編程教學中計算思維能力的培養

周麗

摘要：計算思維是21世紀學生的核心能力，與閱讀、寫作和算術等基本技能同等重要。為此，以諾寶RC“自動避障和尋光機器人”編程教學為例，探討培養學生計算思維的策略。

關鍵詞：計算思維;編程;策略

信息技術學科核心素養主要有信息意識、計算思維、數字化學習與創新和信息社會責任。計算思維作為信息技術四大核心素養之一，是現代人的基本能力，現代人賴以生存的世界就建立在形形色色、或顯或隱的計算之上。計算機科學和電信委員會認為，計算思維是21世紀學生的核心能力，與閱讀、寫作和算術等基本技能同等重要，是學生發展核心素養的重要組成部分，其教育重視程度決定了各國未來創新競爭力的水平。具備計算思維能力，是學生應對各項挑戰的基礎，是學生發展組織能力、邏輯思維能力、問題分析與解決能力的重要前提。

一、計算思維

計算思維（computational thinking）概念是周以真教授于2006年首先提出的。她認為，計算思維本質上是一種運用計算機科學的基本概念進行問題求解、系統設計并對人類行為進行理解的思維方式。2017年《普通高中信息技術課程標準》對計算思維的概念界定是：計算思維是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。也就是說，具備計算思維能夠解決生活、學習中的問題，當遇到問題后，能夠對問題進行界定、分析，并嘗試解決問題，學以致用，以用促創。

二、編程學習與計算思維的聯系

編程作品的制作不是一蹴而就的，而是在探索與實踐中不斷地完善與修改，作品最終的完成與學生的計算思維能力具有密不可分的關系。第一，編程學習能夠體現學生對于腳本設計的邏輯思維能力。在作品創作過程中，學生根據不同的任務添加相應的腳本和運用合適的流程控制。第二，編程學習能夠體現學生對于問題的分析能力。不同的學生在創作和任務完成過程中會遇到不同的問題，此時分析、解決問題的能力顯得尤為關鍵。第三，編程學習能夠體現學生對于程序的優化處理能力。當作品完成后，會出現執行的效果與預想的效果不同的情況，需要學生修改腳本參數或者命令，以達到理想效果。

三、培養計算思維的教學實踐（以諾寶RC“自動避障和尋光機器人”編程教學為例）

相關研究表明，培養計算思維最有效的途徑是學習編程語言，不同年齡階段學習不同的程序語言，編程的難易程度各有不同。現在小學階段主要通過學習諾寶RC及GoC語言來培養學生的計算思維，大多采用可視化程序模塊，大大降低了程序的復雜程度。本文就以諾寶RC編程的教學實踐為例，探討編程教學中計算思維能力的培養。

美國著名“統計質量控制之父”休哈特首先提出了PDCA循環理論：P（Plan）指的是計劃，是實施一系列行動的基礎;D（Do）指的是實施，是任務完成的核心;C（Check）指的是檢查，通過多元檢查不斷地完善作品;A（Action）指的是總結處理，是思維能力的進一步升華。在編程教學中，將一個個小小的案例以項目的形式呈現，結合PDCA理論，更能有效地激發學生自主探究的欲望，培養其計算思維能力。

（一）Plan：計劃階段

明確目標，借助故事情節或者創設情境，在腦海中形成任務邏輯體系。比如，設計一款機器人模擬洞穴逃生的程序，學生能夠在腦海中形成故事情節，并且分小組開展頭腦風暴，組織小組討論、歸納，設計問題，激發思維，結合已有生活經驗進行信息加工，得出結論：機器人要想實現洞穴逃生功能，須具備可行走、能避障、會尋光等功能。

這里，我們通過“自然語言+思維導圖”的教學策略，不僅方便了學生形象地分解大問題、逐一破解小問題，降低了學習難度，而且讓學生懂得做事的先后順序和先決條件，訓練了學生的抽象和分解思維能力，使思維過程有據可循。

（二）Do：實施階段

此階段主要是編寫程序，提升分析與操作能力。結合計劃階段的思維導圖，理清思路以后，通過運用算法流程圖和編寫程序，讓學生感受程序思維的表達方式。比如，為了解決高速電機行走問題，通過“紅外避障傳感器”充當機器人的眼睛，通過“永久循環”實現不斷探測障礙物的功能，通過“條件判斷”來實現判斷、解決避障問題，通過“光敏傳感器”解決尋光問題等。學生需要不斷地思考，最后得出預設的效果。

實施階段是將計劃付諸實踐，也是主要的學習新知的過程。學生在操作過程中會遇到多種問題，而問題如何解決是關鍵。實施階段的設計意圖是讓學生根據創設情境中的目標，結合學習的新知探索完成任務，當遇到瓶頸時，通過對問題的探索、分析，在解決的過程中提升計算思維。

（三）Check：檢查階段

當學生初步完成并運行程序時，會發現一些程序的運行結果與預期目標不同，需要通過程序調試進行找錯、糾錯、修正。這是程序設計必不可少的基本步驟。為了更直觀地幫助學生理出頭緒，可以采用“調試單”的方法，讓學生把錯誤現象對應的錯誤腳本，包括修改后的腳本以及解決了什么問題記錄下來。調試單是一個學習支架，可以幫助學生羅列程序運行的不足，并以此追根溯源地發現錯誤。比如，在理解“永久循環”模塊時，通過第一次運行程序，學生發現僅僅運用條件判斷并不能解決避障問題。經過老師的引導，學生通過分析思考，結合現實生活中的場景，對知識進行遷移，進一步對信息進行加工整合，能更深刻地理解添加“永久循環”這個模塊的意義。再比如，學生通過嘗試用“直行”模塊替代“高速電機”模塊，運行程序時發現不能實現避障功能，通過檢查模塊參數進行思考和再嘗試，學生能自己總結出“直行”和“高速電機”這兩個模塊的區別。

自我檢查是檢驗成果的重要環節。學生運行程序并審視作品，在自我檢查的過程中，能夠拓展思維的廣度和深度。廣度是指可以采取多種思路獲取解決問題的答案;深度是指對問題的解決要透徹，將抽象問題具體化，從而培養計算思維能力。檢查階段和實施階段通常是交錯進行。學生自我思考的過程，正是培養計算思維的過程。

檢查階段還包括同伴檢查，主要目的是將自己操作過程中遇到的問題和同伴分享，雙方交流、探討遇到的問題以及解決措施，通過分享的過程加深對問題的理解。本環節不僅能夠促進學生的思維發展、 加深學生對于問題的理解，還能夠讓學生學會交流與分享成果，提高學生的語言表達能力，并反思自己作品中的優點與不足，使思維得到進一步的延伸。

（四）Action：總結糾正階段

總結收獲、反思作品才能啟發創新，讓思維不斷升華。本環節主要是學生對自己作品進行糾正，對任務完成情況做出反思。學生完成程序設計后，通過仿真操作展示自己的作品，并對程序設計進行說明，包括制作過程中遇到的問題、修改的思路、解決問題的方法等。此過程是對思維進行梳理、總結、提煉的過程，這正是計算思維中“概況”思維的一種表現。同時，學生還可以互評他人的作品，發現他人作品中的優點和不足，通過交流進一步提升計算思維能力。

編程能力是最重要的信息技術能力之一，在一線教學中，我們要從“學習編程”轉向“通過編程學習”。編程教育的目標并不是培養程序員，而是要讓學生在編程的過程中了解如何使用計算機進行創作，進而培養嚴密的邏輯思維和良好的計算思維。發展計算思維，正是編程教育的價值所向。

計算思維培養是一個系統工程，不光是信息技術學科肩負的使命，更需要數學、實驗科學、人文藝術等學科的融入與結合，以及不同學段教育的共同努力，才能結出豐富的碩果。

參考文獻：

[1]鄭爽，魏加猛.在編程教學中融合計算思維能力的培養[J].中小學信息技術教育，2020（10）.

（責任編輯：奚春皓）