基于學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)視角的初中信息科技課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

計(jì)算思維在信息科學(xué)類(lèi)問(wèn)題中表現(xiàn)為抽象思維、分解思維、建模思維、算法設(shè)計(jì)思維等復(fù)雜的思維活動(dòng)。學(xué)生要能綜合運(yùn)用計(jì)算思維，設(shè)計(jì)模擬、仿真、驗(yàn)證等任務(wù)或?qū)嶒?yàn)，分析問(wèn)題并解決問(wèn)題。在實(shí)際教學(xué)中，教師需重視計(jì)算思維在整體課堂教學(xué)中的滲透，圍繞計(jì)算思維教學(xué)目標(biāo)，對(duì)課堂展開(kāi)獨(dú)創(chuàng)性設(shè)計(jì)。

一、設(shè)計(jì)準(zhǔn)備：以計(jì)算思維為核心，預(yù)設(shè)教學(xué)目標(biāo)

在課前準(zhǔn)備階段，教師首先應(yīng)依托課時(shí)主題創(chuàng)設(shè)貫穿課堂教學(xué)的目標(biāo)。以培養(yǎng)計(jì)算思維為側(cè)重點(diǎn)的信息科技課堂，則需要教師在課前結(jié)合“機(jī)器人走迷宮”知識(shí)內(nèi)容，綜合分析計(jì)算思維在知識(shí)教學(xué)過(guò)程中的不同表現(xiàn)形式和關(guān)聯(lián)部分，從而構(gòu)建課堂教學(xué)目標(biāo)。據(jù)此，教師可以創(chuàng)設(shè)以本課時(shí)計(jì)算思維為主的課堂教學(xué)目標(biāo)組集，如圖1所示。

（一）培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維

在“機(jī)器人走迷宮”教學(xué)中，抽象思維表現(xiàn)為：學(xué)生需將機(jī)器人行走的路徑、障礙物等具體問(wèn)題信息抽象為信息符號(hào)、規(guī)則等抽象的學(xué)習(xí)元素，從而構(gòu)建抽象的迷宮模型，以此解決實(shí)際問(wèn)題的思維活動(dòng)。

（二）培養(yǎng)學(xué)生的分解思維

在“機(jī)器人走迷宮”教學(xué)中，分解思維表現(xiàn)為：將整個(gè)“機(jī)器人走迷宮”探究任務(wù)分解為一個(gè)個(gè)小任務(wù)的思維活動(dòng)。通過(guò)逐一解決小問(wèn)題，學(xué)生最終完成機(jī)器人走迷宮的整體任務(wù)，達(dá)成本課的教學(xué)目的。

（三）培養(yǎng)學(xué)生的建模思維

在“機(jī)器人走迷宮”教學(xué)中，建模思維表現(xiàn)為：學(xué)生根據(jù)迷宮的特點(diǎn)和機(jī)器人的行走規(guī)則，通過(guò)繪圖、實(shí)物創(chuàng)造等方式搭建立體、易于理解、便于操作的機(jī)器人模型和迷宮模型，從而使機(jī)器人按照預(yù)設(shè)的規(guī)則在迷宮中行走，觀察機(jī)器人行走路線(xiàn)，展開(kāi)對(duì)“機(jī)器人走迷宮”課題的探究。

（四）培養(yǎng)學(xué)生的算法設(shè)計(jì)思維

在“機(jī)器人走迷宮”教學(xué)中，算法設(shè)計(jì)思維的應(yīng)用表現(xiàn)為：讓學(xué)生結(jié)合已有的迷宮和機(jī)器人條件，設(shè)計(jì)出一種讓機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地找到出口的行走算法（如貪心算法、深度優(yōu)先搜索算法等）。

二、計(jì)劃實(shí)施：以教材內(nèi)容為引領(lǐng)，組織項(xiàng)目活動(dòng)

（一）導(dǎo)學(xué)激趣：以趣味情境喚醒項(xiàng)目探究興趣

在“機(jī)器人走迷宮”導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié)，教師可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)生活化教學(xué)情境，借助情境向?qū)W生展示機(jī)器人在生活中的多元應(yīng)用，借此喚醒學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知，以話(huà)題討論和關(guān)鍵性問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的主題探究興趣。具體教學(xué)過(guò)程如下所示。

1.視頻展示，喚醒興趣

教師給學(xué)生展示微課視頻內(nèi)容《2023年世界機(jī)器人大會(huì)》片段，展示了多種機(jī)器人在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)中應(yīng)用的多種功能和場(chǎng)景，包括四足機(jī)器狗、仿生雨燕機(jī)器人、機(jī)器魚(yú)水族箱等，讓學(xué)生了解未來(lái)機(jī)器人將會(huì)被應(yīng)用于社會(huì)生活的更多領(lǐng)域。

2.話(huà)題討論，引入主題

請(qǐng)學(xué)生合作討論如下話(huà)題：

（1）機(jī)器人能運(yùn)動(dòng)起來(lái)、完成指定的指令，是什么原理？

（2）視頻中的機(jī)器人為什么在碰到障礙物之前會(huì)自動(dòng)閃避？

結(jié)合話(huà)題討論，教師導(dǎo)入本課重點(diǎn)項(xiàng)目：接下來(lái)，我們就來(lái)解開(kāi)關(guān)于機(jī)器人走迷宮的奧秘！

（二）明確項(xiàng)目：以項(xiàng)目指導(dǎo)培養(yǎng)抽象思維

信息科技活動(dòng)重在實(shí)踐、探究和體驗(yàn)。因此，課堂活動(dòng)以合作學(xué)習(xí)為宜，能在落實(shí)教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的合作探究能力和科學(xué)精神。因此，教師可以選擇結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、組織性強(qiáng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)法作為本課教學(xué)的主要學(xué)習(xí)方法，將學(xué)生分為若干小組，給學(xué)生直觀介紹本課時(shí)項(xiàng)目學(xué)習(xí)的基本要求。學(xué)生能在這一環(huán)節(jié)發(fā)散思維，從給出的項(xiàng)目課題中抽象出科學(xué)探究的一般規(guī)律和課堂知識(shí)概念，進(jìn)而目標(biāo)明確地展開(kāi)后續(xù)探究。

例如，在“機(jī)器人走迷宮”課堂上，教師向?qū)W生介紹本課流程，如下所示：

1.項(xiàng)目主題：機(jī)器人走迷宮

2.項(xiàng)目要求：

（1）分析機(jī)器人走迷宮的基本原理。

（2）構(gòu)建簡(jiǎn)單的迷宮模型。

（3）能運(yùn)用正確算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走迷宮。

3.項(xiàng)目必須包含的過(guò)程：

（1）構(gòu)建迷宮模型：收集和整理資料，了解迷宮的構(gòu)造和特點(diǎn)，抽象出迷宮的信息符號(hào)和規(guī)則，并利用紙張、橡皮泥等材料搭建簡(jiǎn)單的迷宮模型。

（2）搭建機(jī)器人：了解超聲波傳感器的應(yīng)用原理，學(xué)生根據(jù)迷宮模型的特點(diǎn)和行走規(guī)則，設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)和傳感器等裝置，并利用mBlock軟件編程控制超聲波傳感器。

（3）機(jī)器人走迷宮實(shí)驗(yàn)

學(xué)生將機(jī)器人放入搭建好的迷宮模型中，觀察機(jī)器人的行走過(guò)程，記錄行走軌跡和遇到的問(wèn)題，并對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

（4）匯報(bào)與評(píng)價(jià)

學(xué)生小組展示項(xiàng)目成果，通過(guò)互評(píng)、自評(píng)等多種評(píng)價(jià)方式對(duì)項(xiàng)目完成情況進(jìn)行評(píng)估。教師根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和成果進(jìn)行評(píng)價(jià)和指導(dǎo)。

（三）合作探究：以交流討論培養(yǎng)分解思維

學(xué)生小組通過(guò)討論，集中解決“探究活動(dòng)材料—提出大膽猜想—設(shè)計(jì)活動(dòng)方案—明確小組分工”四個(gè)主要問(wèn)題，通過(guò)討論形成書(shū)面化項(xiàng)目學(xué)習(xí)計(jì)劃并結(jié)合計(jì)劃展開(kāi)小組分工，進(jìn)入實(shí)踐環(huán)節(jié)。在合作探究中，學(xué)生能充分發(fā)展分解思維，將復(fù)雜性項(xiàng)目目標(biāo)拆解為多個(gè)易于完成的學(xué)習(xí)目標(biāo)和探究流程，從而提升項(xiàng)目學(xué)習(xí)的效率和成功率。

結(jié)合本課時(shí)內(nèi)容和學(xué)情分析，初中生具備較好的邏輯思維和合作學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，能在材料的指引下自主完成上述合作探究步驟。教師預(yù)設(shè)學(xué)生小組“機(jī)器人走迷宮”項(xiàng)目活動(dòng)方案，如表1所示。

（四）實(shí)踐創(chuàng)造：以實(shí)踐創(chuàng)造培養(yǎng)建模思維

學(xué)生明確項(xiàng)目學(xué)習(xí)步驟與小組分工后，可以進(jìn)行組內(nèi)分工，展開(kāi)獨(dú)立探究或雙人合作探究，以實(shí)踐創(chuàng)造的方式完成項(xiàng)目步驟三中“設(shè)計(jì)迷宮模型”“設(shè)計(jì)機(jī)器人”“編寫(xiě)控制程序”三個(gè)實(shí)踐操作任務(wù)，為學(xué)生合作實(shí)驗(yàn)、獲得學(xué)習(xí)結(jié)論做好準(zhǔn)備。在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造環(huán)節(jié)，教師需注重教學(xué)指導(dǎo)，觀察學(xué)生實(shí)踐操作進(jìn)程，予以技術(shù)性指導(dǎo)和思路的點(diǎn)撥，促其完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，獲得深刻的建模體驗(yàn)。在三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師的指導(dǎo)落點(diǎn)分別如下所示。

1.設(shè)計(jì)迷宮模型環(huán)節(jié)

（1）指導(dǎo)學(xué)生分析迷宮模型的特點(diǎn)和行走規(guī)則。

（2）為學(xué)生提供迷宮信息符號(hào)和規(guī)則的抽象化處理建議。

（3）建議學(xué)生利用紙板和橡皮泥等材料制作簡(jiǎn)單的迷宮模型，將迷宮的路徑抽象為信息符號(hào)，便于后期實(shí)驗(yàn)記錄。

2.設(shè)計(jì)機(jī)器人環(huán)節(jié)

（1）指導(dǎo)學(xué)生了解超聲波傳感器的應(yīng)用原理。

（2）指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)和傳感器等裝置。

（3）提醒學(xué)生注意機(jī)器人硬件的選擇和組裝應(yīng)符合迷宮模型的特點(diǎn)和控制程序的要求。

3.編寫(xiě)控制程序環(huán)節(jié)

（1）指導(dǎo)學(xué)生利用mBlock軟件編程控制超聲波傳感器。

（2）為缺乏思路的學(xué)生提供算法設(shè)計(jì)的思路和指導(dǎo)。

（3）提醒學(xué)生注意程序的正確性和可讀性，以便后續(xù)的調(diào)試和優(yōu)化。

（五）實(shí)驗(yàn)分析：以科學(xué)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的算法設(shè)計(jì)思維

在實(shí)驗(yàn)分析環(huán)節(jié)中，學(xué)生將會(huì)借助mBlock軟件編程控制超聲波傳感器，嘗試讓機(jī)器人正確而安全地走出迷宮，正確完成指令，并分析這0TYM7+YL+Eq3dA/yoN/+c/QN1hdHUlPRekm0qlyTMz8=一功能可以用在生活中的哪些場(chǎng)合中。該教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生將經(jīng)歷預(yù)設(shè)結(jié)果—記錄結(jié)果—分析結(jié)果—調(diào)整參數(shù)—重復(fù)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，直至獲得正確的指令參數(shù)。學(xué)生能在這一過(guò)程中深度培養(yǎng)算法設(shè)計(jì)思維，形成良好的計(jì)算思維核心素養(yǎng)。

（六）匯報(bào)評(píng)價(jià)：以成果展示培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維

在匯報(bào)與評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，學(xué)生小組將展示項(xiàng)目成果，教師則根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和成果進(jìn)行評(píng)價(jià)和指導(dǎo)，并邀請(qǐng)學(xué)生對(duì)本課時(shí)的學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行自評(píng)與互評(píng)。這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要將項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中的探究過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、控制程序、分析結(jié)論等過(guò)程和成果進(jìn)行整理和展示，以培養(yǎng)系統(tǒng)思維。具體步驟如下：

（1）學(xué)生小組回顧和總結(jié)整個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程，整理出探究過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、控制程序、分析結(jié)論等材料。

（2）學(xué)生代表輪流上臺(tái)，將整理好的材料以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行展示。

（3）教師上臺(tái)評(píng)價(jià)，選出優(yōu)勝小組并對(duì)各個(gè)小組的表現(xiàn)加以點(diǎn)評(píng)。

（4）學(xué)生互評(píng)和自評(píng)，對(duì)項(xiàng)目完成情況進(jìn)行評(píng)估。

綜上所述，通過(guò)本課時(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生能了解機(jī)器人走迷宮的基本原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并能結(jié)合探究材料和實(shí)踐創(chuàng)造培養(yǎng)建模思維和算法設(shè)計(jì)思維，形成良好的計(jì)算思維核心素養(yǎng)。

（作者單位：甘肅省隴南市西和縣北川初級(jí)中學(xué)）

編輯：趙文靜