學思并行 聚焦計算思維發展

摘 要 《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》明確了小學信息科技課程的四大核心素養，其中計算思維是解決問題的一種思維方式。在教學中要如何培養學生的“計算思維”核心素養，通過創設“學思并行”教學創新模式，以“激學導思”“疑學問思”“組學辨思”“拓學創思”四個教學環節發展學生的計算思維，落實學科核心素養的培養。

關鍵詞 計算思維 自主建構 互學辯思

作者簡介：張艷萍（1989—），女，福建廈門人，廈門市集美區高浦小學一級教師，大學本科，研究方向：信息技術教學。

基金項目：本文系福建教育科學“十四五”規劃2022年度課題“基于計算思維培養的小學機器人教育標本課程建設研究”（課題批準號：FJJKZX22-697）階段性研究成果。

教育部在4月份公布了2022年義務教育階段《信息科技課程標準（2022年版）》，這是自2001年《義務教育課程設置實驗方案》出臺之后，20年來關于中小學階段信息科技課程的最新政策性指導文件。最重要的是將信息科技獨立設置為新科目，明確了小學信息科技的的四大核心素養為：信息意識、數字化學習與創新、信息社會責任、計算思維，并且將以“數據、算法、網絡、信息處理、信息安全、人工智能”為課程主線，統籌安排各學段學習內容。本文探索改變教學模式，培養學生學思并行的思維習慣，促進學生“計算思維”的培養。

一、“學思并行”教學模式

《課標》指出：“信息技術是一門旨在全面提升學生信息素養的基礎課程，要鼓勵學生在不同的問題情境中，運用計算思維形成解決問題的方案。”[1]具備計算思維的學生在信息活動中能夠采用計算機可以處理的方式界定問題，抽象特征，建立結構模型，合理組織數據。良好的計算思維不僅有利于學生在信息化社會中的良好交流，也有利于學生批判性思維的發展，負責任地使用信息技術。

思維型教學理論的五大基本原理（動機激發、認知沖突、自主建構、自筆者監控、應用遷移）和六大基本要素（創設情境、提出問題、自主探究、合作交流、總結反思、應用遷移），為學生思維的發展提供了抓手。[2]因此在對思維型教學理論進行提煉和歸納后建構了“學思并行”的課堂教學創新模式，即“情境創設，激學導思”“問題提出，疑學問思”“自主建構，組學辨思”“應用遷移，拓學創思”。“學思并行”構成了學生在課堂上有效完成認知建構、形成素養的完整閉環，為發展學生計算思維提供了明確的支架。

二、“學思并行”教學模式運用實例

在近幾年的課堂教學中，筆者一直致力于發展學生計算思維的核心素養，計算思維中的抽象、分解、算法、驗證、優化、遷移等要素又是如何在教學中體現的呢？如何通過打造“學思并行”的課堂，讓“計算思維”核心素養落地生根？筆者通過循序漸進，講方法講策略，持之以恒地在課堂教學中實施和完善“學思并行”的教學模式，取得了良好的教學效果。《神奇的正多邊形》是2020閩教版信息技術教材六年級上冊第二單元《程序世界中的多彩花園》進行重組整合開發的課例，融合了數學的幾何圖形概念學習。經過一段時間的編程學習，四年級的學生已經了解常用的指令，能夠編寫簡單程序，但還未接觸畫筆模塊，也尚未建立起模塊化思想，四年級的學生對編程有著強烈的求知欲和好奇心。因此將正多邊形作為這節課的主要內容，不僅能承載本節課的各個知識點，而且能與數學、藝術等學科融合。于是筆者設計了以閩南花磚為主線的情境，以活動為載體，貫穿整個課堂，不斷挖掘學生思維的深度，取得了良好的教學效果。

（一）創設情境，激學導思

新課標倡導真實性學習，即以真實問題或項目驅動，引導學生經歷技術思維過程，建構知識，提升解決問題的能力。即基于生活實際，創設真實的情境，激發學生內在動機，鼓勵學生“做中學”“用中學“創中學”。真實問題情境來源于現實世界，通過創設閩南花磚這個情境，串聯初級、中級、高級設計師三個活動激發學生內在學習動力，引發學生主動思考。

在導入環節，筆者創設了設計閩南花磚圖案為主線的情境，將程序設計與花磚的幾何圖案相結合。首先，教師出示一組花磚圖片并提問：同學們，請欣賞一組圖片，你們知道這是什么嗎？（生：花磚）教師隨即引出：“在上世紀九十年代，廈門就有大量商鋪和住宅地板鋪設水泥花磚，因此它也成為很多閩南人的親切回憶。花磚并不是廈門特有的，甚至直到一百多年前，它才漂洋過海而來。如今，花磚也成為了一種裝修藝術走進了千家萬戶。”教師再請同學們觀察這組幾何花磚的圖案，請學生說說它們是由哪些形狀構成的？（生：三角形、正方形、五邊形、六邊形……）教師再追問：“它們排列有什么特點？”（生：是重復的幾何圖案）教師繼續追問：“它們的邊角有什么特點？”（生：各邊相等、各角也相等的多邊形叫做正多邊形）通過真實情境，引入正多邊形的特點，激發學生興趣。最后，PPT出示動圖揭題：“古人利用幾何圖案構成漂亮的花磚圖案，今天我們來當一回花磚設計師，在編程貓中利用正多邊形來設計創意花磚圖案。”通過真實問題情境讓學生真實感受到花磚濃郁的對稱之美，體驗了幾何圖形的程序設計之美，使學生在潛移默化中感受到技術和藝術之間相得益彰的關系，從而調動了設計花磚圖案的濃厚興趣。

（二）提出問題，疑學問思

學習始于思考，思考源于疑問。通過設計有質量的問題，引發認知沖突，刺激思維生長。計算思維中的“抽象”“分解”是解決問題的重要突破口。要解決一個復雜的問題，就需要進行分解，將其分解成一個個小問題，這就是計算思維中很重要的分解思維。而抽象則是將現實中的問題轉換為計算機可以識別并處理的問題。本課中如何將復雜的花磚圖案轉換成計算機可以處理的對象，即計算思維的“抽象”。引導學生形成“分解”“抽象”思維，可以設計核心問題情境讓學生引發認知沖突。通過設計有質量的問題，引導學生逐步掌握分解問題——模式識別——抽象特征——算法設計的編程思路，引發學生深度思維。具體教學過程如下。

例：畫正三角形，滲透算法設計思想

【觀察】請同學們觀察這組幾何花磚的圖案，你能說說它們是由哪些形狀構成的嗎？（生：三角形、正方形、五邊形、六邊形……）它們排列有什么特點？（生：是重復的幾何圖案）它們的邊角有什么特點？（生：各邊相等、各角也相等的多邊形叫做正多邊形）引入正多邊形的特點。

【提問分析】請看這張花磚設計圖，它缺少了什么圖形？（生：正三角形）那如何在編程貓中畫一個正三角形呢？假如讓你走一個正三角形的路線，你會怎么走？如何分解？關鍵點是什么？

【初級設計師任務】請同學們嘗試打開自己電腦中的編程貓，嘗試用畫筆積木塊補充正三角形。

【演示】教師展示學生畫正三角形的腳本，看看能否畫出。典型案例：畫出與畫不出的原因。總結畫三角形的關鍵點是判斷每次的旋轉角度，剛好是三角形的外角。

【觀察】請學生觀察圖形與命令中哪些部分有重復動作，是怎么重復的，重復了幾次？（生：移動150步旋轉120度重復了3次）

【對比】那么可以用什么命令簡化腳本呢？（生：重復命令）通常在編寫腳本之前，我們要確定繪圖的步驟，這就需要借助流程圖來理清思路。黑色箭頭表示程序執行的順序，紅色箭頭表示循環，重復執行命令。請學生試著完成流程圖的繪制。

通過初級設計師活動提出問題：“這些基本形狀有什么特點？”引導學生聯系數學經驗，歸納正多邊形的特征，學會模式識別。“怎么畫出正三角形”這個核心問題讓學生產生認知沖突，因此巧設正三角形分解步驟小程序，引導學生形成分解問題思維。“畫正三角形的關鍵點是什么？”這個問題讓學生聚焦“正三角形的旋轉角”這一核心概念上，學會抽象特征。再利用流程圖理清思路。

這樣通過層層深入追問，由簡單到復雜，逐步將問題明晰化，讓學生嘗試后發現問題再解決問題，通過“疑學問思”教學環節有效滲透計算思維培養方法，讓知識結構化，讓思考系統化，為雙重嵌套循環的學習奠定了基礎。

（三）自主建構，互學辯思

“互學辯思”即通過自主探究和合作學習，在獨立思考和思維互動的過程中引發思維碰撞，主動建構新知，解決問題，讓學習走向深度。在中級設計師活動中，設計了設計分層任務和導學案，為學生提供“學習支架”，引導學生獨立思考，歸納出旋轉角度公式，讓不同層次的學生學有所得。接著，引導小組進行合作，互幫互助，通過交流展示進行總結反思，得出了順時針和逆時針的正負關系。學生善于探究，樂于交流，敢于展示。在獨立思考和小組思維互動中學會解決問題。以“學生為主體“的活動設計，從學生舉手情況可看到學習效果大大改善。

例：畫正多邊形，推理旋轉角度公式

【類比遷移】那么畫正方形要重復幾次呢？每次轉動角度多少？五邊形？六邊形呢？

【中級設計師】基礎任務：學生分小組畫正方形、正五邊形、正六邊形。并填寫分析單。提高任務：有能力的小組可以繼續嘗試其他正多邊形。

【分析】請小組派學生代表上臺演示，用圖表分析五邊形、六邊形的畫法。觀察分析得知正多邊形的重復執行的次數是指正多邊形的邊數。旋轉的角度等于360 ÷ 邊數。（引導學生說出來）

【算法設計】請學生分小組根據分析的結果，交流討論完善流程圖，并指導小組學生上臺交流流程圖的畫法。引導學生分析流程圖的關鍵步驟，理解循環指令的用法。

通過初級設計師的嘗試，學生已經學會了畫正三角形，因此通過合作學習，學生組內溝通交流，容易產生思維的碰撞，進而推理出正多邊形的畫法，達到舉一反三的效果，學習的效率大大提升，且在此過程中，薄弱生可以得到很好的關注和幫助。通過“互學辯思”教學環節，讓小組內的每個學生都能經歷建構知識的過程，而這種自主建構過程，讓學生經歷了分解問題——模式識別——抽象特征——算法設計過程，從而培養了學生的計算思維。

（四）遷移應用，拓學創思

學習是一種內在的建構，而創造則是一種外在的踐行，學習知識更要應用知識，應用知識更要創新知識。要注重引導學生知識遷移，讓信息技術真正回歸生活。即要引導學生應用所學到的思維方法解決問題，培養創新意識。在高級設計中的雙重嵌套幾何圖案的學習時，引導學生聯系剛才學過的編程思路解決新問題。首先通過連續追問策略啟發學生遷移應用，從一重循環到雙重循再到嵌套循環的應用，學生畫出了豐富多彩的有創意的花磚圖案，思考從表層走向深處。通過拓展分型圖案、對稱花卉圖案等復雜圖形，拓寬了學習視野，啟發了創意思維，夯實了應用遷移，最后“匠人精神”的熏陶更是將課內學習拓展到課外，滲透勞動意識，學以致用。

例：畫創意圖形，鞏固問題解決思路

【過渡】（出示相關圖片）由于花磚繁復的手工操作，加上快速、便捷的工業化瓷磚大理石材的出現，花磚迅速走向沒落。慶幸的是經過半世紀的沉淪，這首在腳下傳唱的詩歌，忽然被一個又一個堅持手工制作的設計師接著了，一口氣又續了上來。今天我們作為古老花磚的傳承者，來設計更復雜的花磚圖形，你們敢挑戰嗎？

【提問】觀察這些花磚，圖案有什么特點？（重復對稱）

1.花型花磚的基礎形狀是什么？（生：正多邊形） 重復畫了幾次？（生：5次）

2.畫花型花磚的關鍵點是什么？（生：旋轉角度）出示PPT動畫，你們能否畫出如下圖所示的多個多邊形組合而成的圖形嗎？思考每個基礎形狀旋轉多少度？

【高級設計師】請同學們分小組討論嘗試畫花型花磚，并小組完成分析單。

【流程圖分析】先畫一個正方角形，再轉動一定角度，最后重復循環5次。

【分析找規律】那么旋轉角度是多少呢？表格出示分析。

【高級設計師】基礎任務：用嵌套循環畫花型花磚圖案。

提高任務：切換到屏幕3，畫更多有創意的復雜圖形。

【課后拓展】今天我們學會用正多邊形設計花磚圖案，那么一個正多邊形如果隨著邊數的增加會發生什么情況？你還能設計出哪些創意花磚圖案？

【總結延伸】今天我們用正多邊形設計了花磚圖案，在簡單重復的排列中透露著中國文化濃郁的對稱之美。但花磚圖案千變萬化，這些圖案精美、細心制作的花磚工藝復雜，這是古代匠人的追求，也是現代匠人的宗旨。同學們，請不要丟失我們祖先的匠人精神：敬業、精益、專注、創新，具備這些品質，你們必將成功。也許未來你會成為一名優秀的設計師，傳承中國的古老技藝。

通過遷移應用，讓正多邊形拓展出更多創意畫法，結合對比、歸納并融合數學建模思想等方法引導學生總結畫花型圖案旋轉角的規律，通過動畫演示，巧妙設問，小組探究學習，啟發計算思維，進而發現解決問題的方法，鞏固剛剛所學流程圖算法設計，并在此基礎上設計更復雜圖形，綜合運用算法解決具體的數學問題，培養學生計算思維。總結提升，啟發學生思考，拓展課后應用。通過花磚設計貫穿本課，正是花磚藝術和傳統工藝的浸潤，“匠人精神”的種子在學生心中生根發芽，助力學生運用計算思維方法進行課后的拓展創新。

綜上所述，筆者從“激學導思、疑學問思、互學辨思、拓學創思”促使學生學思并行，知行合一。以學生為主體，以解決問題為核心，從知識識記到技能應用，從知識學習到素養培養，從淺層學習到深度學習，不斷發展學生的計算思維。

[參 考 文 獻]

[1]任友群，黃榮懷，熊璋.從信息技術到信息科技：關于《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的對話[J].課程.教材.教法，2022，42（12）：21-31.

[2]首新，胡衛平.基于思維型教學理論的科學高階思維教學過程設計[J].中國科技教育，2021（09）：18-22.

（責任編輯：楊紅波）