面向計算思維培養的教學模式設計與實踐

李曉曉 謝忠新

【摘 要】本文從信息技術學科相關知識原理與技術思想的教學與落實學生計算思維培養相結合的角度，構建了面向計算思維培養的不插電計算機科學游戲化教學模式，包括“選定主題—對標計算思維—設計游戲—組織游戲—思維引導—概括模式—遷移應用”七個步驟。最后，通過搜索算法教學案例具體分析了如何在中小學開展面向計算思維培養的不插電計算機科學游戲化教學。

【關鍵詞】計算思維;不插電計算機科學;游戲化教學模式

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）09-009-05

目前在中小學信息技術學科的算法與程序設計、數據處理與應用等內容的教學中落實學生計算思維培養的研究與實踐較多，因為教師可以創設利用這些學科知識來解決實際問題的情境與任務，而完成這些任務，需要形成問題解決方案。那么，在信息技術學科相關知識原理與技術思想的教學中，能否在幫助學生理解計算機知識原理與技術思想的同時，落實學生計算思維的培養呢？中小學信息技術學科相關知識原理與技術思想的教學可以組織不插電計算機科學活動方式開展，如何在學習與組織不插電計算機科學活動中落實學生計算思維的培養呢？

計算思維與不插電計算機科學

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》明確將計算思維定為一項重要的信息技術學科核心素養，計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動[1]。未來的信息化社會更加需要具備問題解決能力和創新思維能力的人，計算思維被公認為21世紀中葉人人都應具備的基本技能之一。

不插電計算機科學是面向世界范圍的信息科學普及項目，它以一種沒有計算機參與的方式，透過一些既有趣又容易的活動，展示各項計算機技術原理在計算機世界里是如何發生的，幫助學習者理解技術背后的思想和科學，理解新技術是如何被設計出來的，提高其問題解決能力[2]。這些活動不要求學習者有計算機操作能力，因此在中小學信息技術學科相關知識原理與技術思想的教學中，教師通常會以設計和組織不插電計算機科學活動的方式開展教學。

學生運用計算機科學領域的思想方法，形成問題解決方案過程中產生的一系列思維活動，包括了按精確步驟一步步執行的算法思維、對問題進行分解、從眾多細節中抽象出關鍵信息、相似問題解決方法概括、評估解決方案是否合理及如何優化五個方面[3]。不插電計算機科學活動模擬的正是計算機科學領域的思想方法在計算機世界的發生過程，與分解、抽象、算法、評估與概括這些思維活動密不可分。基于如何在不插電計算機科學活動中落實學生計算思維培養這一出發點，筆者構建了面向計算思維培養的不插電計算機科學游戲化教學模式。

面向計算思維培養的不插電計算機科學游戲化教學模式

建構主義理論強調學習是意義建構的過程，是學習者通過新、舊知識經驗的相互作用，形成、豐富和調整自己的認知結構的過程。因此，教師應該通過創設有意義的情境、任務等為學生搭建新舊知識銜接的腳手架，引導學生有效實現自身的知識建構。杜威“做中學”理論強調知識的獲得不是個體“旁觀”的過程，而是“探究”的過程，不插電計算機科學活動對計算機原理發生過程的模擬正是“探究”的體現。游戲化學習主張借鑒游戲的設疑、挑戰、自主等理念，把教學目標隱蔽于游戲活動中，根據學習者特征及教學內容采取相應的游戲化教學策略，從而使學習者在放松的狀態下，從樂趣中獲得知識、提高技能和陶冶情操[4]。

根據建構主義、杜威“做中學”、游戲化學習理論中關于學習是如何發生的啟示，筆者構建了面向計算思維培養的不插電計算機科學游戲化教學模式，立足課前“精心設計”的教學準備和課中“玩中學+觀察”的教學組織，將教學模式歸納為“選定主題—對標計算思維—設計游戲—組織游戲—思維引導—概括模式—遷移應用”七個步驟，如圖1所示。

在教學模式中，“教師—學生”的角色會經歷“定向—準備——導學—體驗——啟發—認知——總結—概括——診斷—應用”的迭代上升。通過預先設計好的游戲環節和細節，關注學生內在的思維過程，幫助學生學習描述問題，確定解決該問題所需的關鍵步驟，并將其分解為細微的邏輯步驟，以便他們隨后可以創建解決該問題的流程，然后評估此過程。這些技能可以遷移到任何其他的學科領域，有助于學生理解數字系統的工作流程，提高使用計算機解決問題的能力。接下來，本文以一個搜索算法的教學案例，來分析如何在中小學開展面向計算思維培養的不插電計算機科學游戲化教學。

1.課前面向計算思維培養的不插電計算機科學游戲化活動設計

（1）選定學科知識內容主題

主題可以是單一的技術原理，也可以是有關聯的幾個技術原理，基于明確的主題確定學生要學習的內容。本案例以搜索算法為主題，但如何向學生介紹搜索算法呢？筆者選擇了原理相對簡單又關聯性強的順序搜索和二分搜索兩種常用搜索算法，參考新西蘭坎特伯雷大學計算機科學教育研究小組開展的CS Unplugged項目學習活動資料，將兩種搜索算法原理設計成符合學生認知發展規律的游戲活動。

（2）梳理與挖掘學科知識中的計算思維

對照計算思維中的分解、抽象、算法、評估與概括內涵，對選定學科知識內容主題的學習目標進行拆解，分析學生在學習這些內容的過程中計算思維的落實。案例中分析了順序搜索和二分搜索兩種算法原理中對應的學生計算思維內容，列出了算法、分解、抽象、概括、評估五個計算思維組成部分對應的計算思維培養目標。

（3）設計面向計算思維培養的課堂游戲活動

教學游戲設計包含創設情境、明確規則、規定步驟、設計問題鏈、準備學具等。游戲元素的設計要能夠有效引導學生產生計算思維活動，游戲的設計可以同時關注算法、分解、抽象、概括和評估五個方面，也可只體現其中一個或幾個方面。案例順序搜索和二分搜索兩種算法的學習中設計了“猜謎”和“一分為二”兩個游戲，如表1所示。

2.課中面向計算思維培養的不插電計算機科學游戲化活動實施

（1）組織開展游戲化活動

教師將學科知識中涉及到的計算思維設計成游戲規則、游戲步驟、互動問題等，學生在游戲參與的過程中，主動理解游戲規則，按照規則分解游戲任務，分步執行完成具體任務，最終挑戰整個游戲目標。以“猜謎”游戲為例，教師按照如下的步驟組織實施游戲：

①用數字卡片代表朋友，將十張數字（數字范圍0-100，其中一張卡片數字是56）卡片（圖2）的動物面朝上擺成一排。

②準備好每人十張貼紙（支付系統），每猜一次，學生需要支付一張貼紙。

③請學生猜猜看找到數字56需要多少次猜測？并說說為什么。

④請學生翻轉左邊第一張卡片（同時支付一張貼紙），顯示背面的數字。如果是正確的就停下來，否則將其從十張卡片中取出并放在一邊。

⑤按照從左到右的順序重復此過程，直到學生找到數字為56的卡片，記下支付貼紙的數量。

⑥分小組玩游戲并做好記錄，每個小組一副卡片，每次開始新游戲時重新使用十張貼紙。

⑦小組交流游戲結果，說說看每次猜測可以排除多少張卡片？手中還剩多少張貼紙？

⑧請學生思考，如果要找的范圍不是十位朋友，是一百位、一千位朋友呢？

游戲中教師利用數字卡片代表朋友幫助學生建立抽象思維;讓學生按照從左到右的順序，每次翻開一張卡片，驗證是不是目標數字，幫助學生理解可以將整個問題分解為一個個“驗證單張卡片上的數字是不是目標數字”的小問題來解決;之后重復“選擇—驗證”的過程，培養學生的算法思維，理解算法的循環結構，同時設計“每猜一次，要支付一張貼紙”的規則，意在培養學生樹立循環過程中要記錄循環次數的意識。

（2）基于問題的思維引導

計算思維培養中，好的問題可以成為學生計算思維提升的支架。因此，游戲化活動實施中，教師需要適時拋出預設問題進行設疑，對學生的思維進行啟發點撥，引導學生主動思考。這些問題目的是幫助學生產生計算思維活動，通過學生的回答了解學生內隱的思維動態。案例中教師預設了培養學生分解、算法、評估、抽象、概括思維的一系列問題，游戲中預設的交互問題及對學生思維引導的預期如表2所示。

（3）概括問題解決的模式

通過從具體到一般的提煉，總結所解決問題之間存在的共同點，概括歸納出可識別的模式，幫助學生強化自身知識體系的建構，未來在處理類似實際問題時可以有的放矢。在教學實施中，教師組織學生交流討論達成游戲目標所經歷的過程，基于問題引導學生思考改變游戲中的個別元素對游戲是否產生影響，從而幫助學生概括其中共性的問題解決模式，也就是如何用順序搜索算法解決搜索問題，通過思維導圖的方式幫助學生梳理順序搜索原理的關鍵知識點，回顧游戲中是如何按步搜索的，在學生心中種下順序搜索算法思想的種子。

（4）遷移解決實際的問題

素養導向的游戲化教學，還有很重要的一步是需要進行遷移，通過舉一反三，應用所學的計算機原理解決生活中的實際問題。學生不可能通過一次實踐就形成遷移，在游戲之后，教師要為學生創設類似的情境來進行復盤，引導學生能夠利用順序搜索來解決生活中的實際問題，使學生學會良好表達，并認識到這些問題間的關聯。案例中，教師給出了生活中一些用到順序搜索的情境，學生可以任選問題來解決，并在問題解決方案描述中強化遷移應用的能力。

結束語

玩是孩子的天性，孩子們在游戲參與的過程中，通過對游戲規則的理解以及和老師、同伴的交流，學習如何更好地組織語言來描述問題，把問題情境中不重要的信息忽略掉，找到解決問題所需要的重要細節，把問題分解為“比較兩個數據并確定它們是否相同”的邏輯步驟，重復這個步驟來解決問題。在“猜謎游戲”中熟悉順序搜索的使用方法，在“一分為二”的游戲中熟悉二分搜索的使用方法，然后思考兩種搜索方法的優勢和不足。在完全不接觸計算機的情況下，學習掌握了基本的計算機原理，算法思維、分解、抽象、概括、評估等計算思維的能力也得到了培養。

需要注意的是，游戲化教學不等于做游戲，面向計算思維培養的不插電計算機科學游戲化教學，是關注學生思維的產生、變化、遷移，將計算機原理在計算機世界發生的過程通過游戲的形式在現實世界中模擬出來，建構在學生的知識體系中。因此，交互問題的設計在游戲教學中十分重要，游戲不能單純的玩，需要教師在適當的時機設疑，用問題幫助學生建立思維路徑，引導學生通過對話描述來顯現內在的思維過程。同時，教師需要留心觀察學生在游戲中的表現，發現學生在計算思維不同組成方面的敏銳度和潛力。

注：本文系上海市教育科學研究一般項目“面向計算思維的初中人工智能教育的實踐研究”（項目批準號：C20078）的研究成果

參考文獻

教育部. 普通高中信息技術課程標準（2017年版）[M]. 北京： 人民教育出版社，2017.

Tim Bell等著;孫俊峰，楊帆譯. 不插電的計算機科學[M]. 武漢： 華中科技大學出版社，2010： 91-105.

謝忠新. 關于計算思維進入中小學信息技術教育的思考[J]. 中小學信息技術教育，2017（10）： 38-42.

柳馨雅，朱彩蘭. 中小學信息技術課程游戲教學法研究狀況分析[J]. 中國信息技術教育，2013（9）： 41-44.