指向計算思維培養的小學編程課程教學模式設計

朱丹丹

計算思維具有多種學科屬性，如數學、科學、工程，不同學者從不同學科領域出發對計算思維進行了多種概念界定，雖然目前還沒有統一的定義，但其重要性日益顯現。編程教育作為計算思維培養的有效途徑已成為廣泛共識。然而，目前小學編程課堂存在“教師預設解題路徑”的問題，主要表現為教師詳盡剖析解題路徑，容易給學生一種錯覺——編程就是按照教師的既定步驟完成任務，并不需要自己深入思考和探究，這對學生計算思維的發展會起到一定的阻礙作用。因此，本研究旨在構建一個能夠擺脫教師預設解題路徑的小學編程課程教學模式，并探討其有效性，期望為我國小學生計算思維的培養提供一種新思路。

● 指向計算思維培養的小學編程課程教學新思考

傳統的PBL教學模式注重項目分解，即將復雜的問題拆解成簡單的、可解決的小問題。通常教師會預先創設復雜情境，在授課過程中，教師會將任務目標分解成一個個小單元，并提供問題解決的思路和方法。在此過程中，學生只需要緊跟老師的操作步驟，就可以完成預期的效果，學生在課堂的主要任務不是探究和思考，而是機械性地復制教師既定的、統一化的解題路徑。

在本研究中，筆者提出了新思考，項目的設計從最簡單、最小單元出發，一開始并不創設復雜的問題情境，只是簡要概述最終效果。例如，在“龜兔賽跑”中，只告知學生“烏龜”獲勝是最終效果，而中間的過程、角色、情節都是空白。整個項目的填充、情節完善都由學生完成，教師的主要任務是幫助學生將想法變成現實。這意味著，項目任務的完成從教師拆解轉變為學生疊加，需要學生更多思維參與，學習不是完成預設的問題解決路徑，而是自主構建的過程，教師能夠更好地關注學生項目完成過程中思維的培養。

● 指向計算思維培養的小學編程課程教學模式構建

筆者以閆寒冰教授的項目式教學七步法為原型，結合“項目問題從分解轉向疊加，鼓勵學生思考”的新思考，重新修訂了項目教學七步法的內容，包括設計項目、（問題疊加）、制訂計劃、探究協作、制作作品、（問題疊加）、匯報演示、總結評價，兩個“問題疊加”中間的步驟表示完成項目的內循環過程。具體教學過程如下圖所示。

該模式主要圍繞項目的豐富和完善，通過問題分析、算法實現、測試評估環節，使得學生計算思維的發展在與可視化編程工具的交互中得以表達和呈現;教師提供問題支架，學生豐富問題情境，既解決了難度與學生差異的適配性問題，又防止了學生的思維惰性，進而促進學生計算思維的發展。在具體實施過程中需要注意師生的教學行為。

1.設計項目，創設情境

教師在這個階段的主要任務是調動學生學習興趣，提出一個基礎的、易解決的任務。學生的主要任務是集中注意力，積極配合教師完成情境導入環節（如游戲導入），明確編程項目的第一個任務及應該實現的舞臺效果。

2.問題分解，計劃制訂

此階段教師的主要任務是分析問題、表征問題，運用流程圖或思維導圖概括問題解決流程，通過問答或對話等方法引導學生思考。學生的主要任務是認真聽講，學習問題分析的思路，理解問題表征的方法，明確自然語言與編程語言的對應關系。

3.算法實現，問題解決

此階段教師的主要任務是觀察學生，查看學生的程序結構和編程指令，給予學生實時反饋。學生的主要任務是自主編寫程序語言，在此過程中可以尋求老師和同學的幫助，但還是以個體探究為主。

4.總結評價，反思優化

此階段教師主要引導啟發學生表述編譯思路，維持課堂紀律。學生的主要任務是綜合分析同伴們的設計思路，對比自己的編程結構，在反復修改與調式中內化問題解決一般方法，發展評估、增量迭代以及測評調試的能力。

5.項目深入，問題疊加

在此階段，教師的主要任務是啟發學生思考，鼓勵學生表達自己的“天馬行空”，如寓言故事、動漫、游戲等方面的故事情節都可以添加到編程設計中去。學生的主要任務是聯系生活體驗和學習經驗，表達自己的真實想法。

● 教學實踐的應用與檢驗

為了檢驗指向計算思維培養的小學編程課程教學模式的有效性，本研究設計了計算思維培養教學實踐。共有7個主題項目活動，在某實驗學校開展了為期兩個月的準實驗研究，課程結束后筆者對計算思維的培養效果，從計算概念、計算實踐和計算觀念維度進行了評價和分析。

1.實驗過程

本研究的實驗對象是四年級參加編程社團的學生，共7個班，每班8人，總計56人。為了檢驗“問題疊加”模式對培養學生計算思維的影響，本研究首先對計算概念的五個方面進行了前后測，然后通過編程作品評價計算實踐三個方面的內容，最后采用課堂觀察和文本結構化分析獲取學生計算觀念方面發展的證據。

2.實驗數據

（1）計算概念維度。為了了解學生計算概念的變化，筆者設計了“計算概念前測卷”和“計算概念后測卷”每道題10分，滿分100分。筆者分別回收前測卷56份、后測卷56份，運用SPSS進行配對檢驗，對統計分數進行分析，最終前后測結果如下頁表1和表2所示。

根據表1和表2統計結果，實驗對象計算思維概念維度總成績前后兩組數據檢驗結果存在顯著差異，t=-10.969，P<0.05，說明實驗對象學習后的總成績（M±SD=74.46±14.64）相較于學習前的總成績（M±SD=49.46±15.19）有所提升。分維度（分解、抽象、系統化、自動化）前后兩組數據檢驗結果均存在顯著差異，說明學生在這四個維度上都有不同程度的提升。至于算法思維前后測不存在差異，筆者分析可能的原因是：本研究課程內容與算法思維有關的知識點關聯設計不足;算法本身的嚴謹邏輯相對于小學生來說存在一定困難。

（2）計算實踐維度。為了評估學生學習過程中的計算實踐能力，筆者分析了學生的游戲作品，并結合課堂觀察分析學生增量迭代、測試與調試、混合與復用實踐能力的變化。在作品完成過程中，學生們綜合使用了多個編程模塊、多個編程指令，進行了腳本的優化，并在原有的作品上進行了再創造。這些現象表明，學生開始從被動的“拿來主義者”轉向主動探究學習的“自給自足者”。在作品設計過程中，大部分學生都養成了隨時調試運行的好習慣，少數學生在教師引導下也能夠遷移運用前期的學習內容，實現知識的混合與復用。

（3）計算觀念維度。創意與表達能力的培養主要體現在問題疊加環節，本研究分析了學生關于游戲操作過程的文字性描述，以《走迷宮》（前期課程）游戲為例，學生在描述《走迷宮》游戲時未能清晰表達游戲邏輯，如未能說明“綠色”代表安全路線、“碰墻”表示返回起始位置等。在后續課程中學生能利用“開始”“然后”“如果……則”“同時”等邏輯語言完整表達游戲角色間的關系，游戲機制清晰易懂，說明在一段時間的教學后，學生的表達能力得到了一定的改善。

● 總結與展望

計算思維和讀、寫、算一樣，是人工智能時代人類解決問題的一種普適能力，如何培養學生的計算思維無疑是一個重要的課題，本研究所設計的計算思維培養模式和開展的教學實踐，可在一定程度上支持這一領域的發展。

經過實驗教學，學生開始從被動接受知識向主動探索學習發展，在豐富故事情節的過程中學生計算觀念（創意與表達）得到了有效提升，在算法實現的過程中學生在計算實踐（增量迭代、測試調試、混合復用）上的改變也表現明顯，在方案綜合過程中學生計算概念（分解、抽象、算法、系統化、自動化）水平在整體上得到了提升，但存在計算概念要素發展不均衡的現象，其中算法思維發展最弱。因此，需要進一步優化計算思維培養模式的操作細節和豐富課程資源，促進學生計算思維均衡、協同發展。

雖然研究開展時間較短，實驗對象數目較少，但應用結果初步顯示本研究提出模式的有效性。在之后的研究中，不僅需要延長實驗時間，還需要進一步擴大實驗對象的規模，設置實驗班和對照班，對比分析該模式的有效性，結合實驗數據、教學反思，進一步修訂指向計算思維培養的編程課程教學模式，以便使這一教學模式對小學編程課程教學實踐更具參考價值。