基于計算思維的信息技術教學設計模式的研究

王蕾

教學現場

近期，多地陸續開展了以培養學生計算思維能力為主題的信息技術教學研究活動，提供了大量的課堂教學實踐案例。但是在這些案例中，常見到教研主題與教學內容偏離的情況：教研活動以計算思維為引領，但在實際的教學過程中，教師仍然延續傳統的教學模式，以“講、模、練”為基本框架來組織教學活動，課堂并未出現明晰的計算思維的特征，以至于信息技術課堂仍然濤聲依舊，未達到預期的目標。

問題分析

信息技術的核心學科素養包括信息意識、計算思維、數字化學習和信息責任四個方面。在上述教學主題活動中，教師主觀上具有了計算思維的意識，但客觀上缺乏計算思維的實踐經驗，以至于設計理念與設計過程背道而馳，甚至缺乏關聯。

計算思維與信息技術教學的關系

1.計算思維及其特點

2006年3月美國卡內基梅隆大學的計算機科學系主任周以真（Jeannette M.wing）教授，在美國計算機權威期刊Communicatjons Of The AcM上，對計算思維進行如下定義：計算思維是指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。

2011年，國際教育技術協會（ISTE）和計算機科學教師協會（CSTA）對計算思維下了一個操作性的定義，即計算思維是一個問題解決的過程，包括以下特點：①制訂問題，并能夠利用計算機和其他工具來幫助解決該問題；②符合邏輯地組織和分析數據；③通過抽象，如模型、仿真等，再現數據；④通過算法思想（一系列有序的步驟），支持自動化的解決方案；⑤識別、分析和實施可能的解決方案，找到最有效的方案，并且有效結合這些步驟和資源；⑥將該問題的求解過程進行推廣并移植到更廣泛的問題中。

2.信息技術視域中的計算思維方式踐行方式

計算思維的本質是抽象和自動化，其核心是解決問題所涉及的算法問題。計算思維由算法思維、評估、分解、抽象、概括五個方面構成。信息技術作為一門以“解決問題”為學習目標之一的學科，具有鮮明的計算思維特征。信息技術學科的思維關注學生的計算思維、批判性思維與創新思維。在中小學信息技術課程實施過程中，如何有效培養學生的計算思維，是中小學信息技術學科教師十分關注的問題。

編程課程與計算思維培養的關聯

1.當前信息技術課堂在計算思維培養中存在的問題與不足

計算思維在信息技術教學中具有重要的意義，但從一種理論到具體的教學實踐，其間還有較大的差距，很多信息技術教學設計仍然延續傳統的“演示+操練”的模式，教師雖有著培養計算思維的想法，卻苦于缺少具體的指導方案，而沒有將想法付諸實踐，這導致計算思維的教學實踐案例較少，或者僅僅是披著計算思維的外衣，卻有著傳統教學的內核。

2.計算思維在兒童編程軟件學習中的作用

兒童編程單元具有明確的任務主線，項目目標清晰，其作品可在短期內通過一定的程序達成。作為一種顯性的、具有算法思維特征的內容，兒童編程軟件具有門檻低、模塊化、封裝化的特點。借助兒童編程軟件的設計，可以讓信息技術教師明確計算思維的基本設計路徑，以具體的內容載體，進行初期的教學設計嘗試。

編程模塊中培養計算思維的教學設計模式

在課堂教學過程中，基于計算思維進行的教學設計具有鮮明的特征。本文以兒童編程課程為例，探索基于計算思維培養的信息技術教學設計模式。

1.序化模式：算法思維——從任務導向到問題導向

算法思維是計算思維的重要組成部分，關注具有實際意義的問題，以問題求解的過程作為教學的導向，進而推動教學行進的過程。在基于計算思維的教學設計中，教學課件、學件及作業形式等，都應圍繞算法的演進，進行針對性的教學設計。

（1）原設計

小學信息技術《Scratch圖章》一課的教學重點為Scratch“畫筆”模塊中的“圖章”“清除”命令，涉及Scratch“畫筆”“外觀”“動作”等模塊的內容。在常規課的教學過程中，教師一般采用以下的流程進行教學：①介紹“圖章”和“清除”命令；②演示“圖章”程序的搭建方法；③學生練習編寫“圖章”命令的程序。

（2）思考焦點

在教師沒有提供學習情境的前提下，學生為何要進行“圖章”的學習？學習“圖章”以后能做什么？哪些情況下需要使用“圖章”？這些問題都未能進行有效的設問，因此學生對于“圖章”的算法是缺乏心理預設的。在實際上課中，學生僅僅是在模仿教師的程序搭建過程，而并沒有進行有效的自我構建。這樣的學習過程，是機械學習的技能模仿，缺乏必要的計算思維過程。

（3）改進型設計

在基于計算思維的“圖章”教學過程中，首先確定教學重點為“圖章”程序的自然語言表達。選擇從生活中提煉具有實際意義的活動為任務目標，將問題的解決作為推進教學過程的導向主線。在此基礎上，以問題的逐步解決來分層進行學習，通過具體的活動載體來承載學習任務。

在《Scratch認識圖章》這一課中，首先確定問題主線，進行與此相關的問題組件設計，層層推動任務行進路線，進而將認知內容具體化（如圖1）：

導入設問：教師展示只有一個花瓣的圖例，詢問學生，可否稱之為花朵？學生質疑，花瓣數量不夠→問題產生：如何能在較短時間內，形成一朵完整的花→師生進入新授環節。

任務解問：一花一世界→解決花瓣的瞬間復制問題；五彩爛漫時→解決花朵的變色問題；動態花精彩→解決花朵的循環旋轉問題。

擴展追問：導入不同角色的花朵，促發學生思考，如何能讓這些花朵達到心儀的動作方式→學生探索實現途徑→通過修改程序、嘗試程序積木的方式來獲得任務的達成。

總結考問：學生總結四個任務的實現過程，梳理出程序思考的過程，繪制出共性的流程圖，并結合今天的主題進行Scratch的功能鏈接，從而加深意義學習的過程。endprint

教學評析：在基于計算思維的教學設計過程中，學生帶著算法進行有目的的任務推進活動。導入部分，教師提出了明顯的問題要求，給學生明晰的解決方案，此時的目標是合理的、符合兒童認知規律的；問題的層層推進，推動學生不斷地進行有關算法的思維過程，從四個顯性問題的解決中，潛移默化地學習了隱性的知識內容。

2.回溯模式：分解思維——從任務拆解到認知疊加

分解思維是計算思維的重要組成部分，它要求學生不僅能夠理解算法的過程，還能夠通過具體的實例對算法進行分解，明晰每一個部分的具體意義。通過回溯算法等方式，將任務進行逐步的拆解，再根據實際情況進行認知內容的疊加，從而形成明晰的結構主線。

（1）原設計

在Scratch的“旋轉方式”模塊的學習中，常見的設計方式是教師演示小貓的旋轉過程，指出實現旋轉的程序模塊，再帶領學生進行相關的練習。

（2）思考焦點

常規的教學過程，教學思路并無錯誤，但是仔細思考，小貓自身是缺乏旋轉的實際意義的，它只是被旋轉，因此，程序本身與小貓的旋轉只有技術關聯，缺乏意義關聯。在學生完成一個任務后，沒有出現對程序進行分解的路線支架，所以學習過程機械單調，難以深入。

（3）改進型設計

教師將“旋轉方式”作為一種角色運動的程序支架，讓實物的旋轉和程序同期出現，讓學生思考角色和程序之間的關聯。在完成了第一組“角色+程序”的組合之后，再出示另外的“角色+程序”組合，給學生充分的回溯思維的過程，以達到知識遷移的目的（如圖2）。

教師提出問題：從一個花瓣變成十個花瓣的腳本入手，分析腳本與動畫之間的關系。

學生思考：一個花瓣是如何變成十個花瓣的，并將猜測的結論通過程序來進行驗證，并最終得出將“向左或右旋轉360/10度”，在“復制”“粘貼”的過程“重復10次”后，可以得到十瓣花的結論。此時，教師留下問題：“旋轉角度”和花瓣數量之間有什么樣的聯系？

教師依據上面活動的結論，提出“數字與邏輯運算”中的關聯。課件中繼續出現四瓣花、五瓣花、七瓣花，讓學生對相應的腳本進行自然語言的表達。自此，突破本課中的教學難點：旋轉角度和花瓣數量之間的聯系。

教學評析：在基于計算思維的教學設計過程中，教師將著力點從講解程序的編寫過程，改變為讓學生分析程序的組合原理。通過對每個花瓣的旋轉角度的分析，學生可以理解到“數字和邏輯運算”模塊中運算的自然意義。學生在對實物與腳本的對應分析后，加深了對程序本身的理解，也鞏固了思維過程的嚴密性。通過教學實踐，此教學設計的學生作品達成率較多，收到了良好的教學效果。

3.變量模式：抽象思維——從學習泛配到個性適配

計算思維強調解決問題的策略具有多途徑性和一定的開放性，鼓勵學生能夠在合理的情況下，通過多種方式來解決實際問題。與傳統的信息技術設計不同的是，計算思維對于個體的適配性更為貼切，鼓勵學生運用多種信息化的工具解決問題。其中，變量作為一項任務推進體，承擔著學習過程的落實作用。

（1）原設計

在《PC LOGO定義過程》一課中，常規的設計方式一般采用以下的教學流程：教師演示一個正方形的繪制方式→講解如何用定義過程的方式繪制正方形→讓學生練習如何通過定義過程的方法繪制正方形→教師演示如何通過repeat與定義過程組合，繪制出較為復雜的圖形→學生進行拓展練習。從程序自身而言，這樣的設計是合理的，但是實際教學中，常常出現學生只會畫正方形組成的圖形，而無法遷移到其他圖形的情況，造成千篇一律的尷尬狀況。

（2）思考焦點

在本節課設計中，程序編寫單元的邏輯結構嚴密，具有一定的教學難度。因此教師在教學此內容時，往往會依據經驗，采用較為保守的講授式教學模式。但是此教學模式突出的問題在于常導致學生只知其然，卻不知其所以然，學習過程模仿的痕跡明顯，沒有必要的遷移和拓展過程，缺乏個性化的作品呈現。

（3）改進型設計

基于計算思維的教學設計中，將注重從學習任務中提取出具有變量特性的元素，將其應用于學習過程中，以此開展構建個性化的作品（如圖3）。

教師從奧運五環導入，分析五環是如何演變出的。（分析其組成，找出其中的變量）

學生分析出圓形的組合規律后，進行基于圓形的圖形繪制，嘗試出多圓組合的形式。

教師再引導學生分析：“利用定義好的基本圖形，可以畫出這樣的一組圖形嗎？”讓學生根據課件中的內容分析組成復雜圖形的變量。再給學生思考的空間，由點及面，進行多層次的變量定義。

學生定義正方形→正方形組合；定義三角形→定義三角形組合。

教師分析多定義命令的程序。

學生定義兩個基本圖形→繪制正方形、三角形組合的復雜圖形，并進行自我喜好的作品加工。

教師引導學生在作品中找出共性的內容，反思自己的作品，進行更富有個性化的圖形繪制。

教學評析：對比傳統的以講解過程為主的教學設計，基于計算思維的教學設計注重變量引發的變式，用變式帶來學生個性化的問題解決方案。在基于計算思維的《PC LOGO定義過程》的設計中，教師將更多的關注點放在了引導學生思考如何能定義原理，定義過程后如何利用變量進行創作，自我的設計思路和變量之間的邏輯關系是怎樣的等問題上通過此設計，學生在教學中創作了大量豐富多彩的作品，讓編程軟件真正成為個性化的創作工具。

總結與展望

基于計算思維的信息技術教學設計，鼓勵學生依據科學的方式進行學習，通過算法思維對問題解決的框架進行了梳理，通過分解思維對問題實現的路徑進行了解析，通過抽象思維對自然語態下的活動進行了項目化的提升，掌握了深度意義學習的精髓。在進行計算思維的過程中，要注意以下幾點：①計而不算。計算思維雖然分為算法思維、評估、分解、抽象、概括五個過程，但這五個過程之間是相互依存、相互促進的關系。如果只關注分析問題，而不進行必要的數值邏輯計算，那么解決問題的途徑只能是紙上談兵，無法落地。②只算不計。與計而不算相對應的是只埋頭進行計算，而忽視了整個的問題框架的設計。算法固然重要，但仍然要合理合情地進行，在同等條件下，要尋求最佳的解決途徑，尋求最佳性價比。③計算而思。計算思維是信息技術課的靈魂，作為教師，要能夠積極地喚起學生多角度的遷移能力和拓展意識，避免封閉的、線性的認知習慣。百花齊放，才是信息技術課堂正確的打開方式。endprint