小學階段“計算思維”教學的四要素分析

摘 要：“計算思維”是信息技術學科的核心素養之一，計算思維正在改變世界。本文從教學內容、活動開展、知識內化、網絡教學四個方面闡述了筆者在計算思維培養方面的實踐。難得之處在于，這個計算思維課不需要計算機，而是大量使用游戲活動。

關鍵詞：信息技術；核心素養；計算思維

作者簡介：梁柳平，浙江新昌縣教育體育局助理研究員，研究方向為中小學信息技術教學。（浙江 紹興 312000）

中圖分類號：G623.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）10-0116-03

“計算思維”是信息技術學科的核心素養之一，它是21世紀高素質人才的必備素養。美國卡梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授認為：計算思維是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。當前最新最熱門的高科技大部分都是借助于計算思維發展起來的，比如人工神經網絡、深度學習、人工智能、語音識別、機器人技術……所以我們很有必要從小學開始就進行計算思維的滲透學習。

計算思維的學習建立在人理解計算機運行方式的基礎上，學會運用這樣的方法對數據進行一系列的映射，從而得到我們想要的結果。但它的學習過程并不一定要用到計算機，為此筆者開設了主題為“不開機學習計算思維”的興趣課程，讓學生不用計算機也能學到高深的計算機知識。以下是一些相關的做法：

一、計算思維教材——追溯信息技術的根源

計算思維是一個新鮮概念，2006年3月周以真教授首次提出這一概念，它也是計算機科學高度發展的必然結果。筆者認為“二進制”“程序思維”“遞歸思想”“數據映射”是它的核心，為此編寫了校本教材《小學計算思維教程》，該教程一共有26課，目錄如下：

第一課：從卡片到二進制數；第二課：不同的二進制數；第三課：二進制數的特點；第四課：十進制數轉為二進制；第五課：讀心小魔術；第六課：用二進制表示字母；第七課：用其他方法表示二進制；第八課：用二進制表示圖像；第九課：壓縮文字信息；第十課：奇偶校驗（1）；第十一課：奇偶校驗（2）；第十二課：哈希校驗；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：網絡；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。

按這個教程切實開展教學，就能讓學生進入奇妙的信息技術科學殿堂，理解計算機的工作原理。學生學會的不僅僅是計算機知識，還有相應的思維方法和思考技巧，這將對學生的未來產生極大的影響。

筆者盡量使用兒童化的語言來描述計算機世界，比如在二進制學習的第一課作如下描述：

當前，所有電子計算機的數據都是以二進制的形式來儲存和傳輸的。如果我們可以鉆進計算機內部，就會看到下面這樣的圖形。理解了二進制數的工作原理也就意味著理解了計算機是怎樣處理信息的，計算機的神秘面紗也將會被揭開。

很神奇吧，計算機中全部信息都只用兩個數值來表示：0和1。0和1在計算機內存中以晶體管的開、關來表示（“開”代表1，“關”代表0，或者相反也可以）。

是不是覺得二進制一下子變得簡單了呢？

二、游戲活動學真知——追求信息技術知識的形象化

雖然筆者在教材上做了很多努力，但難以掩蓋計算思維非常抽象的事實。因此，在每節課上都使用游戲教學法，設計精妙的活動讓學生參加，讓他們在活動中感受到計算思維的真諦。

1. 在二進制學習中我們使用卡片來開展活動：

材料：準備下圖五張卡片：

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

2. 在學習用聲音傳送二進制信息中我們設計了這樣的活動：

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”的方式來傳達信息了。當然，你不用像計算機那樣高速地“唱”出這些聲音，你可以慢慢地、以聽得清的速度來表達。

問題：用“唱”的方法傳送數字89。

3. 在學習排序時，我們使用了下面這些材料來模擬計算機的運行方式：

① 托盤天平或自制玩具天平（如下圖）；

② 8個自制的物體，最好大小一樣。

活動：

在天平的幫助下，一次比較兩個物體，依次找出最重的物體，從而實現從高到低的排列。

這樣的活動每節課都有安排，目的就是讓學生“有效”地感受計算思維的核心思想。

三、問題探索引內化——追尋腦中的信息技術脈絡

游戲教學的效果非常好，學生參與熱情高漲，但如果就此認為他們學會了這個知識，那就大錯特錯。知識的內化需要學生主動建構，只有開動腦筋積極思考，知識點才會在他們的大腦中建構并和原有知識產生聯結，這樣才算他真正學會了。筆者認為提出問題讓學生思考并回答是知識內化的最好途徑，問題要設在他們的最近發展區，要問得有深度、有開放性。列舉筆者設計的幾個問題：

1. 比如在二進制中有：

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

（學生對二進制有了更多認識，同時也了解了光盤的存儲原理）

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艦？和上節課的成績相比有進步嗎？是什么原因讓你進步了？

②同學們最快用了幾次猜中秘密戰艦，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艦的？

④如果秘密戰艦不在隊列中會發生什么情況？要猜多少次才能發現？

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，難點是理解它的速度為什么會這么快。通過回答上述問題，學生可以將這個知識點內化）

每節課都需要學生全力開動腦筋思考，他們的大腦就像裝了水泵一樣，不斷吸收著高深的計算思維知識。

四、“互聯網+”輔助教學——追逐高效學習的方法

在教學過程中，筆者發現有些內容使用微課視頻的方式教學，效果會更好。這些內容最好以動畫的形式呈現，需要學生多次學習。當前“互聯網+”技術的發展讓這一切都輕易實現，只需在合適的地方放上二維碼，學生掃一掃就可以隨時隨地學習。

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

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，然后在操場上實地來玩，最后講解其中的原理。

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

計算思維作為信息技術的核心素養，它的重要性與日俱增。在培養計算思維的道路上，筆者作了一些嘗試，取得了一定效果。將計算思維作為一個單獨的課程，以興趣課的形式開展教學，學生學得開心、學得扎實。計算思維是一個廣義的概念，更需要教師集思廣益，在長期的教學實踐中不斷探索、補充。

責任編輯 張 婕