聚焦問題解決，發(fā)展計算思維的初中編程教學實踐
——以“自動溫控風扇設(shè)計”一課為例

李偉 上海市朱家角中學

《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）對各年齡階段的課程內(nèi)容做了劃分，其中5～6年級階段“過程與控制”課程內(nèi)容的要求是：“學生能認識到過程與控制廣泛存在于日常生活中，知道其中的反饋、環(huán)路、優(yōu)化等概念，針對簡單的過程與控制系統(tǒng)，能通過編程進行驗證。”基于這個階段的學生特點，“過程與控制”模塊的學習以基本概念原理為主，學習目標是提升學生思維能力和知識遷移能力，但缺乏實踐體驗對學生理解控制過程是不利的。那么，如何設(shè)計優(yōu)化課堂學習活動，使教師教學和學生學習更接近新課標的理念和要求呢？筆者嘗試在項目化學習活動設(shè)計中，針對發(fā)展計算思維引導(dǎo)學生反復(fù)體驗問題分解、逐步抽象、建立模型、算法設(shè)計與驗證的過程，以提升學生數(shù)字化學習適應(yīng)力、勝任力和創(chuàng)造力。

●學習項目：自動溫控風扇的設(shè)計與實現(xiàn)

項目情境來源于生活中常見的現(xiàn)象——臺式計算機機箱里的風扇工作情況，要求學生通過觀察計算機工作時機箱中風扇什么情況下轉(zhuǎn)動和停止，探究自動溫控風扇系統(tǒng)的功能，并嘗試將系統(tǒng)按功能模塊分解，探究各功能模塊的算法邏輯和控制過程。學生完成項目需要利用圖像化編程軟件配合micro：bit開發(fā)板，搭建一個能夠根據(jù)溫度自動啟停風扇的散熱系統(tǒng)。在項目學習實施過程中，重點關(guān)注活動設(shè)計與問題解決兩方面的關(guān)系，通過問題分解、逐步抽象、建立模型以及算法設(shè)計，在逐步實現(xiàn)自動溫控風扇的過程中發(fā)展學生計算思維。

●學習活動1：自動溫控風扇的探究與功能分解

學生根據(jù)平時使用計算機的經(jīng)驗及聽到的聲音，只知道風扇有時會轉(zhuǎn)動，具體直觀的感受缺失。因此，教師拍攝了一段打開臺式計算機機箱蓋，觀看計算機工作的視頻。視頻中顯卡的風扇從靜止到轉(zhuǎn)動，風扇的轉(zhuǎn)動速度明顯呈現(xiàn)快和慢兩種狀態(tài)。學生通過觀看這個視頻，結(jié)合已有生活經(jīng)驗，在教師的引導(dǎo)下明確將自動溫控風扇系統(tǒng)功能分解成兩個部分：①實現(xiàn)風扇隨著溫度升高開始轉(zhuǎn)動，溫度降低停止轉(zhuǎn)動的功能；②在第一個功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)隨著溫度繼續(xù)升高，風扇轉(zhuǎn)速加快，降溫后風扇轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常的功能。

●學習活動2：自動溫控風扇的初步搭建

1.情境引入

情境來源于生活，情境中碰到的問題可以作為后續(xù)思維學習的材料。以計算機機箱內(nèi)風扇轉(zhuǎn)動情況的視頻作為情境引入，教師同時預(yù)設(shè)了三個關(guān)聯(lián)的問題：風扇有什么作用？風扇什么時候轉(zhuǎn)，什么時候停？接下來搭建的自動溫控風扇系統(tǒng)設(shè)置溫度為多少時風扇開始轉(zhuǎn)動？前兩個問題學生能很快回答出風扇的作用是散熱，溫度升高時風扇轉(zhuǎn)，溫度降低時風扇停。對于第三個問題，學生經(jīng)過討論后得出結(jié)論：設(shè)置的溫度要略高于當前溫度。而開發(fā)板芯片的當前溫度測試是前一節(jié)課學生學習過的內(nèi)容，因此，教師當場演示通過程序測出開發(fā)板芯片的溫度為29攝氏度。有了這個鋪墊，學生討論出設(shè)置臨界溫度（閾值）為31攝氏度。

2.游戲體驗

在明確了系統(tǒng)的臨界溫度后，如果直接讓學生進入算法設(shè)計和編程實現(xiàn)是有難度的。因此，教師設(shè)計了讓學生用左手扇風來模擬風扇轉(zhuǎn)動的游戲體驗活動。具體過程：教師依次出示30攝氏度、32攝氏度、29攝氏度三個溫度值，學生根據(jù)臨界溫度的值判斷風扇的狀態(tài)，并用左手模擬演示。有了這個抽象的基礎(chǔ)，進一步引導(dǎo)學生把手的動作變化抽象為流程圖里的關(guān)鍵步驟，左手扇對應(yīng)風扇轉(zhuǎn)，左手停對應(yīng)風扇停。

隨著流程圖的補充完善，學生已經(jīng)建立了編程的基本模型。接下來，在編程軟件中選擇合適的語句實現(xiàn)，語句中的執(zhí)行條件和執(zhí)行內(nèi)容語句，學生也能根據(jù)流程圖的模型寫出來。

3.抽象建模

縱觀學習活動2這個環(huán)節(jié)，在學生思維無法一步達到目標的情況下，通過引導(dǎo)學生用手扇風模擬風扇轉(zhuǎn)動進行游戲體驗，這是初步抽象過程。然后根據(jù)導(dǎo)學單上的提示引導(dǎo)學生用自然語言表述系統(tǒng)工作過程：比較當前溫度與臨界溫度，如果超過31攝氏度，則風扇轉(zhuǎn)，不超過31攝氏度，則風扇停，有了這個基礎(chǔ)再進行流程圖表達填空，這是進一步抽象和建模的過程。最后在圖形化編程環(huán)境中進行算法設(shè)計，編寫出程序。程序完成后配合開發(fā)板、風扇等硬件完成搭建，模擬實現(xiàn)溫度升高時風扇轉(zhuǎn)、溫度降低時風扇停的自動溫控風扇系統(tǒng)。整個學習過程完整地體現(xiàn)了抽象特征，建模和算法設(shè)計，加上前面學習活動1的問題分解，這些思維活動都是學生在運用計算機科學領(lǐng)域的思想方法形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動。完整的思維路徑如圖1所示，學生在這個學習活動中運用了自然語言、流程圖和程序代碼三種表達方式，另外通過不斷經(jīng)歷分解、抽象、建模和算法設(shè)計等思維活動，學生的計算思維必將逐步得到發(fā)展。

圖1

●學習活動3：風扇運轉(zhuǎn)快慢的自動實現(xiàn)

本學習活動是在初步實現(xiàn)自動溫控風扇的基礎(chǔ)上，加入第二個風扇，用兩個風扇同時轉(zhuǎn)代表運轉(zhuǎn)快的情況，一個風扇轉(zhuǎn)代表運轉(zhuǎn)慢的情況。這是一個優(yōu)化問題解決方案的過程，在基本實現(xiàn)溫控自動風扇的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)隨著溫度再升高，風扇轉(zhuǎn)得快的功能，這樣就和現(xiàn)實生活中的計算機自動溫控風扇功能更接近，相對而言任務(wù)也更具有挑戰(zhàn)性，因此對應(yīng)的抽象過程要進一步細化。參照學習活動2的抽象過程，引導(dǎo)學生體驗用左右手扇風模擬兩個風扇狀態(tài)的游戲。

師生首先討論出臨界溫度2要略大于臨界溫度1（31攝氏度），最后確定為33攝氏度。然后根據(jù)自動溫控風扇的工作過程，教師出示五個溫度值：30→32→34→32→30。學生用左手模擬風扇1，右手模擬風扇2，在教師出示溫度時，兩只手配合做出相應(yīng)的動作。教師根據(jù)學生的反饋形成溫度和動作的對應(yīng)表，如圖2所示。這時因為動作由雙手做出，情況比較復(fù)雜，直接根據(jù)動作表建模在流程圖中填寫四種風扇狀態(tài)還是有困難的，因此需要引導(dǎo)學生進一步抽象，采取的策略是排除無關(guān)項，聚焦風扇狀態(tài)的改變即“動作變化”。把隨著溫度變化的五個“動作”進一步抽象為“動作變化”。從初始狀態(tài)兩個風扇都停止開始，學生的手上動作變化依次為“左手扇→右手扇→右手停→左手停”。經(jīng)過這樣更為聚焦的抽象，學生能夠把四種狀態(tài)對應(yīng)的“風扇1轉(zhuǎn)→風扇2轉(zhuǎn)→風扇2停→風扇1停”填入到流程圖中相應(yīng)的處理框中。在流程圖補充完整后，運用兩個分支語句實現(xiàn)根據(jù)溫度不同，呈現(xiàn)風扇的四種狀態(tài)。

圖2

●學習活動4：搭建系統(tǒng)，交流展示

最后的學習活動是在編程環(huán)境中編寫完善代碼，連接開發(fā)板及其硬件設(shè)備，驗證整個自動溫控風扇系統(tǒng)的正確性。作品的展示交流是項目活動中必不可少的環(huán)節(jié)，成果展示作為結(jié)果性評價，很大程度上反映了學生學習的效果。當?shù)谝粋€做出來的小組向全班學生展示他們的作品時，表現(xiàn)出很大的自信，對教師提出的問題思考回答也都到位。當然，展示環(huán)節(jié)不僅僅是重復(fù)讓做成功的小組依次展示，更重要的是對沒有完成的小組加以關(guān)注，也可以請他們展示作品目前的狀態(tài)，師生一起幫助找出未成功的原因。通過師生一起合作解決典型錯誤，有著同樣錯誤的小組能夠及時更正，最后調(diào)試成功率就會增加。

從整個教學過程可以看出，發(fā)展學生計算思維的關(guān)鍵是通過“情境體驗→任務(wù)分解→逐步抽象→建立模型→算法實現(xiàn)”這一過程將學生的生活經(jīng)歷和學科思維與知識相結(jié)合，使其真實感受到計算方法與自動化實現(xiàn)的過程，在實踐體驗程序設(shè)計每個環(huán)節(jié)的過程中形成問題解決中一系列分解、抽象、建模以及算法設(shè)計等計算思維活動。其中，初步抽象的過程借助了游戲體驗。游戲體驗為計算思維發(fā)展提供思維材料，能夠激發(fā)學生的學習興趣，使學生樂于參與，同時能夠調(diào)動學生已有的生活經(jīng)驗，學生將自己置于這樣的游戲情境中去思考問題，有利于抽象思維的完成。另外，游戲情境與教學主題具有很強的關(guān)聯(lián)性，通過游戲的體驗和教師的引導(dǎo)，學生能夠基于已經(jīng)掌握的信息科技學科的知識和方法，分析游戲情境，直至用數(shù)據(jù)表達計算模型，這樣的思維過程也是計算思維養(yǎng)成的過程。

總之，計算思維教育不是單純的知識學習，而是思維發(fā)展；計算思維教育不是孤立的“代碼編寫”，而是過程性的“程序體驗”。本課利用設(shè)計生活中常見的自動溫控風扇系統(tǒng)來開展教學，幫助學生認識如何利用計算機來處理生活中的實際問題，從而發(fā)展學生的計算思維。