讓非編程教學綻放“計算思維”火花

史敏敏

自周以真教授提出計算思維的概念以來，關于計算思維培養的研究與實踐越來越多。計算思維作為信息技術學科核心素養之一，與其他學科思維相比有何獨特性？計算思維的內涵多元，有何本質特征？除了程序設計，如何在非編程模塊的教學中培養計算思維？針對這些問題，筆者進行了思考與探索。

探索：非編程教學中計算思維的培養模式

程序設計是培育計算思維的沃土，因為學生可以主動構建自動化規則，使用明確而有限的指令將解決問題的思路映射到計算機世界，調試無誤后讓計算機自動執行。但是，程序設計是培育計算思維的唯一途徑嗎？能否在非編程模塊的教學中另辟蹊徑，探尋“可計算”火種，綻放“計算思維”火花呢？帶著這些疑問，筆者對非編程教學中計算思維的培養模式進行了探索。該模式如下頁圖1所示。

1.面向問題解決

人類歷史就是一部問題解決史，人類解決問題的過程可分為發現與分析問題、設計解決方案、實施與驗證方案、系統維護，繼而發現新問題。在這個過程中，主觀能動的思維活動是解決問題的關鍵，因此，培養計算思維與解決問題密不可分。

計算思維培養不能泛化，不能認為使用計算機等數字化工具來解決問題就是培養計算思維。在非編程教學中，并不是所有的問題解決過程都指向計算思維，其落腳點在于解決問題的方案是否固化在了計算工具之中，是否可以被反復執行且每次都嚴格按照解決方案執行，是否能自動化執行且不需要人腦的參與。

2.指向抽象與自動化

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》提出：計算思維具體表現為解決問題中的形式化、模型化、自動化、系統化。抽象是方法，貫穿于整個思維活動;形式化與模型化是抽象結果的不同表現形式;自動化是抽象的目標，但抽象往往難以直接抵達自動化，需要經歷形式化表達與模型化構造;最后遷移到與之相關的其他問題解決中，形成系統化的思維方法路徑。

計算思維培養不能狹隘化，不能認為沒有編寫程序來解決問題就無法培養計算思維。學生并不是在學習程序設計的那一刻才開始擁有計算思維，計算思維在學生體驗無處不在、時刻發生的“計算”時就有所滲透。組織什么類型的數據讓計算工具進行處理？如何合理地設置參數讓計算工具處理得更好？按照計算機科學領域的什么思想方法構造解決問題的模型，從而與計算工具內部的自動化運行不謀而合？如何根據運行結果優化解決問題的模型？這些問題都是計算思維在學生頭腦中的體現。

探討：非編程教學中培養計算思維的案例

基于上述分析，筆者選用“制作多媒體作品”模塊的教學內容，以《讓幻燈片動起來》一課為例構建通達計算思維的教學模式，以期探究計算思維在非編程教學中的培養。

1.教學模式的構建

（1）教學分析

教學內容是基于學生的PPT已初具規模，進一步學習創作動畫的方法，為作品增添動感和趣味。本單元開展項目學習，要求學生圍繞主題“好書共享”創作一份完整的演示文稿，并分享自己最喜愛的一本名著，體會數字化工具協助演說的優勢，即有條理地表達觀點，可視化地呈現想法。

教學重點是掌握添加動畫效果和調整動畫順序的方法，難點是根據需要合理地設置動畫。學生對學習動畫具有濃厚的興趣，有個別學生在前期制作PPT時已探索了動畫的某些功能，但常會忽略動畫效果與內容表達的統一。

（2）模式構建

筆者構建的教學模式如圖2所示。以“如何生動表現名著中的精彩故事”這一問題需求作為教學切入點，將PPT動畫創作與現實世界中導演拍戲相聯接，帶領學生進入“導演”角色。指導演員表演看似是一個簡單問題，但要把“導演”的思維模式固化在計算機中實屬不易，因為人與人之間的思想交流具有主觀能動性，而計算機的處理過程看不見摸不著。基于問題情境的創設，學生以分析動畫情節、表達動畫要素、構造動畫模型、調試動畫效果、推廣動畫創作為活動主線開展學習，始終處于抽象、形式化、模型化、自動化、系統化的計算思維方法路徑之中去解決問題，從而達成學習目標。

2.計算思維方法路徑的培育

（1）對動畫情節的抽象

抽象的目的是剔除問題中不必要的細節，提取問題的關鍵要素與基本特征，這是將現實世界問題轉化為計算機可解決問題的關鍵一步。指向自動化的抽象主要體現為對象的抽象和規則的抽象：每個對象有各自的狀態，每種狀態可通過若干個屬性和行為來描述，屬性和行為反映了對象最核心的內容，用以區分不同的對象;現實中描述問題的規則往往錯綜復雜，規則的抽象就是從問題描述中梳理出規則，且這些規則可以轉換成計算機可執行的表達形式。

教學中，筆者以問題鏈引導學生構想故事畫面，分析動畫情節，結合對導演工作的認知，對動畫中對象的屬性、行為以及對象之間的互動規則進行抽象（如上頁圖3）。

以“孫悟空玩轉金箍棒”為例，對象和規則的抽象如表1所示。

（2）對動畫要素的形式化表達

形式化表達是抽象結果的表現形式，即提取對象屬性、行為、規則等核心要素之后，以計算機可執行為目標，合理組織數據，用自然語言、流程圖等方式清晰地表達問題，精簡的符號是形式化的高級表現形式。形式化表達有助于推動學生對問題求解過程的深入思考，促使學生迸發無限創意。

教學中，不同學生具備的抽象能力不同，形式化程度也有所區別。有的用簡單的自然語言表達，有的用思維導圖表示某個對象及其可操作的屬性、行為、規則等，還有的用流程分解對象的動作序列，以表達動作發生的先后順序。之后展開小組活動，探討表達形式是否完備？是否可操作？有了這樣的學習體驗，今后在分析問題階段學生會盡可能地以形式化的方法表達抽象結果。

（3）對動畫模型的構造

在形式化表達的基礎上，判斷、分析與綜合各種信息資源，有序組織計算機可識別的求解步驟，逐步形成解決問題的完整方案。構造是為解決問題提供一個框架，對構造的模型進行初步評估也是重要環節，是學生對方案的自我驗證。學生已在頭腦中對計算機解決問題的過程進行了整理和規劃，且這種整理和規劃一定是基于對自動化特征的理解。

教學中，模型化的過程可借助流程圖、思維導圖等可視化工具作為學習支架，也可以在腦海中直接形成。真正的學習支架是幫助學習者建構知識、獲得能力的框架，提供必要的支持。一旦學習者能夠獨立解決問題，學習支架就像建筑竣工后的腳手架，會被逐漸撤離。由于需要梳理多個對象的多個關鍵要素，表格以直觀的分類、有序的排列等優勢脫穎而出，可以在行、列之間將關鍵要素之間的關系詮釋得清晰明了。在完成表格的同時，動畫劇本已經構造成型。

以“孫悟空玩轉金箍棒”為例，構造的動畫模型如表2所示。

（4）對動畫效果的自動化調試

構造的模型未必十全十美，需要在自動化的計算工具中驗證解決問題的方案。計算工具或系統相當于一個黑箱，學生不知道也無需知道其背后蘊含的自動化機制。在課堂上，學生的大部分時間是處于與計算機或網絡的“人機對話”狀態，學生將自己的構想轉變為計算機可執行的操作，計算機立刻給予響應和反饋，速度快到沒有給學生思考的余地。這種響應與反饋本身就是一種評價，只不過這種評價時常被學生忽略或不被學生所理解。此時需要引導學生去解讀計算機提供的隱性評價語言，不斷調試與完善。自動化調試的環節培養了學生縝密的、基于自動化的推理能力，強化了學生對抽象、構造與自動化的理解，從而感悟計算機世界解決問題的方法觀。

教學中，部分學生對動畫窗格視而不見，沒有透徹地認識到動畫窗格其實涵蓋了動畫的各項精髓（如圖4），值得深入挖掘。當學生能有效運用動畫窗格，通過動畫窗格解讀計算機正在執行的動畫劇本時，就能在調試中體會到自動化與再構造的快樂和成就感。在反復調試的過程中，學生不斷地將預設的動畫模型與PPT反饋的動畫效果進行比較，進一步調整方案直至問題解決（如圖5）。

（5）對動畫創作的系統化推廣

最后，歸納提煉解決問題的系統性策略，聚合為優化的有機整體，形成解決同類問題的通用方案，并將其遷移到與之相關的其他問題解決中，不斷拓展形成創新創造。最終目的不是讓學生成為技藝精湛的動畫大師，而是讓學生在導演動畫的過程中，把問題從不能解決轉變為計算機可解決、可執行、可識別、可調試運行成功。

其實，學生是在現有的計算機系統的基礎上再次進行抽象、構造與實現自動化，固化了所構想的精彩故事。對于欣賞PPT的觀眾而言，這是一個更加智能、更加“傻瓜”的計算工具，因為他們只需要單擊“放映幻燈片”按鈕，就能品讀學生對這本名著的精彩介紹，就能欣賞融入了學生思維方式的多媒體作品。至于如此美妙的多媒體作品是如何創作的，擁有同樣計算思維的人將會進一步還原與解構，會有一些與普通欣賞者不一樣的、出于好奇心的、基于計算思維視角的思考，會設想動畫模型，猜測核心功能，并通過一些輸入和系統反饋來驗證自己的想法。

結語

相信隨著大數據、人工智能等的蓬勃發展，計算思維的內涵將被進一步挖掘與重構，期待計算思維教育會在更廣闊的領域和更長遠的時間跨度上開展。