小學(xué)階段“計(jì)算思維”教學(xué)的四要素分析

“計(jì)算思維”是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，它是21世紀(jì)高素質(zhì)人才的必備素養(yǎng)。美國卡梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真 （Jeannette M.Wing）教授認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。當(dāng)前最新最熱門的高科技大部分都是借助于計(jì)算思維發(fā)展起來的，比如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、人工智能、語音識(shí)別、機(jī)器人技術(shù)……所以我們很有必要從小學(xué)開始就進(jìn)行計(jì)算思維的滲透學(xué)習(xí)。

計(jì)算思維的學(xué)習(xí)建立在人理解計(jì)算機(jī)運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)運(yùn)用這樣的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的映射，從而得到我們想要的結(jié)果。但它的學(xué)習(xí)過程并不一定要用到計(jì)算機(jī)，為此筆者開設(shè)了主題為 “不開機(jī)學(xué)習(xí)計(jì)算思維”的興趣課程，讓學(xué)生不用計(jì)算機(jī)也能學(xué)到高深的計(jì)算機(jī)知識(shí)。以下是一些相關(guān)的做法：

一、計(jì)算思維教材——追溯信息技術(shù)的根源

計(jì)算思維是一個(gè)新鮮概念，2006年3月周以真教授首次提出這一概念，它也是計(jì)算機(jī)科學(xué)高度發(fā)展的必然結(jié)果。筆者認(rèn)為 “二進(jìn)制” “程序思維” “遞歸思想” “數(shù)據(jù)映射”是它的核心，為此編寫了校本教材 《小學(xué)計(jì)算思維教程》，該教程一共有26課，目錄如下：

第一課：從卡片到二進(jìn)制數(shù)；第二課：不同的二進(jìn)制數(shù)；第三課：二進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)；第四課：十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)為二進(jìn)制；第五課：讀心小魔術(shù)；第六課：用二進(jìn)制表示字母；第七課：用其他方法表示二進(jìn)制；第八課：用二進(jìn)制表示圖像；第九課：壓縮文字信息；第十課：奇偶校驗(yàn) （1）；第十一課：奇偶校驗(yàn) （2）；第十二課：哈希校驗(yàn)；第十三課：信息的多少；第十四課：決策樹；第十五課：線性搜索；第十六課：二分搜索；第十七課：哈希搜索；第十八課：選擇排序；第十九課：插入排序和冒泡排序；第二十課：快速排序；第二十一課：歸并排序；第二十二課：并行排序；第二十三課：網(wǎng)絡(luò)；第二十四課：路由與死鎖；第二十五課：處理輸入；第二十六課：使用FAS處理輸入。

按這個(gè)教程切實(shí)開展教學(xué)，就能讓學(xué)生進(jìn)入奇妙的信息技術(shù)科學(xué)殿堂，理解計(jì)算機(jī)的工作原理。學(xué)生學(xué)會(huì)的不僅僅是計(jì)算機(jī)知識(shí)，還有相應(yīng)的思維方法和思考技巧，這將對學(xué)生的未來產(chǎn)生極大的影響。

筆者盡量使用兒童化的語言來描述計(jì)算機(jī)世界，比如在二進(jìn)制學(xué)習(xí)的第一課作如下描述：

當(dāng)前，所有電子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制的形式來儲(chǔ)存和傳輸?shù)摹Ｈ绻覀兛梢糟@進(jìn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部，就會(huì)看到下面這樣的圖形。理解了二進(jìn)制數(shù)的工作原理也就意味著理解了計(jì)算機(jī)是怎樣處理信息的，計(jì)算機(jī)的神秘面紗也將會(huì)被揭開。

很神奇吧，計(jì)算機(jī)中全部信息都只用兩個(gè)數(shù)值來表示：0和1。0和1在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中以晶體管的開、關(guān)來表示 （“開”代表1，“關(guān)”代表0，或者相反也可以）。

是不是覺得二進(jìn)制一下子變得簡單了呢？

二、游戲活動(dòng)學(xué)真知——追求信息技術(shù)知識(shí)的形象化

雖然筆者在教材上做了很多努力，但難以掩蓋計(jì)算思維非常抽象的事實(shí)。因此，在每節(jié)課上都使用游戲教學(xué)法，設(shè)計(jì)精妙的活動(dòng)讓學(xué)生參加，讓他們在活動(dòng)中感受到計(jì)算思維的真諦。

1.在二進(jìn)制學(xué)習(xí)中我們使用卡片來開展活動(dòng)：

材料：準(zhǔn)備下圖五張卡片：

問題：①如果在左邊增加一張卡片，要畫幾個(gè)圓點(diǎn)？②如果再增加一張卡片，要畫幾個(gè)圓點(diǎn)？……

2.在學(xué)習(xí)用聲音傳送二進(jìn)制信息中我們設(shè)計(jì)了這樣的活動(dòng)：

首先要和小伙伴確定聲音表示的含義 （如 “吧”表示1，“布”表示0），然后明確你們傳送的是什么信息，是怎樣編碼的，最后你們就可以用 “唱”的方式來傳達(dá)信息了。當(dāng)然，你不用像計(jì)算機(jī)那樣高速地“唱”出這些聲音，你可以慢慢地、以聽得清的速度來表達(dá)。

問題：用 “唱”的方法傳送數(shù)字89。

3.在學(xué)習(xí)排序時(shí)，我們使用了下面這些材料來模擬計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式：

①托盤天平或自制玩具天平 （如下圖）；

②8個(gè)自制的物體，最好大小一樣。

活動(dòng)：

在天平的幫助下，一次比較兩個(gè)物體，依次找出最重的物體，從而實(shí)現(xiàn)從高到低的排列。

這樣的活動(dòng)每節(jié)課都有安排，目的就是讓學(xué)生“有效”地感受計(jì)算思維的核心思想。

三、問題探索引內(nèi)化——追尋腦中的信息技術(shù)脈絡(luò)

游戲教學(xué)的效果非常好，學(xué)生參與熱情高漲，但如果就此認(rèn)為他們學(xué)會(huì)了這個(gè)知識(shí)，那就大錯(cuò)特錯(cuò)。知識(shí)的內(nèi)化需要學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)，只有開動(dòng)腦筋積極思考，知識(shí)點(diǎn)才會(huì)在他們的大腦中建構(gòu)并和原有知識(shí)產(chǎn)生聯(lián)結(jié)，這樣才算他真正學(xué)會(huì)了。筆者認(rèn)為提出問題讓學(xué)生思考并回答是知識(shí)內(nèi)化的最好途徑，問題要設(shè)在他們的最近發(fā)展區(qū)，要問得有深度、有開放性。列舉筆者設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題：

1.比如在二進(jìn)制中有：

光盤利用光學(xué)原理來儲(chǔ)存比特，此時(shí)可以用碟片表面反光或不反光來表示0或1。下面的CD碟片上存儲(chǔ)了6位二進(jìn)制，如果吸收光表示0，反射光表示1，則下圖代表二進(jìn)制多少？

（學(xué)生對二進(jìn)制有了更多認(rèn)識(shí)，同時(shí)也了解了光盤的存儲(chǔ)原理）

2.比如在壓縮文字信息中有：

（通過思考如何把壓縮信息還原，可以幫助學(xué)生更好地理解游程壓縮算法）

3.在二分搜索中有：

①你一共幾次猜中對手的秘密戰(zhàn)艦？和上節(jié)課的成績相比有進(jìn)步嗎？是什么原因讓你進(jìn)步了？

②同學(xué)們最快用了幾次猜中秘密戰(zhàn)艦，最差的又是幾次呢？

③你是怎樣用二分查找的辦法來搜索秘密戰(zhàn)艦的？

④如果秘密戰(zhàn)艦不在隊(duì)列中會(huì)發(fā)生什么情況？要猜多少次才能發(fā)現(xiàn)？

⑤如果有100張卡片，要猜多少次才一定能贏得游戲？

（二分搜索操作起來并不難，難點(diǎn)是理解它的速度為什么會(huì)這么快。通過回答上述問題，學(xué)生可以將這個(gè)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)化）

每節(jié)課都需要學(xué)生全力開動(dòng)腦筋思考，他們的大腦就像裝了水泵一樣，不斷吸收著高深的計(jì)算思維知識(shí)。

四、“互聯(lián)網(wǎng)+”輔助教學(xué)——追逐高效學(xué)習(xí)的方法

在教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)有些內(nèi)容使用微課視頻的方式教學(xué)，效果會(huì)更好。這些內(nèi)容最好以動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)，需要學(xué)生多次學(xué)習(xí)。當(dāng)前 “互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展讓這一切都輕易實(shí)現(xiàn)，只需在合適的地方放上二維碼，學(xué)生掃一掃就可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)。

比如在 “讀心小魔術(shù)”一課上，我們就特意制作了視頻，從 “算命”這個(gè)情境導(dǎo)入，吸引學(xué)生思考為什么他能猜到我的想法，然后講解其中的原理，最后帶領(lǐng)學(xué)生制作這樣的魔術(shù)卡片。

又如在 “并行排序”一課上，我們也錄制了視頻，首先在桌上用游戲棋來演示玩法，然后在操場上實(shí)地來玩，最后講解其中的原理。

視頻貴精不貴多，無需為每節(jié)課錄制，在需要的地方放上即可。它讓我們乘上 “互聯(lián)網(wǎng)+”的東風(fēng)，快速航行在計(jì)算思維的大海上。

計(jì)算思維作為信息技術(shù)的核心素養(yǎng)，它的重要性與日俱增。在培養(yǎng)計(jì)算思維的道路上，筆者作了一些嘗試，取得了一定效果。將計(jì)算思維作為一個(gè)單獨(dú)的課程，以興趣課的形式開展教學(xué)，學(xué)生學(xué)得開心、學(xué)得扎實(shí)。計(jì)算思維是一個(gè)廣義的概念，更需要教師集思廣益，在長期的教學(xué)實(shí)踐中不斷探索、補(bǔ)充。