游戲的設(shè)疑、挑戰(zhàn)、自主等理念，把教學(xué)目標(biāo)隱蔽于游戲活動中，根據(jù)學(xué)習(xí)者特征及教學(xué)內(nèi)容采取相應(yīng)的游戲化教學(xué)策略，從而使學(xué)習(xí)者在放松的狀態(tài)下，從樂趣中獲得知識、提高技能和陶冶情操[4]。

根據(jù)建構(gòu)主義、杜威“做中學(xué)”、游戲化學(xué)習(xí)理論中關(guān)于學(xué)習(xí)是如何發(fā)生的啟示，筆者構(gòu)建了面向計算思維培養(yǎng)的不插電計算機(jī)科學(xué)游戲化教學(xué)模式，立足課前“精心設(shè)計”的教學(xué)準(zhǔn)備和課中“玩中學(xué)+觀察”的教學(xué)組織，將教學(xué)模式歸納為“選定主題—對標(biāo)計算思維—設(shè)計游戲—組織游戲—思維引導(dǎo)—概括模式—遷移應(yīng)用”七個步驟，如圖1所示。

在教學(xué)模式中，“教師—學(xué)生”的角色會經(jīng)歷“定向—準(zhǔn)備——導(dǎo)學(xué)—體驗——啟發(fā)—認(rèn)知——總結(jié)—概括——診斷—應(yīng)用”的迭代上升。通過預(yù)先設(shè)計好的游戲環(huán)節(jié)和細(xì)節(jié)，關(guān)注學(xué)生內(nèi)在的思維過程，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)描述問題，確定解決該問題所需的關(guān)鍵步驟，并將其分解為細(xì)微的邏輯步驟，以便他們隨后可以創(chuàng)建解決該問題的流程，然后評估此過程。這些技能可以遷移到任何其他的學(xué)科領(lǐng)域，有助于學(xué)生理解數(shù)字系統(tǒng)的工作流程，提高使用計算機(jī)解決問題的能力。接下來，本文以一個搜索算法的教學(xué)案例，來分析如何在中小學(xué)開展面向計算思維培養(yǎng)的不插電計算機(jī)科學(xué)游戲化教學(xué)。

1.課前面向計算思維培養(yǎng)的不插電計算機(jī)科學(xué)游戲化活動設(shè)計

（1）選定學(xué)科知識內(nèi)容主題

主題可以是單一的技術(shù)原理，也可以是有關(guān)聯(lián)的幾個技術(shù)原理，基于明確的主題確定學(xué)生要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。本案例以搜索算法為主題，但如何向?qū)W生介紹搜索算法呢？筆者選擇了原理相對簡單又關(guān)聯(lián)性強的順序搜索和二分搜索兩種常用搜索算法，參考新西蘭坎特伯雷大學(xué)計算機(jī)科學(xué)教育研究小組開展的CS Unplugged項目學(xué)習(xí)活動資料，將兩種搜索算法原理設(shè)計成符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的游戲活動。

（2）梳理與挖掘?qū)W科知識中的計算思維

對照計算思維中的分解、抽象、算法、評估與概括內(nèi)涵，對選定學(xué)科知識內(nèi)容主題的學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行拆解，分析學(xué)生在學(xué)習(xí)這些內(nèi)容的過程中計算思維的落實。案例中分析了順序搜索和二分搜索兩種算法原理中對應(yīng)的學(xué)生計算思維內(nèi)容，列出了算法、分解、抽象、概括、評估五個計算思維組成部分對應(yīng)的計算思維培養(yǎng)目標(biāo)。

（3）設(shè)計面向計算思維培養(yǎng)的課堂游戲活動

教學(xué)游戲設(shè)計包含創(chuàng)設(shè)情境、明確規(guī)則、規(guī)定步驟、設(shè)計問題鏈、準(zhǔn)備學(xué)具等。游戲元素的設(shè)計要能夠有效引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生計算思維活動，游戲的設(shè)計可以同時關(guān)注算法、分解、抽象、概括和評估五個方面，也可只體現(xiàn)其中一個或幾個方面。案例順序搜索和二分搜索兩種算法的學(xué)習(xí)中設(shè)計了“猜謎”和“一分為二”兩個游戲，如表1所示。

2.課中面向計算思維培養(yǎng)的不插電計算機(jī)科學(xué)游戲化活動實施

（1）組織開展游戲化活動

教師將學(xué)科知識中涉及到的計算思維設(shè)計成游戲規(guī)則、游戲步驟、互動問題等，學(xué)生在游戲參與的過程中，主動理解游戲規(guī)則，按照規(guī)則分解游戲任務(wù)，分步執(zhí)行完成具體任務(wù)，最終挑戰(zhàn)整個游戲目標(biāo)。以“猜謎”游戲為例，教師按照如下的步驟組織實施游戲：

①用數(shù)字卡片代表朋友，將十張數(shù)字（數(shù)字范圍0-100，其中一張卡片數(shù)字是56）卡片（圖2）的動物面朝上擺成一排。

②準(zhǔn)備好每人十張貼紙（支付系統(tǒng)），每猜一次，學(xué)生需要支付一張貼紙。

③請學(xué)生猜猜看找到數(shù)字56需要多少次猜測？并說說為什么。

④請學(xué)生翻轉(zhuǎn)左邊第一張卡片（同時支付一張貼紙），顯示背面的數(shù)字。如果是正確的就停下來，否則將其從十張卡片中取出并放在一邊。

⑤按照從左到右的順序重復(fù)此過程，直到學(xué)生找到數(shù)字為56的卡片，記下支付貼紙的數(shù)量。

⑥分小組玩游戲并做好記錄，每個小組一副卡片，每次開始新游戲時重新使用十張貼紙。

⑦小組交流游戲結(jié)果，說說看每次猜測可以排除多少張卡片？手中還剩多少張貼紙？

⑧請學(xué)生思考，如果要找的范圍不是十位朋友，是一百位、一千位朋友呢？

游戲中教師利用數(shù)字卡片代表朋友幫助學(xué)生建立抽象思維;讓學(xué)生按照從左到右的順序，每次翻開一張卡片，驗證是不是目標(biāo)數(shù)字，幫助學(xué)生理解可以將整個問題分解為一個個“驗證單張卡片上的數(shù)字是不是目標(biāo)數(shù)字”的小問題來解決;之后重復(fù)“選擇—驗證”的過程，培養(yǎng)學(xué)生的算法思維，理解算法的循環(huán)結(jié)構(gòu)，同時設(shè)計“每猜一次，要支付一張貼紙”的規(guī)則，意在培養(yǎng)學(xué)生樹立循環(huán)過程中要記錄循環(huán)次數(shù)的意識。

（2）基于問題的思維引導(dǎo)

計算思維培養(yǎng)中，好的問題可以成為學(xué)生計算思維提升的支架。因此，游戲化活動實施中，教師需要適時拋出預(yù)設(shè)問題進(jìn)行設(shè)疑，對學(xué)生的思維進(jìn)行啟發(fā)點撥，引導(dǎo)學(xué)生主動思考。這些問題目的是幫助學(xué)生產(chǎn)生計算思維活動，通過學(xué)生的回答了解學(xué)生內(nèi)隱的思維動態(tài)。案例中教師預(yù)設(shè)了培養(yǎng)學(xué)生分解、算法、評估、抽象、概括思維的一系列問題，游戲中預(yù)設(shè)的交互問題及對學(xué)生思維引導(dǎo)的預(yù)期如表2所示。

（3）概括問題解決的模式

通過從具體到一般的提煉，總結(jié)所解決問題之間存在的共同點，概括歸納出可識別的模式，幫助學(xué)生強化自身知識體系的建構(gòu)，未來在處理類似實際問題時可以有的放矢。在教學(xué)實施中，教師組織學(xué)生交流討論達(dá)成游戲目標(biāo)所經(jīng)歷的過程，基于問題引導(dǎo)學(xué)生思考改變游戲中的個別元素對游戲是否產(chǎn)生影響，從而幫助學(xué)生概括其中共性的問題解決模式，也就是如何用順序搜索算法解決搜索問題，通過思維導(dǎo)圖的方式幫助學(xué)生梳理順序搜索原理的關(guān)鍵知識點，回顧游戲中是如何按步搜索的，在學(xué)生心中種下順序搜索算法思想的種子。

（4）遷移解決實際的問題

素養(yǎng)導(dǎo)向的游戲化教學(xué)，還有很重要的一步是需要進(jìn)行遷移，通過舉一反三，應(yīng)用所學(xué)的計算機(jī)原理解決生活中的實際問題。學(xué)生不可能通過一次實踐就形成遷移，在游戲之后，教師要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)類似的情境來進(jìn)行復(fù)盤，引導(dǎo)學(xué)生能夠利用順序搜索來解決生活中的實際問題，使學(xué)生學(xué)會良好表達(dá)，并認(rèn)識到這些問題間的關(guān)聯(lián)。案例中，教師給出了生活中一些用到順序搜索的情境，學(xué)生可以任選問題來解決，并在問題解決方案描述中強化遷移應(yīng)用的能力。

結(jié)束語

玩是孩子的天性，孩子們在游戲參與的過程中，通過對游戲規(guī)則的理解以及和老師、同伴的交流，學(xué)習(xí)如何更好地組織語言來描述問題，把問題情境中不重要的信息忽略掉，找到解決問題所需要的重要細(xì)節(jié)，把問題分解為“比較兩個數(shù)據(jù)并確定它們是否相同”的邏輯步驟，重復(fù)這個步驟來解決問題。在“猜謎游戲”中熟悉順序搜索的使用方法，在“一分為二”的游戲中熟悉二分搜索的使用方法，然后思考兩種搜索方法的優(yōu)勢和不足。在完全不接觸計算機(jī)的情況下，學(xué)習(xí)掌握了基本的計算機(jī)原理，算法思維、分解、抽象、概括、評估等計算思維的能力也得到了培養(yǎng)。

需要注意的是，游戲化教學(xué)不等于做游戲，面向計算思維培養(yǎng)的不插電計算機(jī)科學(xué)游戲化教學(xué)，是關(guān)注學(xué)生思維的產(chǎn)生、變化、遷移，將計算機(jī)原理在計算機(jī)世界發(fā)生的過程通過游戲的形式在現(xiàn)實世界中模擬出來，建構(gòu)在學(xué)生的知識體系中。因此，交互問題的設(shè)計在游戲教學(xué)中十分重要，游戲不能單純的玩，需要教師在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)設(shè)疑，用問題幫助學(xué)生建立思維路徑，引導(dǎo)學(xué)生通過對話描述來顯現(xiàn)內(nèi)在的思維過程。同時，教師需要留心觀察學(xué)生在游戲中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在計算思維不同組成方面的敏銳度和潛力。

注：本文系上海市教育科學(xué)研究一般項目“面向計算思維的初中人工智能教育的實踐研究”（項目批準(zhǔn)號：C20078）的研究成果

參考文獻(xiàn)

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