國外小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)分析及啟示

林澤珊

[摘? ?要]近年來，世界各國越來越重視在基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，而如何在小學(xué)課堂中設(shè)計(jì)計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)則是關(guān)鍵所在。文章以國外Code.org“編程一小時(shí)”和美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)發(fā)布的計(jì)算思維課程的教學(xué)活動(dòng)為分析對(duì)象，以計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，分析教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)行為，并且從插電與不插電的教學(xué)相結(jié)合、基于真實(shí)問題情境的教學(xué)、自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)相結(jié)合三方面闡述了其對(duì)我國小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)的啟示。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算思維;教學(xué)活動(dòng);“編程一小時(shí)”;問題情境

一、問題的提出

為了更好地適應(yīng)21世紀(jì)對(duì)創(chuàng)新型人才提出的新要求，世界各國紛紛將計(jì)算思維培養(yǎng)列入基礎(chǔ)教育階段課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，這使得計(jì)算思維在基礎(chǔ)教育階段的價(jià)值越發(fā)突顯。比如，美國在2014年將發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維列入高中計(jì)算機(jī)科學(xué)概論課程目標(biāo)，而我國也在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[1]中將計(jì)算思維列入信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)體系，并且隨后指出應(yīng)從小培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（Computer Science Teachers Association，以下簡稱CSTA）和國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（International Society for Technology in Education，以下簡稱ISTE）在2011年共同發(fā)布了《CSTA計(jì)算思維教師資源手冊(cè)》（以下簡稱《手冊(cè)》）[2]，為中小學(xué)教師開展計(jì)算機(jī)教學(xué)提供了重要指導(dǎo)。此外，計(jì)算思維也將被納入2021年國際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目（PISA2021）中。

事實(shí)上，國外計(jì)算思維教育起步較早，并且將中小學(xué)作為實(shí)施計(jì)算思維教育的主陣地[3]，無論是教學(xué)實(shí)踐還是教學(xué)研究都相對(duì)成熟。而我國計(jì)算思維教育起步較晚，教學(xué)資源相對(duì)匱乏，還未能形成成熟的經(jīng)驗(yàn)或做法以有效指導(dǎo)教師開展相關(guān)教學(xué)實(shí)踐或研究。此外，思維的培養(yǎng)是一個(gè)長期的過程，需要從小培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，為其理解人工智能時(shí)代的自動(dòng)化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，文章選取并剖析了國外小學(xué)階段的計(jì)算思維教學(xué)案例，借以闡述如何設(shè)計(jì)有利于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)活動(dòng)并落實(shí)在常規(guī)課堂中。

二、計(jì)算思維與國外計(jì)算思維教學(xué)案例概述

1.計(jì)算思維的內(nèi)涵

2006年，計(jì)算機(jī)科學(xué)家周以真首次將計(jì)算思維界定為解決問題的一系列思維活動(dòng)[4]，并指出計(jì)算思維將和閱讀、寫作、數(shù)學(xué)一樣，成為學(xué)生必須具備的基本素養(yǎng)和能力[5]。為支持中小學(xué)教師進(jìn)行計(jì)算思維教學(xué)，CSTA和ISTE于2011年共同發(fā)布了關(guān)于計(jì)算思維的操作性定義[6]，規(guī)定了計(jì)算思維的六個(gè)過程要素——提出問題、分析問題、表征數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)算法、實(shí)施與評(píng)估解決方案、遷移應(yīng)用，以及計(jì)算思維觀念和態(tài)度的五方面——解決復(fù)雜問題的信心、恒心、耐心、解決開放問題的能力、與人溝通協(xié)作的能力。該定義為中小學(xué)開展計(jì)算思維教學(xué)提供了重要指導(dǎo)。ISTE于2018年進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維應(yīng)基于計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)，并注重通過實(shí)踐操作進(jìn)行問題解決[7]。本文將依據(jù)CSTA和ISTE提出的操作性定義剖析計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)。

2.計(jì)算思維教育培養(yǎng)研究現(xiàn)狀

國外有關(guān)計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐研究較為成熟，且多集中于青少年階段[8]。一些國家較早將計(jì)算思維納入學(xué)校課程培養(yǎng)體系，開發(fā)出了很多具有參考價(jià)值的資源。雖然我國基礎(chǔ)教育層面關(guān)于計(jì)算思維教育的研究相對(duì)較少，但在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中突出了計(jì)算思維，將其作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，彰顯了我國在智能時(shí)代對(duì)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重視。近兩年來，關(guān)于計(jì)算思維在我國基礎(chǔ)教育階段的研究再度引起了廣泛關(guān)注。但在實(shí)際教學(xué)中，有關(guān)計(jì)算思維的培養(yǎng)途徑仍較為單一，主要依托編程教學(xué)。因此，本文選擇從跨學(xué)科視角對(duì)小學(xué)階段的計(jì)算思維課程活動(dòng)進(jìn)行深入剖析，為教師有效開展計(jì)算思維教學(xué)提供借鑒。

3.CSTA和Code.org課程教學(xué)案例概述

CSTA成立于2004年，致力于K-12計(jì)算機(jī)教育。CSTA和ISTE發(fā)布的《手冊(cè)》中囊括了K-12階段不同學(xué)科的教學(xué)案例[9]。本文主要選取《手冊(cè)》中有關(guān)小學(xué)階段計(jì)算思維課程的教學(xué)活動(dòng)作為分析對(duì)象。而Code.org是美國的一個(gè)公益組織，成立于2013年，發(fā)展至今影響力很大。Code.org網(wǎng)站發(fā)布的課程，目的不僅在于以有趣、協(xié)作和創(chuàng)新的方式教授計(jì)算機(jī)科學(xué)，而且在于教授計(jì)算思維和解決問題的方法。相關(guān)研究也表明，Code.org課程具有激勵(lì)性的功能和指導(dǎo)材料[10]，可作為小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的啟蒙課程[11]。國外研究者也利用Code.org“編程一小時(shí)”課程中的教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算思維教學(xué)[12-13]。

三、小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)分析

1.確定計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)分析框架

單俊豪等人[14]提出的計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)分析框架具有較高的信度，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算思維的操作性定義，可將計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)目標(biāo)細(xì)化為計(jì)算思維概念與技能、計(jì)算思維觀念與態(tài)度兩個(gè)維度，并確定如圖1所示的計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)分析框架。

2.活動(dòng)分析

對(duì)于CSTA和Code.org課程教學(xué)活動(dòng)的相似點(diǎn)以及各自的特色，可從活動(dòng)導(dǎo)入、活動(dòng)探究、遷移應(yīng)用、活動(dòng)總結(jié)四方面進(jìn)行分析。

（1）活動(dòng)導(dǎo)入

兩類課程均以計(jì)算思維概念（如算法、循環(huán)、條件判斷、二進(jìn)制等）為本，并將概念融入活動(dòng)中，在活動(dòng)中反復(fù)強(qiáng)調(diào)同一個(gè)概念，讓學(xué)生通過活動(dòng)探究不斷深化對(duì)概念的理解。

在CSTA課程活動(dòng)中，教師通過創(chuàng)設(shè)情境引出概念。例如教學(xué)“方向指示”一課時(shí)，教師拋出問題“眼睛無法看清路，該如何到達(dá)指定目的地”，引導(dǎo)學(xué)生提供方向指示，引出順序概念。“生長中的植物”一課則愈加彰顯跨學(xué)科培養(yǎng)計(jì)算思維的理念，學(xué)生通過探究“如果在學(xué)校種下種子，而在假期沒有人留校，該如何給植物澆水”的問題建立起與計(jì)算機(jī)科學(xué)的聯(lián)系，并通過探究“如何根據(jù)需要采集日光和水分給植物補(bǔ)充養(yǎng)料”的問題培養(yǎng)用科學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。