計算思維驅動下的模塊化問題解決活動探究

【摘 要】《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》提出，要更加注重學生問題解決能力的培養與提升，倡導通過結構化的教與學，幫助學生重塑科學認知結構，提升思維品質。計算思維作為信息科技學科核心素養中的關鍵性素養，對學生認知方式的重構具有重要價值導向作用。基于問題解決模式下的計算思維實踐，主要是通過結構化、模塊化、系統化的問題解決過程，幫助學生重構認知結構，實現問題解決方案的最優化，充分體現了在解決問題過程中對問題解決過程的控制與管理，實現了精準化、高效地解決問題。

【關鍵詞】計算思維；模塊化；問題解決；核心素養

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）011-053-03

深刻理解新課標中計算思維的內涵

計算思維作為信息科技學科核心素養，已經成為學生解決問題能力提升與發展的關鍵性素養。其中，在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中關于“過程與控制”模塊教學，明確提出了“輸入—計算—輸出”的計算模式，成為計算思維在小學階段的具體實踐。具體來說就是通過將生活中具象的問題進行科學有效的抽象，并用計算機科學的視角界定問題，形成計算機可以解決的問題，即完成“輸入”的過程，計算機通過“計算”的方式，求出問題最優的解決方案。這樣的“計算”過程可以是“編程”的過程，即用編程的方式進行模擬驗證，從而形成問題解決的具體模型。最后，采用數字化、形式化的表征方式，實現對問題的有效“輸出”。

計算思維活動建構與支撐理論

基于“輸入—計算—輸出”的計算模式，作為問題解決模式下計算思維實踐的過程性框架，能夠幫助學生重塑認知結構。首先，通過向計算機發送指令，完成“輸入”的過程。然后通過“計算”，形成問題解決的具體方案，并且對方案進行科學有效的驗證，即通過編程的方式進行驗證。最后，實現任務的有效解決，即將最佳的問題解決方案通過不斷循環迭代，形成具有可操作性的問題解決模型后再“輸出”。

1.活動主題的設計與方法的滲透

以小學生真實的生活背景來激發學習興趣，筆者構建了“智能快遞小車”項目案例。通過模塊化的設計方式將該案例分解為三個主要部分，即小車使用灰度傳感器實現循線自動駕駛、路口自動停車并自動規劃路線、尋找出到達目的地最佳線路。為了高效率達成取貨和送貨的目的，學生在設計與制作小車的過程中必須考慮到小車的穩定性和提升小車速度等間接因素。筆者基于系統化的設計理念，將項目問題進行有效分解，形成多個相對比較容易解決的子問題。在此基礎上，通過模塊化的“組裝”，將多個微型系統通過順序、選擇、循環等邏輯實現有效組合，形成具有一定智能化的快遞小車。整個項目活動的設計，滿足了基于問題解決模式、計算思維驅動下，對問題解決的過程與控制的素養要求。

2.學習案例的知識元與過程迭代

真實有效的項目案例，需要深度挖掘生活中的具體應用場景后，進行模塊化設計。“智能快遞小車”項目案例的設計，是以小學生對旅游景點參觀線路規劃的初步感知和乘坐電梯的真實體驗為基礎，通過對具體問題的有效抽象，進行結構化的設計與建構。抓住小學生生活中的元素，激發學生的學習興趣，針對問題本質的探究，使學生能夠有真實的體驗，從而避免了空洞的問題探究。生活中線路的規劃、電梯運行等都是基于“輸入—計算—輸出”的基本過程，通過“人機交互”的方式，實現系統化的模型應用，在輸入與輸出的過程中，構建了模塊化的問題解決流程與結構，重點體現了人在解決問題時對過程的控制。

素養導向下“教—學—評”一致性活動設計

筆者通過基于問題解決模式下的計算思維實踐過程，進行了結構化的項目活動設計。從生活中關于“輸入—執行—輸出”這種運作方式出發，將生活中具象的過程與控制進行抽象，形成了“輸入—計算—輸出”的問題解決模式。為了實現“教—學—評”一致性，筆者以項目式學習的方式讓學生主動且真實有效地參與到學習活動中。同時，將終結性評價轉變為形成性、過程性評價。筆者認為“教—學—評”一致性的課堂教學模式，本質上是一種結構化的課堂模式，能夠有效提升課堂教學的效率，真正實現以學定教、以教促學、以評定教的高效課堂。

1.學生初步感知智能交互過程

筆者給學生講述導航的過程。在過去沒有導航系統的時候，人們到陌生的地方都是需要帶著地圖的，不然很難找到目的地，還容易迷路。人們通常在地圖上找到出發地和目的地的位置，并找出幾條到達的線路，最后比較幾條線路，找出最佳的線路。隨著人工智能的應用，人們已經不再需要煩瑣的人工操作，只需要輸入指令，人工智能通過計算與科學規劃，給出最佳的線路方案。例如，當人們想要參觀“中山風景區”，通過景點出入口的人工智能機器人，選擇想要參觀的景點，智能機器人就會規劃出最佳的游覽線路。

核心素養下的設計意圖：從景點選擇到線路規劃，以及提供最佳線路的過程，如圖1所示，該過程本質上是由人與人工智能機器的交互過程，即通過輸入指令，人工智能機器根據所輸入的指令進行計算，輸出最優的計算結果。學生通過這樣的過程初步感知智能交互的基本邏輯，即“輸入—計算—輸出”的執行模式。

2.學生深度體驗過程與控制

筆者請學生講述乘電梯的過程：生活中乘坐直升式電梯，輸入相應樓層號碼呼叫電梯，等待電梯停靠到我們所在的樓層，在這個過程中電梯會根據電梯所處的樓層位置，計算電梯需要達到的樓層和所要執行的過程，最后電梯到達我們當前所在的樓層后自動打開電梯門；當我們進入電梯后，需要輸入想要到達的樓層號碼，電梯會進行計算，如果是上行，則會計算我們所在樓層以上是否有人呼叫上行指令，如果有，電梯則會停靠到相應樓層。

核心素養下的設計意圖：乘坐電梯真實的體驗，幫助學生深度感受其中的過程與控制。無論是呼叫電梯的過程，還是電梯升降停靠的過程，該過程可以看作是一個微型的系統處理過程，即由“輸入—計算—輸出”三個部分組成。

3.學生模塊化解決真實問題

學生體驗電梯運行的過程，初步建立了電梯運行的概念模型，即“輸入（呼叫）—計算（執行）—輸出（停靠）”。從模塊化視角進行結構化處理，能夠形成可計算的數學模型。其中，電梯運行過程結構模塊主要有控制電梯上下運行、控制電梯停靠的樓層、電梯樓層的呼叫與判斷。基于該結構模型，筆者設計了“智能快遞小車”項目，通過模塊化分解問題，將智能快遞小車項目分解為三個主要模塊，即小車循線行駛、小車路口停車和小車線路規劃。

（1）智能快遞小車之循線行駛

智能快遞小車通過獲取線路的灰度值，根據灰度值判斷行駛線路，驅動馬達實現小車循線行駛。灰度傳感器是一種光電傳感器，通過發射光線并接收反射回來的光線來判斷地面的顏色，當傳感器檢測到黑色線條時，它會返回一個較低的灰度值，因為黑色表面吸收了更多的光線，而當傳感器檢測到非線條區域（通常是白色或淺色的地面）時，它會返回一個較高的灰度值。小車根據獲取到的灰度值判斷行駛線路，驅動馬達實現小車循線行駛。如圖2所示，學生通過對小車的循線行駛進行問題抽象，形成了由灰度值控制馬達轉動的概念模型，通過判斷小車的左右灰度值的大小，建立控制小車正常循線行駛的結構模型，實現小車循線行駛的微型系統。

核心素養下的設計意圖：通過讓學生實現小車的直線行駛、小車偏右、小車偏左狀態的糾偏，實現小車循線行駛，讓學生理解并掌握小車行駛的基本原理，通過過程與控制的方式，實現微型功能系統的建構，即實現小車的循線行駛。

（2）智能快遞小車之路口停車

車輛在行駛過程中需要進行相應的判斷，這個過程主要是通過“計算”實現的，即在路口停車，通過計算判斷當前路口灰度值的狀態，輸出相應的指令，小車是直行、右轉還是左轉等操作，該過程是條件判斷語句結構。如圖3所示，學生在活動的過程中通過獲取灰度值、比較灰度值、調整馬達轉速等操作，可以看作是實現智能快遞小車在路口停車的微型系統。

核心素養下的設計意圖：讓學生從生活中的直接經驗獲得對小車狀態檢測過程的理解，幫助學生遷移到智能快遞小車在路口停車的計算判斷過程。小車通過獲取到的左右灰度值，比較左右灰度值大小，根據計算結果調整小車的左右馬達轉速，從而實現小車在路口停車，進行直行、右轉、左轉等操作。

（3）智能快遞小車之線路規劃

智能快遞小車要實現取貨和送貨的目的，就必須根據相應的規則進行貨物的轉運，需要具有線路規劃的功能。智能快遞小車將相應的貨物運轉到目的地，根據圖2的線路示意圖進行具體線路規劃，實現貨物的高效轉運。該貨物轉運過程可以看作是一個微型系統。

核心素養下的設計意圖：通過引導學生根據線路示意圖進行具體線路的規劃設計，讓學生體驗“計算”的過程。同時，通過結構化的分析、模塊化的處理，實現微型系統的有效組合，建構完整的智能快遞小車。

4.項目任務分析與評價

針對“智能快遞小車”項目設計，宏觀上采用了基于“輸入—計算—輸出”計算模式，而在處理具體問題時則通過基于問題解決模式下計算思維實踐過程，即抽象層、建模層、表征層等。通過模塊化的任務分解，形成小車循線行駛、小車路口停車、小車線路規劃等任務模塊。此外，每個具體任務就是一個微型系統，通過模塊化的“組裝”，完成一個綜合項目。

采用模塊化的問題解決方式，實現對問題的過程與控制，提升項目開發的速度和質量。而針對項目案例活動的評價，則以形成性評價、過程性評價相結合的方式，激勵學生從被動式的學習轉變為積極主動的探究學習。例如，智能快遞小車在行駛的過程中，學生如果能夠對位置的偏轉進行深入探究，會發現小車的偏轉會有完全偏轉和部分偏轉兩種狀態，進而學生可能會總結出影響小車行駛穩定性的因素等。針對項目的迭代與優化方面進行評價，可以在現有項目的基礎上，形成一般性的問題解決方法，即“輸入—計算—輸出”的計算模式。同時，還可以從學生對問題的抽象、建模、表征等過程， 對學生計算思維發展進行評價。

結束語

以問題解決為基礎的計算思維實踐過程，能夠重塑學生認知方式，提升學生解決問題的能力。采用模塊化的問題解決方式，可以提升問題解決的效率，讓學生更好地理解并掌握系統模型的建構過程與方法。在模塊化的問題解決過程中，能夠有效促進學生認知模型的建構，在不斷迭代的過程中抓牢解決問題的過程與控制。