計算思維在初中信息技術學科中的實踐探索

金喆

《江蘇省義務教育信息技術課程綱要（2017年修訂）》中指出，學生要嘗試運用計算思維識別與分析問題，抽象、建模與設計系統性解決方案。信息技術學科的本質在于培養學生使用現代信息技術進行問題解決的思維方式，而這種思維方式就是計算思維。筆者結合課堂實踐，總結了以下三個教學策略。

“游戲化設計”中的計算思維

游戲化設計不是游戲設計。游戲化是指使用游戲機制和游戲化體驗設計，數字化地鼓舞和激勵人們實現自己的目標。游戲化設計有助于激發學生的學習動機，能夠幫助學生學習知識、提高能力、培養正確的情感態度與價值觀，能夠促進自主學習等學習方式，讓學生參與設計也有助于計算思維的培養。

例如，江蘇省初中信息技術教材《動畫設計與制作》章節，包含多個動畫類型，如動畫補間動畫、形狀補間動畫、引導層動畫、遮罩動畫等。如果將這些動畫類型綜合運用，配合多個人物、動物等元素形象，可以實現一個具有故事情節的綜合動畫。做這樣具有故事情節，類似于小游戲的動畫，學生創作積極性高，但完成的作品質量卻令人堪憂。作品大多是這樣的：具有動畫效果，能夠動靜分離，但沒有故事發生，一般為多個對象在固定背景下孤獨地做著移動、跳躍、挪動等動作，對象之間沒有配合。如何讓動畫中的人物、動物等元素發生一些碰撞、一些交叉、一些故事，關鍵在于劇本的設計。劇本設計也是在時間軸上計算動畫元素間的動作關系，這是一種計算思維的提升過程。在設計動畫游戲故事方面，筆者給出的建議是三步法。所謂三步法，就是分三步來幫助學生理清思路，找到循序漸進解決問題的方法。

第一步：瀏覽素材，選擇人物形象，構思故事情節，用一句話簡單描述。例如：清晨，男孩在草地上邊走邊采蘑菇，邊走邊采花朵。第二步：分析劇情，列出動、靜對象，列寫于圖表。第三步：按人物出場順序，嘗試在時間軸上描述故事情節。

綜合動畫中人物、動物對象多，動畫類型復雜，時間點恰到好處是動畫成功的關鍵。例如，在故事的開始，男孩、蘑菇和花在場景中是同時出現的，但男孩走到哪里停下來，須與蘑菇和花的藏身地點一致。男孩采完蘑菇和花之后，停留多少時間，停下來到再次出發，這段時間須和蘑菇與花消失的時間吻合。這些都需要在時間軸上計算并一一對應，如圖1所示。

“問題解決”中的計算思維

問題解決是指以現實問題的解決作為教學活動開展的主線，在教學中設置問題或疑點，以解決問題為突破口，帶動知識點的學習。問題解決是計算思維的核心要素，采用問題解決教學可以在教學過程中不斷制造懸念，迅速吸引學生的注意，引導學生主動思考。

優秀的案例可以給學生現有的思維模式帶來強烈沖擊，可以培養學生的計算思維能力。

《機器人行走》教學片斷

師：請看以下場地（如圖2）。一輛機器人小車從左、右任一起點出發，避開障礙，進入異側停車區。編制程序前首先要規劃路線，請大家拿出學案，小組商議，畫出機器人行走的路線。

教師為學生創設了一個較復雜的問題情境，小車要繞過障礙停至異側停車區，小車在沒有自動避礙的前提下，需要學生提前給小車規劃好行進路線。解決規劃路線這一問題時，學生一般選擇讓小車直行，過障礙后，左轉或右轉90度至異側停車區域正下方，再次左轉或右轉90度，再直行至停車區，此路線，小車需完成五步動作。個別學生選擇小車直行至同側停車區后直角轉彎至另一側停車區，此路線，小車需完成三步動作。小車行進路線的走向規劃，直接影響著后續程序編寫的難易程度。從學生解決問題的過程來看，雖然他們都完成了問題的解決方案，但在問題分析、方案建構上各不相同，最后必定影響解決問題的基本思路。

《機器人行走》教學片斷（升級版）

師：請看以下場地。一輛機器人小車從左、右任一起點出發，避開障礙，進入異側停車區。編制程序前首先要規劃路線，請大家拿出學案，小組商議，畫出可以實現機器人行走任務的所有路線，并比較路線優劣，擇出最優路線。

升級版教學中，教師讓學生在復雜的問題解決過程中，進行路線規劃設計，比較優劣，擇優選擇，讓學生在知識和技能的習得上實現了高階思維能力的培養。

“可視化”下的計算思維

隨著大數據時代的到來，數據在不斷增長，種類繁多的信息源產生的大量數據，遠遠超出了人腦分析解釋這些數據的能力。由于缺乏大量數據的有效分析手段，大約有95%的計算被浪費，這嚴重阻礙了科學研究的進展。為此，美國計算機成像專業委員會提出了解決方法——可視化。可視化把數據轉換成圖形，可以給予人們深刻與意想不到的洞察力。

新版綱要中指出，當前大數據時代，學生應能應用電子表格進行數據統計、處理，實現簡單的數據分析與直觀表達。例如，在全國省會城市空氣質量優良天數電子表格中，利用函數運算、排序、圖表等方法分析處理數據，從數據統計結果中發現問題，并提出解決問題的方案。初中階段學生能處理的數據雖遠不能達到大數據容量的要求，但三張工作表500個數據，在計算、排序等一系列操作之后，學生早已頭昏眼花，要想從統計結果中發現問題已成霧里看花。而簡化、抽象、建模等思維可視化行為，如“圖表”，可以幫助學生簡化問題，化解難題，找出共性，思索解決方案。在上述電子表格中，共32個省會城市，挑出天數變化較大的三個城市作為代表，以城市代表為X軸、天數為Y軸制作圖表。從圖表上可以看出，2002年三個城市空氣質量優良天數普遍較好，達200天以上；2014年三個城市空氣質量優良天數全部減少，約150天；2016年，三個城市空氣質量優良天數又全部增多，較2014年增加約50天。學生通過分析這三年的變化過程，普遍會發現這樣一個問題：為什么2014年空氣質量突然變壞，2016年空氣質量又突然變好了呢？帶著問題，繼續分析三個城市的環境污染治理投資圖表時，疑問就迎刃而解了。

作為信息技術學科核心素養之一，計算思維是信息化社會中數字公民所應具備的基本素養。計算思維能力的培養，需要教師在教學過程中不斷挖掘，不斷積累，不斷改進。信息技術教師要圍繞計算思維，積極探索初中信息技術的教學改革，構建基于計算思維的教學體系和教學方法，讓計算思維成為一條培養學生信息素養的有效途徑。