面向計算思維培養(yǎng)的初中信息技術(shù)教學(xué)實(shí)踐研究

羅玲

【摘 要】隨著我國新版高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，作為信息技術(shù)課程四大核心素養(yǎng)之一的計算思維，不僅對學(xué)生邏輯思維的培養(yǎng)有幫助，而且對學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力也有著重要的推動作用。計算思維的培養(yǎng)在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)智慧化時代至關(guān)重要，如何開展學(xué)生計算思維的培養(yǎng)也成為當(dāng)今教育界最熱門的話題之一。本文依據(jù)Selby Cynthia和Woollard John兩位博士提出的計算思維五要素，結(jié)合初中信息技術(shù)學(xué)科特點(diǎn)和初中學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，以“3D創(chuàng)意花盆制作”教學(xué)為例，闡述了在初中信息技術(shù)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的做法。

【關(guān)鍵詞】計算思維;信息技術(shù);3D創(chuàng)意設(shè)計;教學(xué)研究

【中圖分類號】G434 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）06-061-03

案例背景

計算思維近年來日益受到重視并開始進(jìn)入大眾的視野。國內(nèi)外教育部門紛紛將計算思維納入國家課程標(biāo)準(zhǔn)中，通過相關(guān)課程的開展，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，從而提高國家核心產(chǎn)業(yè)競爭力。在我國新發(fā)布的高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)以及2017年的基礎(chǔ)教育版《地平線報告》中也明確將計算思維作為學(xué)生最核心的能力素養(yǎng)之一[1]，學(xué)生計算思維的培養(yǎng)成為了國內(nèi)外學(xué)者最關(guān)注的問題。但是，隨著各類新型教育模式的出現(xiàn)，計算思維的培養(yǎng)同樣也面臨著教師認(rèn)識不足，教學(xué)過程中過分關(guān)注編程工具的使用而忽視了問題解決能力的培養(yǎng)，缺乏對跨學(xué)科實(shí)踐活動的關(guān)注等方面的挑戰(zhàn)。這也是目前許多一線教師計算思維培養(yǎng)無法取得明顯成效的原因。

為此，本案例將依據(jù)Selby Cynthia和Woollard John兩位博士提出的計算思維五要素[2]，以川教版初中信息技術(shù)八年級下冊“文創(chuàng)作品”單元中的“3D創(chuàng)意花盆制作”一課為例，通過情境創(chuàng)設(shè)（確定問題）—頭腦風(fēng)暴（分解問題）—抽象建模（原型制作）—優(yōu)化評估（評估作品）—分享匯報（總結(jié)概括）五個教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施，詳細(xì)闡述在初中信息技術(shù)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的步驟和方法，為當(dāng)前的教學(xué)改革提供些許參考。

案例描述

1.創(chuàng)設(shè)情境，確定問題

在導(dǎo)入環(huán)節(jié)，首先告訴學(xué)生這是一堂有趣的課，從一個有趣的視頻開始，進(jìn)而去激發(fā)學(xué)生的好奇心，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。然后，引導(dǎo)學(xué)生觀看3D打印創(chuàng)意視頻，讓學(xué)生邊看邊觀察視頻當(dāng)中3D打印運(yùn)用到了哪些行業(yè)？學(xué)生會認(rèn)真觀看視頻并回答3D打印的運(yùn)用，如：航空航天、汽車、制造業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)。這個環(huán)節(jié)就將3D打印與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系起來了，讓學(xué)生們認(rèn)識到3D打印已經(jīng)走進(jìn)了我們的生活。

然后給出一段材料讓學(xué)生們?nèi)シ治觯タ纯垂适吕锏闹魅宋逃龅搅耸裁磫栴}（材料：為了給班級營造一個良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，老師組織班集體買了一些綠植裝進(jìn)塑料花盆中。但是，由于國慶節(jié)后，綠植在室外經(jīng)歷了一周的風(fēng)吹雨打，塑料花盆已經(jīng)變形。如果我們能設(shè)計打印出3D花盆，就可以達(dá)到既環(huán)保輕便又經(jīng)濟(jì)耐用的效果）？通過引導(dǎo)學(xué)生分析材料中的問題，讓學(xué)生感知問題情境，快速融入課堂教學(xué)，明白本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)是3D創(chuàng)意花盆制作。通過分組的方式，讓小組討論并選定一種植物，進(jìn)行相應(yīng)的花盆設(shè)計，完成項(xiàng)目選題及小組分工。

2.頭腦風(fēng)暴，分解問題

當(dāng)學(xué)生明確問題之后，第二個環(huán)節(jié)就是引導(dǎo)學(xué)生思考如何進(jìn)行3D創(chuàng)意花盆的設(shè)計。該環(huán)節(jié)的重點(diǎn)就是學(xué)生對問題的分解以及對方案的設(shè)計與規(guī)劃。為此，要讓學(xué)生思考在設(shè)計花盆時需要考慮哪些因素，引導(dǎo)小組圍繞要設(shè)計的花盆開展頭腦風(fēng)暴。通過引導(dǎo)學(xué)生分析花盆的基本構(gòu)造，如花盆有一個開放面，可以平穩(wěn)放置，底部有排水孔等。組員也暫時不對這些看法做出對錯評價，然后將這些想法用思維導(dǎo)圖進(jìn)行梳理。有的學(xué)生直接利用老師發(fā)的素材包，有的學(xué)生上網(wǎng)收集素材，每個人都發(fā)表了相應(yīng)的意見，并完成思維導(dǎo)圖的繪制，最后形成了各自小組的思維導(dǎo)圖（圖1）。

在此環(huán)節(jié)，組織學(xué)生進(jìn)行3D創(chuàng)意花盆草圖的繪制，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)對3D創(chuàng)意花盆制作過程的了解，這對學(xué)生分解問題的能力可以起到一個很好的培養(yǎng)作用。最后，利用項(xiàng)目設(shè)計手冊記錄過程，這有助于幫助學(xué)生整理思路，分解3D創(chuàng)意花盆制作所需的步驟和方案，清楚小組進(jìn)度，更好地完成任務(wù)。

3.抽象建模，作品制作

在學(xué)生繪制好草圖之后，學(xué)生頭腦中對3D創(chuàng)意花盆有了初步的框架。此時，向?qū)W生發(fā)問“那我們剛才所畫的草圖怎樣才能變成像老師手里這樣一個實(shí)際的花盆呢？”（出示已利用3D打印制作好的花盆）。通過實(shí)物的呈現(xiàn)與對比讓學(xué)生明白3D打印花盆與普通花盆的區(qū)別，如果想要將草圖變成實(shí)物需要通過計算機(jī)完成建模，并通過3D打印來完成。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生回顧之前學(xué)的三維建模知識，包括三維建模的基本原理、三維建模軟件3DOne的基本使用方法，以及如何將平面圖形變成立體圖形，怎么對實(shí)物進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、放樣、抽殼等（圖2），啟發(fā)學(xué)生思考如何在3DOne軟件中實(shí)現(xiàn)花盆的制作。學(xué)生則利用剛才所回顧的知識進(jìn)行遷移，完成3D創(chuàng)意花盆的原形制作。

在這個環(huán)節(jié)中，最主要的目的在于讓學(xué)生明白可以通過問題分解、抽象建模的方式將實(shí)際生活中花盆制作的問題轉(zhuǎn)化成計算機(jī)可以解決的步驟來完成。為了幫助學(xué)生更好地完成對3D花盆的抽象與建模，通過讓學(xué)生對比3D花盆與現(xiàn)實(shí)花盆的區(qū)別，讓學(xué)生頭腦中形成對3D花盆的創(chuàng)意思考與結(jié)構(gòu)模型，再通過引導(dǎo)學(xué)生回顧三維建模知識，順理成章地將三維建模知識很好地遷移到3D創(chuàng)意花盆制作中來，對學(xué)生起到一個鋪墊作用，幫助學(xué)生更好地完成3D創(chuàng)意花盆的抽象與建模。將草圖在3DOne軟件中轉(zhuǎn)化為實(shí)際模型，極大地提高了學(xué)生的興趣。同時，由于小組想法不同，完成方式不同，又實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。在學(xué)生完成花盆建模的同時，他們的抽象建模能力也得到了很好地培養(yǎng)。

4.優(yōu)化評估，完善作品

在完成創(chuàng)意花盆的原型制作之后，第四個環(huán)節(jié)就是組織學(xué)生對作品進(jìn)行評估以及修改完善。此時，我們給出了一個簡單的評價量表，讓學(xué)生根據(jù)這個評價量表對所在小組的項(xiàng)目做初步 評估，然后對作品進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。對已經(jīng)完成的小組，讓他們形成一個書面的評估報告，詳細(xì)介紹他們的項(xiàng)目是怎么完成的，經(jīng)歷了哪些步驟，后續(xù)還可以怎樣優(yōu)化。在這個環(huán)節(jié)，其實(shí)就是讓學(xué)生通過對作品的初步評估，來判斷哪些地方還可以進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過再優(yōu)化的過程培養(yǎng)他們對于計算思維的理解能力。

5.分享匯報，總結(jié)交流

最后一個環(huán)節(jié)是分享匯報、總結(jié)交流。我們組織學(xué)生以小組為單位利用希沃展臺展示小組的項(xiàng)目設(shè)計手冊，并進(jìn)行作品的展示與交流。此外，我們還要求學(xué)生在匯報時分角色介紹小組的設(shè)計方案與實(shí)施流程，包括最初的設(shè)想與規(guī)劃，具體的實(shí)施流程，實(shí)施過程中遇到的問題，如何來解決等。在這個環(huán)節(jié)中，通過小組匯報交流的方式，學(xué)生可以歸納和總結(jié)出項(xiàng)目完成的具體過程，找到問題解決的一般規(guī)律，以便后續(xù)在開展類似項(xiàng)目活動過程中進(jìn)行能力的遷移。同時，也對學(xué)生的概括、總結(jié)、歸納能力起到了一個很好地培養(yǎng)和鍛煉作用。

教學(xué)反思

本節(jié)課教學(xué)是一個在初中信息技術(shù)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的案例。我們嘗試將計算思維培養(yǎng)的五要素與3D創(chuàng)意作品項(xiàng)目相整合，讓學(xué)生在完成3D創(chuàng)意花盆作品制作的過程中，歷經(jīng)分解、抽象、建模、評估、概括幾個環(huán)節(jié)。讓學(xué)生明白計算思維在問題解決的過程中起到的作用，運(yùn)用計算思維可以使問題解決更有效。結(jié)合本案例的設(shè)計與實(shí)踐，有以下體會。

1.以學(xué)生認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)為基礎(chǔ)選取合適的計算思維能力要素進(jìn)行培養(yǎng)

首先，計算思維的培養(yǎng)需要我們以學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和學(xué)段特點(diǎn)為基礎(chǔ)。因此，我們需要篩選出他們這個階段能掌握的一些計算思維能力要素，如抽象、分解、算法、評估、遷移等。然后將這些篩選出來的計算思維能力要素與項(xiàng)目問題進(jìn)行整合，通過項(xiàng)目活動的開展，讓學(xué)生在解決問題項(xiàng)目的過程中歷經(jīng)計算思維能力要素的滲透，體驗(yàn)用計算思維能力要素解決問題的便利性與高效性，養(yǎng)成用計算思維能力要素解決問題的習(xí)慣。

2.以學(xué)生計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)設(shè)定與教學(xué)內(nèi)容選擇

在教學(xué)過程中，需要以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)設(shè)計。通過將計算思維的要素融入到教學(xué)目標(biāo)中，讓計算思維的過程要素、技能方法與教學(xué)目標(biāo)相融合，再結(jié)合初中生認(rèn)知特點(diǎn)、思維發(fā)展特點(diǎn)，確定合適的教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，要與計算思維的內(nèi)涵有一定的映射關(guān)系，需要有明確的培養(yǎng)主題、明確的培養(yǎng)目標(biāo)。讓學(xué)生在案例學(xué)習(xí)過程中隨著教學(xué)內(nèi)容的不斷深入逐步完善知識與能力，讓計算思維隨著問題的深入推進(jìn)與解決而得到一個很好地提升。

3.以學(xué)生計算思維培養(yǎng)為核心開展教學(xué)活動的設(shè)計

學(xué)生計算思維能力的提升離不開教學(xué)活動的精細(xì)化設(shè)計。項(xiàng)目活動的設(shè)計是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@關(guān)系到我們怎樣將計算思維能力要素整合進(jìn)項(xiàng)目活動中，怎樣通過一些活動的開展讓學(xué)生計算思維能力得到培養(yǎng)和鍛煉。教師提前將計算思維能力要素分解到教學(xué)任務(wù)中，可以很清楚地知道學(xué)生需要掌握的知識、技能，以及最后學(xué)生獲得哪些方面能力的提升。而學(xué)生則可以根據(jù)教師設(shè)計的任務(wù)活動展開任務(wù)分解、抽象建模、算法設(shè)計、評估迭代、小組合作、問題解決等，循序漸進(jìn)地提高計算思維能力。

4.以學(xué)生計算思維培養(yǎng)為抓手及時調(diào)整教學(xué)方法與教學(xué)策略

教師制定好教學(xué)目標(biāo)后，需要以學(xué)生計算思維培養(yǎng)為抓手選擇教學(xué)方法，并根據(jù)教學(xué)的具體內(nèi)容動態(tài)地調(diào)整教學(xué)方法。比如，在問題提出后，可以進(jìn)行問題分解的引導(dǎo)教學(xué)，通過引導(dǎo)學(xué)生將未知的問題進(jìn)行分解與轉(zhuǎn)化，把未知的問題轉(zhuǎn)化為已知的小問題并逐一解決。

讓學(xué)生通過思維導(dǎo)圖、流程圖、列表格、寫步驟等方式對問題進(jìn)行分解與構(gòu)思，形成個人或小組問題解決方案。在問題求解階段，則可以通過任務(wù)驅(qū)動法、項(xiàng)目式教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生以項(xiàng)目和任務(wù)探索為引領(lǐng)，開展小組合作探究，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識，調(diào)動學(xué)生自主探索的積極性。

參考文獻(xiàn)

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