小學高年級學生計算思維能力評價及培養策略

劉寶龍 鄭秋輝 崔海濤

摘? 要 以小學高年級學生為研究對象，根據在解決問題過程中表現出來的形式化、模型化、自動化和系統化這四個計算思維具體形式設計測試卷，通過答卷情況匯總分析小學高年級學生計算思維能力現狀并嘗試結合Scratch編程教學、機器人教育提出相應培養策略。

關鍵詞 計算思維;小學高年級學生;Scratch編程教學;機器人教育

中圖分類號：G625.5? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）03-0062-04

1 基于試卷的評價設計和實施

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》將“計算思維”作為信息技術學科四大核心素養之一提出[1]。筆者認為，計算思維要從小學生抓起，要把它作為每個人的基本技能。

計算思維（Computational Thinking，簡稱“CT”）由美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授于2006年提出，她認為計算思維應當同閱讀、寫作和算術位于同等地位教給學生[2]。近十幾年來，國內外很多學者和權威機構對于計算思維的內涵和定義繼續做了大量深入的研究。湖南師范大學丁珺進行了比較詳細的梳理，并將新課標中“CT”的四個具體形式及內涵歸納描述如下。

1）形式化：界定問題，抓住關鍵，提取特征，抽象處理和形式化地表述。

2）模型化：抽象特征，建立結構模型。

3）自動化：判斷、分析、綜合信息資源，運用算法形成方案。

4）系統化：總結利用計算機解決問題的過程與方法，將解決方案遷移[3]。

本測試卷重點圍繞計算思維這四個具體表現形式進行設計，共分四個部分，第一部分“學生信息”不計分;第二部分“對計算機基本知識的認識”共六題，每題2分，共12分;第三部分“對計算思維的認識”共12題，每題3分，共36分;第四部分“計算思維能力情況”共13題，每題4分，共52分，試卷滿分100分。

前三部分為筆者基于相關課題研究自行擬定，第四部分“計算思維能力情況”是測試卷的重點內容，以Bebras國際計算思維挑戰賽相應學段試題為主要參考進行編制。Bebras國際計算思維挑戰賽通過淺顯易懂的方式呈現題目，多為情境性任務，讓學習者利用已有知識運用計算思維完成測試題目。

由于即將在開展相關課題研究的四所學校的五年級開設Scratch編程教學課程，為充分了解該年級段學生現有計算思維能力，將測試卷發放給這四所小學的五年級學生進行填寫，一共發放836份，回收有效測試卷812份。

2 試卷評價結果分析

學生對計算機基本知識的認識? 此部分題目相對比較基礎，全部答對的學生占到82%。錯誤的試題中有13%是最后一個題目出現錯誤，即沒有搞清“計算機能夠直接識別的語言是什么”。可以看出，學生的計算機基礎知識掌握較好，但對于機器語言、匯編語言、高級語言的概念還沒有建立。雖然教師對這三個概念在教學中也曾提及，但對于小學五年級學生來說，它們相對比較抽象，需要在編程實踐中去體會和理解。

學生對計算思維的認識? 此部分題目主要考察學生對計算思維的理解和態度。學生大多對計算思維比較陌生，其中知道這個概念的學生只占2.56%;所有學生都沒有接受過計算思維的專門訓練;認為計算思維非常重要的學生占70.61%;70.45%的學生認為有必要接受計算思維的培訓。針對以上分析，可以得出這樣的結論：小學高年級學生能夠接受計算思維的概念及其重要意義，樂于接受與計算思維相關的培養和學習。

學生計算思維能力現狀分析

1）形式化思維能力。形式化思維能力也可以理解為抽象思維能力。測試卷第26題：

假設有一對兔子，從出生后第三個月起，每個月都生一對小兔子;小兔子長到第三個月后，每個月又生一對小兔子。如果這些兔子都不死，請你算一算到第12個月時，兔子的總數為多少？

這是典型的斐波那契數列（Fibonacci sequence）問題，有較強規律性，一部分學生在演算紙上按照條件要求逐月推導，得到正確答案，正確率達到16.4%。不難發現，從第三個月開始，兔子總對數為前兩個月兔子對數之和，第12個月的兔子對數為10月和11月兔子對數之和，即從表面問題抽象出特定的規律。總體來看，學生的形式化思維能力有待加強。

2）模型化思維能力。模型化思維能力也可稱為模式識別能力。測試卷第34題：

海貍Bert有一段長長的彩色紙，用來開派對。彩帶由三種不同顏色（黃色Y，紅色R，藍色B）的方塊組成，有重復的規律。Bert的朋友James剪下了一段紙，如表1所示，你知道剪去的方塊有多少個嗎？

在信息中找到一種模式很重要。通過觀察表1，對這一長串的彩帶進行模式識別，發現規律為YRRB，圖片中缺失的部分分別為B和Y、R，通過規律得出公式4x+3為這條彩帶的方塊總個數，這里的x即為YRRB重復的次數。此題僅有10.5%的學生得到正確答案，可見學生的模型化思維能力比較欠缺。

3）自動化思維能力。自動化思維能力可以理解為解決實際問題的具體方法。測試卷第36題：

假設我們需要打印兩份一樣的文件，但是由于設置錯誤，實際打印出來文件的頁碼是1、1、2、2、3、3、4、4、5、5這樣的順序。現在要把它分為兩份文件，左右兩邊擺放，問哪種分法最優？

本題有兩個選項可以完成任務，代表了解決問題的兩種算法：逐頁擺放需要10個動作;而將第1頁單獨放在左

邊，然后將第1、2頁放在右邊，再將2、3頁放在左邊，依次放完需要六個動作，比A選項的方法效率提升40%，這就是計算思維帶來的最佳算法。此題比較簡單，選項答案比較明確，有68.4%的學生能夠得到正確答案。

4）系統化思維能力。系統化思維能力要求學生總結使用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到其他實際問題中。測試卷第25題：

小海貍家小區的停車場共有12個停車位，每個停車位都標有數字。圖1中顯示了周一和周二停車位的情況，請問有多少個停車位在周一和周二都是空位？

在計算機世界里，所有數據都是由0和1組成的。這個題目中可以將有汽車存放的位置假設為1，將沒有汽車存放的停車位假設為0，每一個停車位對應1位二進制數。如果按照從上到下、從左到右順序給停車場賦予0或1的值，會獲得一個二進制數列。周一停車場對應的二進制數列為101001001010，周二停車場對應的二進制數列為100100000111。將這兩個二進制數列做“或”邏輯運算，結果為10110100111，其中有四個0，即有四個停車位在周一和周二都是空位。此題相對簡單，不使用這種方法，直接歸納也可得到正確答案，有78.3%的學生答對。

為充分了解測試卷的評價效果，筆者對部分學生進行訪談，主要詢問對試題的理解和解題思路。大部分學生感覺題目很有趣，題目正確答案體現的思維方式也很容易理解和接受，有些題目顛覆了學生之前對計算機程序的認識，對計算機編程產生濃厚的興趣;但其計算思維四個維度的能力整體水平較低，還有待提高。

3 培養策略建議

通過開展Scratch編程教學培養計算思維能力? 測試卷中的題目都可以通過紙筆驗算得出正確的結果，但是一旦問題變得復雜，比如第26題，問36個月后會有多少對兔子？那么必須要通過編寫程序運算來解答。對于小學高年級學生來說，可以首先學習Scratch編程。Scratch編程使用鼠標拖動相應模塊到程序編輯欄后，再進行部分參數設定，就可以完成程序，實現一段動畫、一個小游戲等，能夠讓小學生獲得較強的成就感。對于初學編程的小學生來說，從“拖拽編程”起步是最好的選擇。

Scratch編程軟件作為一種程序設計語言，具有計算機語言的結構特征[4]。Scratch在程序設計時還引入事件、線程、同步的概念。如判斷角色是否碰到邊界;多線程讓舞臺上的不同角色各自執行不同的腳本;在程序中不同角色間可以通過發送廣播和接收廣播實現同步。學生在使用過程中自然而然就掌握了正確的編程概念，為日后學習更深層次的編程語言打好基礎。筆者根據計算思維重點體現內容，設計教學內容，見表2。

通過開展機器人教育培養計算思維能力? 機器人教育，最開始是由教育機器人比賽發展而來，是指通過設計、組裝、編程、運行機器人等方式激發學生的學習興趣、培養學生的綜合能力，融合了機械原理、電子傳感器、計算機軟硬件及人工智能等眾多先進技術。目前，機器人教育的教學內容主要圍繞競賽任務展開：結構分析—設計搭建—程序編寫—運行調試。通過競賽，培養學生解決問題的能力和創新能力，學生也樂于接受，基本不用擔心學生學習興趣方面的問題。

從教學實踐過程來看，機器人教育與項目式學習非常相似，機器人教育內容容易理解，有較強的啟發性，學生搭建機器人結構各不相同，編寫的程序各有特色，得到的成果是開放的。在整個項目活動中，學生可以通過解決問題理解掌握用到的方法，從而建立自己的認知結構，最終形成思維能力[5]。

筆者經過調研發現，目前機器人教育比較注重學生拼搭作品和編程完成項目任務的過程與完成情況，教師指導和教學過程中對學生思維方式的培養有所缺失。因此，機器人項目式教學可以按照以下流程開展：

首先，根據師生實際水平和發展方向選擇合適的機器人項目;

其次，結合機器人競賽規則制定具體學習任務;

再次，創建合作小組，分享學習資源，引導學生運用計算思維的方法解決問題;

最后，在項目開展過程中對學生進行輔導和評價。

基于機器人項目教學培養計算思維的模型構建如圖2所示。

4 結語

計算思維培養被越來越多的教育者所關注，本研究也嘗試提出對應的培養策略，Scratch編程教學和機器人項目教學是培養小學高年級學生計算思維的兩個有效途徑。從測試評價的結果可以得出，學生對于計算思維學習有較高的興趣和意愿，教師在具體實施時要充分利用這個優勢，在教學中對計算思維的培養要循序漸進，立足學生的水平和接受能力。Scratch編程容易上手，學生樂于接受，是適合小學生的入門級編程課程。機器人教育在小學生計算思維培養中具有一定潛力，其潛力來源于科學嚴謹的課程體系，以及為計算思維培養準備的教學支架、教學策略、教學過程、學習評價等，值得從事這一方向研究的教育者進一步研究和挖掘。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017：5.

[2]Wing J M. Computational Thinking[J].Communication of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[3]丁珺.小學高年級信息技術課程中的學生計算思維評價研究[D].長沙：湖南師范大學，2019.

[4]譚國聚，孟延豹.基于程序結構講授程序設計培養小學生計算思維能力：以Scratch 2.0程序設計為例[J].中國信息技術教育，2019（23）：74-76，109.

[5]張婷.小學生機器人教學中計算思維培養的實踐研究[D].成都：四川師范大學，2019.