基于PBL教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)研究

摘 要：計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一，采用何種教學(xué)模式能更有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維是值得我們關(guān)注的問題。PBL教學(xué)模式以問題為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的主體地位，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)問題并獨(dú)立思考分析問題，合作解決問題。在小學(xué)信息技術(shù)課程尤其是機(jī)器人模塊的教學(xué)中，PBL教學(xué)模式的應(yīng)用不僅能優(yōu)化學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動(dòng)，還能培養(yǎng)其計(jì)算思維和解決問題的能力。文章以《機(jī)器人機(jī)械手》一課的教學(xué)為例，探討了基于PBL教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)路徑。

關(guān)鍵詞：PBL教學(xué)模式；計(jì)算思維；小學(xué)信息技術(shù)

作者簡介：王柏姣（1994—），女，江蘇省蘇州市昆山開發(fā)區(qū)世茂蝶湖灣小學(xué)。

隨著時(shí)代的發(fā)展，小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)重心逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生思維能力的培養(yǎng)，要求讓學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的方法，能應(yīng)用知識解決實(shí)際問題。《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》提出，要倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂于探究、勤于動(dòng)手；要培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力以及交流與合作的能力。在小學(xué)階段，機(jī)器人模塊是新技術(shù)類教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)，其注重提高學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新精神，這恰好與運(yùn)用PBL教學(xué)模式來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維的目標(biāo)相一致。

一、PBL教學(xué)模式與計(jì)算思維的內(nèi)涵

（一）PBL教學(xué)模式

基于問題的學(xué)習(xí)（PBL）是一種以問題為基礎(chǔ)的課程教學(xué)模式，教學(xué)目標(biāo)是提升學(xué)生的問題解決能力［1］。PBL教學(xué)模式以學(xué)生為主體，以問題為中心，重視創(chuàng)設(shè)真實(shí)的生活情境，幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方法，優(yōu)化思維方式，讓學(xué)生在小組合作解決問題的過程中提高分析問題和解決問題的能力，從而提升信息素養(yǎng)。PBL教學(xué)模式的基本流程如下：創(chuàng)設(shè)情境，提出問題；劃分小組，分析問題；協(xié)作學(xué)習(xí)，解決問題；展示成果；總結(jié)反思；評價(jià)反饋［2］。

（二）計(jì)算思維

新課程標(biāo)準(zhǔn)指出，計(jì)算思維是個(gè)體運(yùn)用計(jì)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(dòng)。具備計(jì)算思維的學(xué)習(xí)者，在信息活動(dòng)中能界定問題，科學(xué)地采集數(shù)據(jù)，分析各種信息資源，進(jìn)而能運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案，并遷移到與之相關(guān)的其他問題的解決過程中［3］。國內(nèi)外一些專家針對計(jì)算思維的能力要素提出了自己的觀點(diǎn)，而本文主要探討小學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)，因此能力要素主要指向分解、抽象、算法設(shè)計(jì)、調(diào)試和遷移。

二、構(gòu)建基于PBL的計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)模型

（一）構(gòu)建依據(jù)

計(jì)算思維的培養(yǎng)與問題解決過程具有緊密的聯(lián)系。PBL教學(xué)模式以學(xué)生為中心、問題為導(dǎo)向，促使學(xué)習(xí)者通過小組合作的形式共同解決一些生活中的實(shí)際問題，并讓學(xué)習(xí)者在探究問題解決方法的過程中培養(yǎng)計(jì)算思維。機(jī)器人模塊是信息技術(shù)學(xué)科的重要內(nèi)容之一，注重學(xué)生對問題解決方案的規(guī)劃和探究，實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維能力的提升［4］。因此，運(yùn)用PBL教學(xué)模式有利于在機(jī)器人教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，進(jìn)一步提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

（二）基于PBL的計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)模型

在小學(xué)信息技術(shù)課程尤其是機(jī)器人模塊的教學(xué)中，教師要將教師、學(xué)習(xí)者與問題緊密結(jié)合起來，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的貼近學(xué)生生活的情境，圍繞計(jì)算思維的五大要素來設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)；學(xué)生則要運(yùn)用計(jì)算思維的方法合作探究解決問題，以培養(yǎng)自己的計(jì)算思維。筆者基于諸多專家、學(xué)者的觀點(diǎn)，結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將計(jì)算思維五要素融入PBL教學(xué)模式的教學(xué)流程，構(gòu)建了基于PBL的計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)模型，如圖1。

●PBL流程一：創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

PBL教學(xué)模式中，問題是教學(xué)活動(dòng)的核心。創(chuàng)設(shè)情境可以激發(fā)學(xué)生的興趣和動(dòng)力，充分調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的積極性。因此，教師應(yīng)依據(jù)教學(xué)目標(biāo)，選擇恰當(dāng)?shù)那榫吃O(shè)計(jì)問題，促使學(xué)生主動(dòng)思考。這樣，學(xué)生會(huì)在問題的引導(dǎo)下積極思考、分析并探究解決方案。

●PBL流程二：劃分小組，分析問題

計(jì)算思維要素：分解

PBL教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以小組協(xié)作的方式解決問題。教師在進(jìn)行分組時(shí)，既要尊重學(xué)生的意愿，又要考慮學(xué)生的個(gè)體差異。此外在小組人數(shù)方面，教師要根據(jù)學(xué)習(xí)問題的難度，將小組人數(shù)控制在三到六人之間。分析問題時(shí)，學(xué)生要運(yùn)用計(jì)算思維中的分解要素，將復(fù)雜問題分解為多個(gè)簡單問題后，再規(guī)劃解決的方案。

●PBL流程三：協(xié)作學(xué)習(xí)，生成方案

計(jì)算思維要素：抽象、算法設(shè)計(jì)

此環(huán)節(jié)教師主要發(fā)揮引導(dǎo)者的作用，針對問題適時(shí)進(jìn)行提示，提供解決問題的相關(guān)信息資源，適時(shí)給予個(gè)別指導(dǎo)。而學(xué)生則要在教師的引導(dǎo)下，將現(xiàn)實(shí)生活中的問題抽象表達(dá)成計(jì)算機(jī)可以識別的形式（抽象），進(jìn)而利用一系列指令或者規(guī)則準(zhǔn)確完整地描述解決方案（算法），并將解決方案通過編程轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的指令，這也是學(xué)生以小組為單位生成方案的過程。

●PBL流程四：自主探究，解決問題

計(jì)算思維要素：調(diào)試

信息技術(shù)課堂上的作品很難一次就能完成，需要經(jīng)過反復(fù)的修改、完善。在這一環(huán)節(jié)，學(xué)生通過調(diào)試能發(fā)現(xiàn)方案中存在的問題，進(jìn)而反復(fù)修改找到最優(yōu)方案（調(diào)試），最終解決問題。

●PBL流程五：分享交流，總結(jié)反思

在總結(jié)分享環(huán)節(jié)，教師應(yīng)組織學(xué)生對作品進(jìn)行展示，讓各小組匯報(bào)探究過程中遇到的問題及解決方法，進(jìn)行自評和反思，并讓學(xué)生在展示成果、欣賞作品的基礎(chǔ)上分享經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納所學(xué)知識，構(gòu)建知識體系，內(nèi)化知識，拓展思維空間。

●PBL流程六：拓展延伸，發(fā)散思維

計(jì)算思維要素：遷移

此環(huán)節(jié)學(xué)生要根據(jù)實(shí)際需求和情境進(jìn)行合理的個(gè)性化作品創(chuàng)作，將所學(xué)的知識技能和思維方式進(jìn)行拓展延伸，解決實(shí)際生活問題。這樣，學(xué)生能結(jié)合整個(gè)解決問題的過程，發(fā)現(xiàn)、分析和實(shí)施有效的解決方案，并將這種解決方案遷移到其他問題中［5］。

三、基于PBL的計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐案例

筆者以蘇科版小學(xué)信息技術(shù)機(jī)器人模塊中的《機(jī)器人機(jī)械手》一課為例展開實(shí)踐研究。本課是一節(jié)社團(tuán)主題活動(dòng)課，依托樂高機(jī)器人設(shè)備和Wedo 2.0編程平臺開展。本課的學(xué)習(xí)目標(biāo)是了解機(jī)器人機(jī)械手的工作原理，并通過硬件結(jié)構(gòu)的搭建和相關(guān)程序的編寫，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取活動(dòng)。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師通過多種方式創(chuàng)設(shè)真實(shí)的、貼近生活的問題情境，符合教學(xué)大綱及學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。本課教學(xué)中，教師結(jié)合學(xué)生的生活和學(xué)習(xí)場景，設(shè)置了實(shí)際生活中的問題——如何幫助手部有缺陷的人重獲運(yùn)動(dòng)能力？在引發(fā)學(xué)生人文關(guān)懷的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生對機(jī)械手的探究興趣。

師：請大家伸出一只手，試一試你的手能做出哪些動(dòng)作？（教師舉起一只手）

生：抓東西、放東西、做手勢……

師：人手可以做出許多動(dòng)作（教師做出拿起筆筒、放下筆筒動(dòng)作），如果一個(gè)人無法做出其中一種或多種動(dòng)作，還能完成某些運(yùn)動(dòng)嗎？（播放手部有殘疾的人的視頻片段）那我們?nèi)绾卫每茖W(xué)技術(shù)來幫助他們呢？

生：機(jī)器人、智能機(jī)械手。

師：隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人機(jī)械手可以幫助人們重新獲得相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)能力。（播放“仿生機(jī)械手”視頻）今天我們就來探究如何利用機(jī)械手抓取物體。

（二）劃分小組，分析問題

教師根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行分組，分組時(shí)注意各組能力均衡。學(xué)生之間、學(xué)生和教師之間是互相尊重、彼此平等的，教師要積極引導(dǎo)學(xué)生思考，大膽提出自己的想法。機(jī)器人教學(xué)中，每個(gè)小組有四名成員：一名小組長，一名操作手，一人主攻搭建，一人負(fù)責(zé)編寫程序。教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察人手的構(gòu)造和了解生活中機(jī)械手應(yīng)用的實(shí)例，并進(jìn)行分析思考，初步構(gòu)建任務(wù)模型。

（三）協(xié)作學(xué)習(xí)，生成方案

1.抽象模型，制作機(jī)械手

教師引導(dǎo)學(xué)生簡化問題，將問題進(jìn)行分解。學(xué)生再結(jié)合教師分享的多媒體資源，設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)械手，抽象出機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)，簡化機(jī)器人模型。

師：怎樣搭建機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)抓取物體的運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生小組討論，交流想法。

小組1匯報(bào)：利用齒輪增加機(jī)械手抓取物體的摩擦力。

小組2匯報(bào)：通過馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)皮筋轉(zhuǎn)動(dòng)滑輪，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪張開和閉合。

各小組動(dòng)手搭建機(jī)械手結(jié)構(gòu)模塊。

2.算法設(shè)計(jì)，編寫程序

在完成結(jié)構(gòu)搭建后，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的算法。此環(huán)節(jié)中，教師引導(dǎo)學(xué)生先完成流程圖，再通過編寫程序代碼實(shí)現(xiàn)抓取活動(dòng)，讓學(xué)生逐步明白算法的含義，逐漸形成解決問題的算法思想，培養(yǎng)計(jì)算思維。

【基礎(chǔ)任務(wù)】控制機(jī)械手的張開和握緊動(dòng)作，抓取花朵并放到終點(diǎn)位置。

小組合作完成流程圖后匯報(bào)：使用馬達(dá)運(yùn)行塊，結(jié)合順時(shí)針方向塊實(shí)現(xiàn)張開動(dòng)作，結(jié)合逆時(shí)針方向塊實(shí)現(xiàn)握緊動(dòng)作。

學(xué)生編程，控制馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手抓取物體的運(yùn)動(dòng)。

【升級任務(wù)】控制機(jī)械手連續(xù)抓取花朵和插頭并放到終點(diǎn)位置。

師：要連續(xù)抓取兩個(gè)物體，我們該如何編寫程序呢？

學(xué)生小組討論交流，編寫程序，嘗試實(shí)踐。

小組匯報(bào)：抓取兩個(gè)物體，需要進(jìn)行2次抓取和放下，4次張開和握緊，因此需要8個(gè)方向塊。

（四）自主探究，解決問題

機(jī)器人機(jī)械手制作完成后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐測試。機(jī)器人有可能會(huì)因?yàn)楦鞣N問題導(dǎo)致沒有完成任務(wù)，例如結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定、程序中有語法錯(cuò)誤等。此時(shí)，教師注意引導(dǎo)學(xué)生尋找問題所在并修正錯(cuò)誤。

1.調(diào)試程序

師：機(jī)械手抓取物體時(shí)，遇到了什么問題？沒有成功的原因是什么？

生：機(jī)械手在抓取花朵時(shí)，張開握緊的速度太快，來不及抓取。

師：怎樣調(diào)試修改程序使其順利抓取呢？

學(xué)生優(yōu)化程序后再次嘗試實(shí)踐，得出解決方法：增加“等待”程序塊。

2.優(yōu)化程序

師：我們來看這個(gè)小組的程序（如圖2），你有什么想法？

生1：程序太長了，有點(diǎn)煩瑣。

師：有什么解決辦法嗎？其他小組的方法是什么？

生2：用循環(huán)簡化，找到相同的程序塊，加一個(gè)“重復(fù)塊”。如圖3。

學(xué)生優(yōu)化程序并實(shí)踐。

（五）分享交流，總結(jié)反思

此環(huán)節(jié)中，在各小組展示成果后，學(xué)生進(jìn)行自評和反思，想想在探究實(shí)踐和解決問題的過程中，哪些方面做得好及哪些方面有待改進(jìn)。學(xué)生在反思與思維的碰撞中能有效地歸納總結(jié)方法與經(jīng)驗(yàn)。

分小組展示各組最終成果。

師：大家已經(jīng)得出控制機(jī)械手抓取物體的方法，有什么收獲？

學(xué)生討論交流，匯報(bào)想法。

生1：運(yùn)用方向塊、功率塊、重復(fù)塊等程序塊可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取物體的運(yùn)動(dòng)。

生2：編寫程序時(shí)，由于搞不清方向塊和功率塊的次數(shù)，在實(shí)際抓取物體時(shí)遇到了問題，重復(fù)塊的次數(shù)要具體分析。

生3：調(diào)試程序時(shí)，要注意左右方向塊的順序和次數(shù)、等待時(shí)間、馬達(dá)功率等的設(shè)置。

（六）拓展延伸，發(fā)散思維

在最后一個(gè)環(huán)節(jié)中，教師要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣古c延伸，根據(jù)本課內(nèi)容并結(jié)合后續(xù)的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)拓展性問題，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，將此類解決問題的方案遷移到其他類似的問題解決過程中，實(shí)現(xiàn)知識的遷移應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識及創(chuàng)造精神。

【挑戰(zhàn)大比拼】在相同時(shí)間內(nèi)，比賽抓取并放下物體，數(shù)量最多的小組獲勝。

各小組編寫并調(diào)試程序，計(jì)時(shí)一分鐘，比賽看哪個(gè)小組的機(jī)械手抓取物體的數(shù)量最多，并匯報(bào)情況。

生1：編寫程序要注意馬達(dá)的速度和循環(huán)塊的次數(shù)，修改機(jī)械手的馬達(dá)功率可以提高抓取能力。

生2：物體的大小和形狀都會(huì)影響機(jī)械手的抓取效果。

師：通過今天的探究，我們學(xué)會(huì)了制作機(jī)械手完成物體的抓取和放置動(dòng)作。這只是相當(dāng)簡單的功能，我們還可以對它進(jìn)行改造，比如增加更多的傳感器、改造機(jī)械手的形狀、拼裝更多部件等，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的動(dòng)作。（延伸機(jī)器人機(jī)械手的運(yùn)用）

結(jié)語

計(jì)算思維在生活中應(yīng)用廣泛，其注重問題求解的最佳形式，能使復(fù)雜問題簡單化，幫助人們解決復(fù)雜的問題。因此，計(jì)算思維的培養(yǎng)不應(yīng)局限于課堂，而是要回歸學(xué)生的實(shí)際生活，提高學(xué)生解決問題的能力。

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