基于OBE-CDIO的計算思維能力培養(yǎng)

袁婷　肖冰

關(guān)鍵詞：計算思維；OBE；CDIO；Scratch；教學(xué)模式

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）12-0122-04

1 引言

周以真教授于2006年首次提出“計算思維”的概念[1]，之后很多國家都頒布了相關(guān)的政策文件，促進(jìn)國內(nèi)計算思維教育的發(fā)展。我國新推出的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》已將計算思維列為學(xué)科核心素養(yǎng)之一[2]，從思維的角度闡述了信息科技學(xué)科的培養(yǎng)目標(biāo)。隨著國家課程改革的推進(jìn)，小學(xué)生的計算思維培養(yǎng)越發(fā)受到重視，編程教育是一個很好的承載體。Scratch作為一款積木式的編程軟件，操作簡單且容易理解，整體設(shè)計符合兒童的認(rèn)知特征，是培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的重要抓手。然而目前指向計算思維培養(yǎng)的Scratch教學(xué)大多采取“重步驟、偏模仿”的教學(xué)模式，學(xué)生通過模仿范例來學(xué)習(xí)，缺少深入思考，對程序設(shè)計的過程及方法理解不到位，致使學(xué)生在課程后期缺乏創(chuàng)造力，無法將所學(xué)知識點靈活應(yīng)用[3]，因而不能有效地促進(jìn)學(xué)生計算思維能力的發(fā)展。

OBE-CDIO是一種指向?qū)W生高階思維能力培養(yǎng)的教育理念，近年來受到了學(xué)者的普遍關(guān)注，在計算思維的培養(yǎng)中也得以應(yīng)用。學(xué)者在Scratch編程教學(xué)中融入OBE理念[4]、在Python課程中引入CDIO理念[5]構(gòu)建新的教育模式，實踐表明，研究構(gòu)建的模式可以鍛煉小學(xué)生的計算思維，保證教學(xué)質(zhì)量，彌補傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足。雖然已有研究對計算思維的培養(yǎng)展開了一定的實踐，但在小學(xué)階段將OBE和CDIO理念融合運用于計算思維培養(yǎng)的研究還處于起步階段，在Scratch課程中探索構(gòu)建基于OBE-CDIO理念、培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的教學(xué)模式，是信息科技教學(xué)值得探索的問題。基于此，本研究在Scratch課程中構(gòu)建OBECDIO教學(xué)模式及實施流程，以期為以小學(xué)生計算思維培養(yǎng)為目標(biāo)的課程教學(xué)提供參考。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 計算思維

2006年周以真教授首先提出：計算思維是運用計算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)、理解人類行為的一系列思維活動[1]。此后多名研究者對計算思維展開了深入研究，當(dāng)前有關(guān)計算思維模型或者框架的定義，大體可以分為兩部分，一是敘述思維過程，二是確定計算思維能力的要素。從思維過程來看，計算思維是對問題進(jìn)行邏輯分析和分解、得出詳細(xì)的解決方案、進(jìn)行算法設(shè)計并實施，最后反思與優(yōu)化的思維過程[6]。從能力要素來看，計算思維的核心技能可分為問題解決能力、算法思維、批判性思維、合作能力和創(chuàng)造力五個維度[7]。

2.2 OBE-CDIO

OBE-CDIO是OBE和CDIO相融合的教育理念，其中OBE（Outcomes-based Education） 是以能力為導(dǎo)向的教育理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)成效并以此驅(qū)動教學(xué)過程，從能力和學(xué)習(xí)成果出發(fā)，逆向建構(gòu)教學(xué)過程，區(qū)別于依據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計和組織教學(xué)環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)模式[8]。CDIO（構(gòu)思－設(shè)計－實施－運行）是近年來國際工程教育改革的最新成果，以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體實施教學(xué)，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)更具主動性和實踐性，以此模式培養(yǎng)的學(xué)生在未來的企業(yè)和社會競爭中會更有優(yōu)勢[9]。OBE以學(xué)習(xí)成效為導(dǎo)向來組織、實施和評價教育，注重解決“做什么”的問題，也就是學(xué)生應(yīng)該具備的知識、能力和素質(zhì)；CDIO根據(jù)學(xué)習(xí)成效來確定課程內(nèi)容、教學(xué)方法及評價方式，注重解決“怎么做”的問題，也就是如何使學(xué)生具備相應(yīng)的知識、能力和素質(zhì)；將兩者融合得到的OBE-CDIO理念，應(yīng)用到新一代信息技術(shù)人才的培養(yǎng)中具有一定的實踐意義[10]。

2.3 計算思維與OBE-CDIO 的契合之處

OBE理念重視能力培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在經(jīng)歷學(xué)習(xí)活動后應(yīng)具備的能力及學(xué)習(xí)成效，教學(xué)活動與評價也圍繞學(xué)習(xí)成效展開，該理念的關(guān)鍵是衡量學(xué)生能做什么[8]。而計算思維是關(guān)于人的內(nèi)在品質(zhì)的概念，強(qiáng)調(diào)在真實情境面前，利用計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想、策略、方法和技術(shù)解決特定問題的能力[11]，這與OBE理念倡導(dǎo)的能力導(dǎo)向不謀而合。同樣的，CDIO理念的四個環(huán)節(jié)能集中體現(xiàn)計算思維的思維過程，其中“構(gòu)思”指對問題進(jìn)行分析和設(shè)想（對應(yīng)計算思維的問題邏輯分析和分解），“設(shè)計”指利用流程圖等方式表達(dá)解決思路（對應(yīng)計算思維的得出解決方案），“實施”指進(jìn)行實際操作以達(dá)到目標(biāo)（對應(yīng)計算思維的算法設(shè)計并實施），“運行”指對結(jié)果進(jìn)行評價以便反思優(yōu)化方案（對應(yīng)計算思維的反思與優(yōu)化）[5]。因此，OBE-CDIO理念適用于學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。

3 面向計算思維培養(yǎng)的OBE-CDIO 教學(xué)模式

本文結(jié)合近些年研究者的理論成果，構(gòu)建出一套適合培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的教學(xué)模式（見圖1） 。面向計算思維培養(yǎng)的OBE-CDIO教學(xué)模式包含任務(wù)預(yù)習(xí)、成果展示、知識學(xué)習(xí)、內(nèi)化吸收、小組展示和知識遷移六個環(huán)節(jié)。

3.1 任務(wù)預(yù)習(xí)

在課前教師提出預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生以小組合作的方式（2～3人為一組）進(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計。構(gòu)思是指通過觀察日常生活和查閱相關(guān)資料，分析預(yù)習(xí)任務(wù)需要解決的是一個什么樣的問題，這個問題是否可以分解為多個小問題。設(shè)計是指學(xué)生可用文字、圖片等任意形式來表達(dá)解決該問題的算法流程，以便理清問題解決的思路。將構(gòu)思和設(shè)計作為預(yù)習(xí)任務(wù)，可以給學(xué)生留出充足的時間進(jìn)行問題思考、觀察和表達(dá)，并且在此過程中小組成員可以隨時交流想法、集思廣益，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)造力和合作能力。

3.2 成果展示

在每節(jié)課的開始，教師邀請各小組上臺進(jìn)行預(yù)習(xí)任務(wù)的成果展示，小組成員從構(gòu)思和設(shè)計的角度細(xì)致講解該任務(wù)，教師和其他學(xué)生對小組方案進(jìn)行提問和點評，最后教師以流程圖或思維導(dǎo)圖的形式，總結(jié)預(yù)習(xí)任務(wù)涉及的問題和問題解決的詳細(xì)步驟。在這個過程中，全班同學(xué)一起經(jīng)歷“頭腦風(fēng)暴”，使得學(xué)生不再拘泥于一種思路，學(xué)會思考其他解決方案的優(yōu)點和不足，有利于鍛煉學(xué)生的批判性思維。

3.3 知識學(xué)習(xí)

學(xué)生對問題及問題解決方案逐漸明確后，教師以提問、板書、PPT等多種形式講解知識點，學(xué)生邊理解邊記錄學(xué)習(xí)的重點和難點。之后教師結(jié)合軟硬件教具，介紹與知識點相關(guān)的程序積木和硬件模塊，并按照之前總結(jié)的問題解決步驟編寫程序，最后將程序錄入硬件模塊，引導(dǎo)學(xué)生觀察作品效果，調(diào)試程序直到與預(yù)期效果一致。

3.4 內(nèi)化吸收

學(xué)生學(xué)完知識點后，打開軟件自行編寫程序，結(jié)合硬件調(diào)試程序，以促進(jìn)知識的內(nèi)化吸收，如有問題可請教組內(nèi)成員或者舉手問老師。在實際問題情境中，學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)、編寫、調(diào)試和反思程序的過程，能夠提高其算法思維和問題解決能力。

3.5 小組展示

各小組完成程序后，依次上臺展示本組編寫的程序和實現(xiàn)效果、講解編寫的思路和涉及的程序知識點，教師進(jìn)行針對性點評，并從構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行的角度總結(jié)該任務(wù)，讓學(xué)生在交流中鞏固知識。小組上臺展示時，小組成員各司其職，有人負(fù)責(zé)講解，有人負(fù)責(zé)作品展示，有利于鍛煉學(xué)生的合作能力。此外，學(xué)生通過觀察其他小組的問題解決過程和作品制作，能夠促進(jìn)其批判性思維的發(fā)展。

3.6 知識遷移

教師提出新的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生按照構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行的步驟，運用本節(jié)課和之前學(xué)習(xí)的知識獨立解決問題，實現(xiàn)知識的遷移。然后教師邀請部分學(xué)生上臺展示解決方案，并對這些方案進(jìn)行點評，最后對該任務(wù)的解決思路進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。新舊學(xué)習(xí)任務(wù)有較大的相似性，但是又略有不同，學(xué)生自主進(jìn)行探究，有助于及時鞏固所學(xué)，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維和問題解決能力。

以上六個環(huán)節(jié)以兩個任務(wù)為核心，保證學(xué)生每節(jié)課都能從構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行的角度解決實際問題，符合CDIO理念的實現(xiàn)要求。在整個教學(xué)過程中始終堅持能力導(dǎo)向，以計算思維五個部分的能力培養(yǎng)為目標(biāo)、反向設(shè)計教學(xué)活動，使每個教學(xué)活動都目標(biāo)明確；對于學(xué)生的預(yù)習(xí)和課堂表現(xiàn)，采取教師評價為主、學(xué)生組內(nèi)和組間評價為輔的方式，結(jié)合課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容從創(chuàng)造力、算法思維等五個方面進(jìn)行綜合評定；對于期末測試，選取和學(xué)生生活相關(guān)的問題，引導(dǎo)他們按照構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行的步驟給出解決方案并制作作品，教師從創(chuàng)造力、算法思維等方面進(jìn)行評價，此外測試時允許學(xué)生自帶兩張A4紙張大小的手寫資料，目的是讓他們擺脫繁重的記憶工作，將更多的精力放在知識點的理解和問題的解決思路上。以上對教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)活動和評價過程的設(shè)計，滿足OBE理念的實施要求。

4 面向計算思維培養(yǎng)的OBE-CDIO 教學(xué)案例

本研究以上海市某小學(xué)Scratch編程社團(tuán)課為依托，課程內(nèi)容包含聲控?zé)簟⑺撉佟⒕瘓鬅簟⒃胍籼綔y器、超聲波測距儀、亮度測量器、指示小夜燈、簡易手機(jī)云臺等15個和學(xué)生生活緊密相關(guān)的作品。該課程使用圖形化編程軟件Codecraft（基于Scratch3.0平臺研發(fā)而成），配套操作簡單、易連接的硬件設(shè)備Grove Zero，實現(xiàn)軟硬件結(jié)合，提高小學(xué)生編程學(xué)習(xí)的實踐性。下面以“警報燈”課程為例，從任務(wù)預(yù)習(xí)、成果展示、知識學(xué)習(xí)、內(nèi)化吸收、小組展示和知識遷移六個環(huán)節(jié)進(jìn)行案例分析。

4.1 任務(wù)預(yù)習(xí)

在課前教師預(yù)告本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)是制作“警報燈”，要求學(xué)生通過觀察日常生活中的警報燈，以小組為單位、分析警報燈的功能和實現(xiàn)算法，以文字、思維導(dǎo)圖、流程圖等形式表達(dá)小組的分析結(jié)果和算法設(shè)計思路。

4.2 成果展示

開始上課時，教師邀請各小組上臺展示預(yù)習(xí)成果并逐個點評，最后進(jìn)行總結(jié)：正如大家所觀察到的警車、救護(hù)車上會放置警報燈，當(dāng)遇到緊急情況時，人們會按下警報燈上的“開”按鈕，警報燈便會閃爍紅色燈光和發(fā)出聲音來提醒人們；當(dāng)緊急情況解除后，人們可以按下“關(guān)”按鈕，警報燈便會熄滅燈光并停止播放聲音。因此制作警報燈需要開關(guān)、燈、喇叭等設(shè)備，并且有警報提醒和警報解除兩種情況需要處理。

4.3 知識學(xué)習(xí)

教師結(jié)合實物，介紹制作警報燈需要用到的雙按鈕開關(guān)、可調(diào)彩燈、蜂鳴器等硬件模塊，然后結(jié)合PPT和板書講解循環(huán)的概念，闡述無限循環(huán)、次數(shù)循環(huán)和不確定循環(huán)的含義，用“告訴小馬跑三步就停下”“告訴小老鼠把所有扣子扣好才能出去玩”“告訴小兔子要不停地吃東西補充能量”的例子幫助學(xué)生理解這三種循環(huán)的區(qū)別。最后教師打開Codecraft軟件，結(jié)合之前總結(jié)的算法流程，介紹需要用到的編程積木、編寫警報燈程序并完成調(diào)試。

4.4 內(nèi)化吸收

學(xué)生以小組為單位自行編寫警報燈程序，并結(jié)合硬件進(jìn)行調(diào)試，教師實時觀察學(xué)生表現(xiàn)，根據(jù)各小組的情況進(jìn)行適當(dāng)輔導(dǎo)和答疑解惑。

4.5 小組展示

各小組制作完成后，上臺展示制作的警報燈并講解制作思路，教師進(jìn)行逐個點評，并就學(xué)生在編程過程中出現(xiàn)的共性問題進(jìn)行講解，最后從構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行的角度總結(jié)該作品。

4.6 知識遷移

教師要求學(xué)生獨立制作新作品“門鈴”，明確按照構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行的步驟完成作品，之后請部分學(xué)生講解并展示作品，最后教師進(jìn)行概括總結(jié)。門鈴的設(shè)計思路是：當(dāng)雙按鈕開關(guān)被按下，可調(diào)彩燈應(yīng)變換燈光、蜂鳴器播放一段旋律，否則可調(diào)彩燈熄滅、蜂鳴器停止播放。所用編程知識點和警報燈類似但又略有不同，有助于知識遷移的發(fā)生，警報燈和門鈴的程序見圖2。

5 實驗

5.1 研究對象

采用準(zhǔn)實驗法，選取上海市某小學(xué)五年級的兩個班，一共70 名學(xué)生，其中A 班35 人為實驗組，采用OBE-CDIO教學(xué)模式；B班35人為對照組，采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，按照學(xué)生課前預(yù)習(xí)、教師演示作品、教師講解知識、學(xué)生自主編寫、交流展示、鞏固練習(xí)六個環(huán)節(jié)實施教學(xué)。實驗假設(shè)是：OBE-CDIO教學(xué)模式比傳統(tǒng)教學(xué)模式更能促進(jìn)學(xué)生的計算思維發(fā)展。

5.2 研究工具

采用認(rèn)可度高且適合小學(xué)生的、張屹團(tuán)隊開發(fā)的、包含23個題項的計算思維量表[12]，從創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決能力和合作能力五個方面對小學(xué)生的計算思維水平進(jìn)行測量。為了驗證此量表的適用性，實驗前選取部分學(xué)生對量表進(jìn)行了測試，后利用SPSS 25軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到Cronbach′s Alpha值為0.942、KMO值為0.624和Bartlett球形檢驗值為0.000，均符合正常值，說明該量表具有良好的信效度。

5.3 研究過程

研究從2022年9月初開始，到2022年12月末結(jié)束，歷時四個月。實驗組采用OBE-CDIO教學(xué)模式，課程包含15個教學(xué)作品，共授課15課時，每周1課時；對照組采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，課程內(nèi)容、授課課時及頻率和實驗組一致。分別于課程教學(xué)開始前和結(jié)束后測試兩組的計算思維水平，并分析其變化情況。

5.4 數(shù)據(jù)分析

在實驗開始及結(jié)束后，采用問卷的方式對兩組學(xué)生的計算思維水平分別進(jìn)行前后測，實驗組發(fā)放了70份后回收70份，對照組也發(fā)放了70份并回收70份，問卷的回收率及有效率均為100%。

使用計算思維量表對學(xué)生進(jìn)行前測，數(shù)據(jù)經(jīng)過SPSS 25分析后結(jié)果顯示（見表1） ，在創(chuàng)造力、批判性思維等五個維度上，數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)方差齊性（sig > 0.05） ，說明在實驗開始前，實驗組和對照組在計算思維的五個維度上均不存在顯著性差異，即為同質(zhì)樣本。

四個月后對學(xué)生進(jìn)行后測，使用SPSS 25對數(shù)據(jù)進(jìn)行獨立樣本t 檢驗（見表2） ，結(jié)果表明，實驗組和對照組在計算思維的五個維度上均產(chǎn)生統(tǒng)計學(xué)意義上的變化。其中，在問題解決能力、算法思維、批判性思維與合作能力上，實驗組與對照組相比出現(xiàn)較高水平的顯著性差異（sig < 0.005） ；在創(chuàng)造力維度上，實驗組與對照組相比出現(xiàn)了顯著性差異（sig < 0.05） 。因此，采用OBE-CDIO教學(xué)模式比傳統(tǒng)教學(xué)模式能更好地提升小學(xué)生的計算思維水平。

6 結(jié)論與建議

本文在反思傳統(tǒng)Scratch教學(xué)培養(yǎng)計算思維局限性的基礎(chǔ)上，分析了OBE-CDIO理念和計算思維培養(yǎng)的契合之處，設(shè)計了基于OBE-CDIO理念、以小學(xué)生計算思維培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)模式，并給出了教學(xué)案例。實證研究表明該模式能很好地提升小學(xué)生的計算思維水平，為在小學(xué)階段將OBE-CDIO理念引入計算思維培養(yǎng)的研究提供了可行方案。但模式的實施需要軟硬件教學(xué)環(huán)境的支持，對教師課堂把控的能力有一定的要求，建議教師根據(jù)實際教學(xué)條件進(jìn)行實踐和改進(jìn)。