面向計算思維培養的信息科技課程不插電教學策略研究

摘 "要 "在推進教育數字化的時代背景下，信息科技課程教學承擔著培養學生計算思維與數字素養的育人使命。鄉村學校分布范圍廣且數量多，不少鄉村學校無法提供信息科技課程教學環境，需要通過“不插電”的教學策略有效達成面向計算思維培養的課程核心素養目標。基于此，通過梳理信息科技課程“不插電”教學策略的有關概念，并結合計算思維的分治思想、抽象建模、模式識別、算法設計等維度，構建“不插電”的信息科技課堂教學策略，最后分析“不插電”信息科技課程教學案例，以期為教育數字化轉型下的信息科技課程教學高質量發展提供指引。

關鍵詞 "計算思維；“不插電”教學；信息科技課程；具身活動

中圖分類號：G642.4 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）24-00-06

0 "引言

隨著我國推進教育數字化，人工智能（AI）等新型信息技術深度融入經濟社會發展，計算思維成了體現公民數字素養的關鍵性指標[1]。教育部頒布的《義務教育信息科技課程標準（2022年

版）》明確將計算思維作為信息科技課程的核心素養之一[2]。鄉村學校課堂是落實新課標理念的重要教學陣地，鄉村學生的計算思維培養關乎我國高質量教育體系建設[3]。但由于我國鄉村學校數字化教育環境建設投入不足、數字化師資隊伍建設薄弱、數字化育人理念相對落后，信息科技課程教學活動難以有效實施，因此難以應用常規計算機房與網絡環境下信息科技課程教學模式去培養鄉村學生的計算思維。

著名的計算機科學家迪杰斯特拉曾說過：“計算機科學不只是關于計算機，正如天文學不只是關于望遠鏡。”1997年，新西蘭的TIM等[4]提出“不插電的計算機科學”，這種教學策略旨在降低信息科技課程教學活動對計算機與網絡等硬件環境的依賴，通過精心設計的教學活動激發學生深入理解和體驗計算機科學的原理。在學術界，“不插電”教學策略被視為培養學生計算思維的有效方法，特別是在鄉村教學環境中。如何有效地運用“不插

電”教學策略來培養學生的計算思維，已成為鄉村教學場景下基礎教育信息科技課程教學的關鍵議題之一。

1 "“不插電”的數字化教學設計方法

1.1 "計算思維的內涵

2006年，美國計算機科學家周以真教授提出：計算思維是利用計算機科學的基本概念來解決問題、設計系統和理解人類行為，其涵蓋了計算機科學領域的一系列思維工具[5]。至今，國內外關于計算思維內涵的闡述尚未形成統一的表述。眾多學者傾向于從多元維度分解視角構建計算思維發展與評估框架，該框架主要包括計算概念、計算實踐和計算觀念三個維度[6]。此外，周以真教授提出的算法、分解、抽象、概括和調試這五大要素，也被廣泛視為計算思維的核心組成部分，為深入理解和發展計算思維提供了強大的理論支持。

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》對計算思維作出闡述：計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動[7]。這一解釋凸顯了計算思維在義務教育信息科技教育中的重要地位。

1.2 "“不插電”的教學設計概念

“不插電”的計算機科學教育理念由新西蘭TIM等學者提出，其編寫的《不插電的計算機科學》（Computer Science Unplugged）是該教育理念的經典著作。在我國基礎教育信息科技教師的積極傳播與實踐下，我國學者對“不插電”的計算機科學（信息科技）教育教學活動產生了濃厚的興趣，并進行了深入探究。“不插電”的教學活動并非完全脫離數字化教學環境，而是指不考慮程序設計語言語法、計算機軟硬件和網絡環境等具體技術情形，使用數字圖像、視頻、動畫、小程序、虛擬仿真應用系統等在生活中易感知、易獲取的數字化或實體化教具媒體，圍繞計算機科學原理實施情境化、具身性、活動式教學，讓學生在具身化的游戲活動過程中思考、探索，領悟計算機科學原理，形成并發展應用相關原理解決生活問題的計算思維[8]。

從教學系統設計視角考察“不插電”教學活動，以培養與發展計算思維為教學目標，在鄉村有限設施物理空間與無限資源數字空間混合的教學環境下，其教學過程主要有以下四個步驟。

1）具身生活場景問題導入。在這個環節教師要把計算機科學原理與學生的日常生活場景應用建構關聯，并為學生提供若干生活場景具身性問題支架，以此作為學習的起點，引發其具身認知活動，激發他們的好奇心和探究欲望。

2）在物理或數字教學空間中設計感知計算機科學原理的游戲活動策略。在這個環節，教師首先向學生明確特定教學場域中的游戲規則和任務工具等，在喚起學習注意、引起認知沖突、啟發深層次探究等關鍵教學環節，教師可使用數字化教具（如具象化圖片、視頻、動畫等教學媒體）作為學習支架幫助學生聚焦關鍵、加深理解、梳理思路。在游戲化教學情境中，學生將觸及不同難度等級的問題式任務，教師利用遞進式追問的方式引導學生深入體悟計算機科學原理，游戲結束后教師再對相關問題線索進行引導、啟發、點撥與歸納。

3）對計算機科學原理的深層次意義建構。隨著課程知識遞進，教師對真實復雜場景進行系統化的項目式活動教學，引導學生系統應用計算機科學原理解決真實社會生活場景中的體系化、工程化、學術化問題。

4）對計算機科學原理的跨情境遷移應用。這是指在“不插電”教學活動中，教師通過情境模擬、任務協作、實踐探究等線下活動支架引導學生將課堂所學的計算機科學原理在交通、飲食、運動、休閑等不同主題情境中實現遷移延伸，以體驗式、探究式、協作式等項目教學活動促進學生在真實復雜環境中應用計算思維進行綜合分析、評價與創新創造，形成高階信息科技課程核心素養[9]。

1.3 "“不插電”的教學設計實踐原則

信息科技課程以培養學生的計算思維為重要目標。“不插電”信息科技教學活動被認為是在技術成熟度不高的教學環境下培養學生應用計算思維解決問題的有效教學方式[10]。結合《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中培養學生計算思維的具體要求，應用教學系統設計的指導原則，“不插電”的信息科技教學設計應遵循教學媒體倡導突破傳統的物理教學環境限制、教學活動倡導在學生生活場景中建構活動支架、教學內容倡導忽略具體工程環節轉而聚焦思維訓練等原則。

1.3.1 "教學媒體倡導突破傳統的物理（計算機房）教學環境限制

“不插電”信息科技教學活動場域融合線上數字空間與線下物理空間，教師所采用的教具媒體倡導簡潔實用、易于獲取的原則。在線下教學活動中，教師巧妙運用卡片、紙張、棋牌等實體教具與數字化媒體素材、小程序等多樣化媒體工具設計體驗、探究、協作等活動環節，通過設置游戲任務和遞進式追問等方式激發學生的思考，鼓勵學生積極參與線下教學活動探究計算機科學原理，從而有效培養學生的計算思維。這一特點有望破解鄉村學校因教學條件不足而無法開設信息科技課程的困境，為鄉村學校在常規多媒體教室甚至傳統教室里開展面向計算思維培養的信息科技教學提供了新的教學設計方法。

1.3.2 "教學活動倡導在學生生活場景中建構活動支架，以符合學生認知特點并有效喚起學生對原理層知識的探索欲

“不插電”信息科技教學活動提倡采用富有趣味的教學手段，吸引學生的注意力并激發他們的學習興趣。教師所選取的教具媒體、活動主題、思維支架、評價方式等要素都應緊密貼近學生的具身認知與沉浸體驗，能夠有效促進知情意行等全維度意義建構。同時，這些教學要素應體現寓教于樂原則，通過“不插電”教學方式在線下物理空間中設置開放式、實踐性、遞進式活動，使學生在教學實踐活動中通過主動建構、深度探索、具身體驗、綜合應用等方式掌握信息科技原理知識，進而培養和發展計算思維。

1.3.3 "教學內容倡導忽略集成界面、配置環境、調試代碼等具體工程環節[11]，轉而聚焦任務分解、模型抽象、模式識別、算法分析等邏輯思維的訓練

在常規的計算思維培養導向的教學活動中，完成特定的工程任務或編程作品需要學生掌握較高專業門檻的工程實踐技能，同時需要了解數據結構、編譯原理、數學建模等高階專業知識。雖然這些工程知識與技能對于發展系統性、高階性的工程思維不可或缺，但它們并非培養學生計算思維的剛需因素，相反，由于它們對計算機科學知識薄弱的學生來說具有較高的認知與實踐壁壘，導致學生在學習過程中生成較高的認知負荷，缺乏較高效能感驅動的正向表現性評價，不利于獲得積極的獲得感與體驗感。

從具身教學系統視角審視教師的實踐性知識，系統化的信息科技實踐教學需要教師具有相對完備的計算機科學知識體系與親身參與真實系統開發的經歷。鄉村地區的教師普遍專業素養薄弱，很難開展系統化的計算機科學實踐教學活動，從體系化工程設計視角難以觸發正向學習的內驅力。由于“不插電”教學活動將工程細節屏蔽，將計算思維以概念具象化、體驗具身化的方式融入現實生活的教學問題與任務，使學生在當前可接受的認知范圍內接受信息科技知識，發展目標分解、問題抽象、模式識別與算法設計等計算思維，學生只需具備基本的運算、讀寫、協作與表達等初階技能即可。在“不插電”的教學活動情境下，教師的教學設計無須關注集成化的工程環境，只需關注計算思維在學習支架中的呈現形式，從而有效凸顯了學生和教師在計算機科學知識學習方面的思維內核，使相對復雜的信息科技知識得以祛魅。相比于關注工程化的編程語言與調試技能的傳統教學，“不插電”的信息科技教學活動更聚焦于學生基于計算思維的認知投入與具身參與，通過場景化的教學支架引導學生在實際問題解決過程中體悟計算機科學原理，從而提升學生的計算思維品質。

2 "面向計算思維培養的“不插電”教學策略

基于“不插電”信息科技教學實踐中的基層典型案例，結合計算機科學教育領域對計算思維的主流界定，從分治思想、抽象建模、模式識別、算法設計四個維度，構建在鄉村教育場景下的教具仿真化、任務游戲化、情境故事化、活動具身化教學設計策略（圖1），促進學生計算思維品質的形成與發展。

當教學目標指向計算思維培養時，以分治思想、抽象建模、模式識別、算法設計為核心的計算思維通過多模態教具、可視化模型、多場景案例、具身化支架等教學條件在“不插電”教學活動策略中得以滲透與強化，同時在教學流程的迭代推進中實現計算思維品質的遷移與創造，實現深層次學習。

應用計算思維中的分治思想解決問題，即要求學生在面對復雜度較高、規模較大的真實問題時，根據分而治之的原則將其拆分為若干個復雜度較低、規模較小的問題子集[12]，每個問題子集的解決方案串聯成整個問題的解決方案，通過逐個破解的方式最終將真實問題解決。例如，當學生要開發一個面向城市綜合治理的智慧門戶網站時，可通過多場景案例將其分解為面向智慧金融、智慧物流、智慧醫療、智慧教育等次級子場景，再進一步依據需求分解策略將其劃分為更細粒度的子場景要素，然后逐一解決問題。

應用計算思維中的抽象建模方法解決問題，即要求學生聚焦問題的關鍵核心，在梳理邏輯脈絡時可暫時性忽略問題的相關背景信息與細枝末節，從而形成突出問題主要特征的關鍵模型[13]。從教學目標中素養培養的視角看待抽象建模，學生可以主動挖掘場景中的研究對象要素及其主要特征，并主動建構其內在邏輯關聯。比如通過“不插電”的教學活動讓學生理解關鍵路徑算法，可以通過多模態教具與可視化模型讓小學低年級學生繪制家校往返路線，學生要忽略掉與路線無關的事物信息，利用可視化模型從紛繁的多模態信息中抽取出關鍵的特征路徑信息進行可視化呈現。

應用計算思維中的模式識別方法解決問題，是指對大規模樣本數據的關鍵特征進行自動分類與判斷其所屬主客體間的狀態、程度、過程、關聯、因果等屬性，從而智能辨識其所屬共性范疇并精準判定特定對象間的差異特征。這種對大規模樣本數據中蘊含的狀態、行為、程度或規律進行識別、分類和解釋的認知機理與決策機制，構成了模式識別思維方法的基本元素[14]，同時也構成了機器學習的關鍵過程。例如，通過“不插電”的教學策略讓學生理解機器學習原理，可以通過觀察生活場景中的同類型事物的關鍵特征，通過多次類別學習后，將其應用在大量的新事物特征識別與分類過程中，通過具身認知投入參與的方式，讓學生體驗并理解機器學習中對大規模數據樣本進行特征提取、模型訓練與分類決策的工作機理。

應用計算思維中的算法設計思想解決問題，是指將問題模型轉化為一系列界定明確的指令系統，該系統代表了描述問題解決過程的策略機制，其既具有明確的輸入與邊界條件，也具有可推演的輸出結果，是對問題解決方案準確而完整的描述[15]。培養算法設計思維方法，即學生以程序化、序列化、邏輯化的過程和規則來理解、分析或解決問題，需在綜合分治思想、抽象建模、模式識別等關鍵計算思維能力的基礎上，基于嚴謹的程序過程對界定清晰的輸入變量與環境條件作出最合乎邏輯推演的決策。例如，通過“不插電”的教學策略引導學生進行推箱子游戲[16]，以具身參與的方式促使學生預測后續結果，學生在此過程中需要根據每個步驟的不同條件情形及其相應的運行邏輯去推演后續可能的各種結果，從而對事物演化過程及趨勢有所預

判，同時學生還需思考如何以最少的代價、最高的效率完成游戲任務，從而形成該類問題的可行解與最優解。

在“不插電”的信息科技教學設計過程中，教師在前端分析階段應首先對學生的學習基礎條件進行科學量化的診斷，結合定性觀察與定量測量的方法全面了解學生的數學、語言、信息技術等相關學科的已有知識掌握程度及其學習偏好。在充分做好學情分析的基礎上，結合具體計算問題的計算思維特性，選擇并應用合適的教學方法，并從認知參與、具身體驗、思維品質、遷移應用、創新轉化等多種維度實施評價，確保教學的針對性和有效性。基于仿真教具的故事教學法適宜作為“不插電”教學課前導入環節的教學方式，以故事時序線索構建計算問題教學情境的邏輯進展脈絡，從而有效建構計算思維與故事線索的特定關聯，引導學生主動投入故事發展脈絡；同時教師還可以將相關知識點或技能點設置為問題錨點，引導學生在拋錨式問題支架中達成深層次學習目標，以實現計算思維在復雜情境中的創造性轉化與創新性發展。

基于具身活動的游戲教學法通常適用于課中環節。在此過程中，學生在“不插電”的教學環境下全身心參與具身活動，嘗試采用不同的元認知策略分析并解決任務問題，并能通過可視化模型即時觀察結果反饋。通過具身游戲活動，學生在“不插電”教學環境下得以在親身實踐中學習，體驗計算思維在特定問題解決過程中的實踐進路，從而深入掌握信息科技課程的核心概念與主要方法。

作為“不插電”信息科技課堂的延伸拓展，課后服務活動強調學生在實際操作中的學習與發展，其形式不限于游戲，還可包括學科競賽、案例研討、角色模擬等多種類型。這些活動更加注重“不插電”的信息科技原理與信息技術實際應用之間的聯系，旨在使學生能夠將學科原理遷移至具身應用場景中，實現計算思維品質的深層次拓展。

計算思維的培養是一項較為復雜的教學活動，往往由于其思維模式具有較強的數理邏輯而難以被學生充分理解和掌握。通過綜合運用仿真化教具、游戲化任務、故事化情境、具身化活動等“不插電”教學策略，可有效地強化學生的積極意義建構與具身認知投入，從而促使其更積極地在不同的問題情境中遷移計算思維方法，實現學習成果的創造性轉化與思維品質的創新性發展。

3 "“不插電”的信息科技教學案例分析

以下通過小學四年級信息科技課程機器學習課例，展示教師在“不插電”學生活動中進行教學的具體流程。此處的“不插電”并非指教師完全不使用數字化教學設備，而是指學生的信息技術實踐活動基本在“不插電”的線下進行，即不考慮機器學習平臺具體的編程技術細節，使用仿真教具、故事拋錨、游戲支架、具身活動、產品體驗等多種“不插電”教學活動，圍繞機器學習與模式識別原理實施生成性活動教學，讓學生在具身化的任務活動中思考、探索，領悟信息科技原理，形成并發展解決生活問題的計算思維。

機器學習課例通過讓學生模擬機器學習的過程，讓學生在實際生活的問題場景中具身體驗計算機進行特征訓練與模式識別的內在機制和工作原理。本課例教授人工智能的關鍵技術機器學習的原理及有關應用，學生在鄉村教育場域中不具有完善的數字化學習環境，故在常規課室中開展“不插電”學習活動以達成教學目標。根據《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》對信息科技課程核心素養的有關要求，本課例的教學目標設定為以下幾個方面。

1）知識與技能：理解人類學習與機器學習過程的區別與聯系，掌握機器學習的一般過程，培養并發展類比聯系的信息意識與面向模式識別的計算思維。

2）過程與方法：在問題拋錨、游戲支架、具身活動、產品體驗等“不插電”教學活動中分析、模擬、重現、表述機器學習的關鍵過程及性能優化方法，培養并發展數字化學習與創新素養品質。

3）情感態度與價值觀：感受機器學習相關的人工智能技術賦能社會發展的優劣，關注智能社會倫理，培養并發展信息社會責任感與科技強國的使命感。

本課例的教學重點是理解并掌握機器學習的一般過程，教學難點是分析機器學習特征訓練的性能優化方法，并應用到現實場景中解決實際問題。其具體教學流程如表1所示。

4 "結束語

計算思維作為公民數字素養的關鍵內核之一，其絕不僅僅體現在數字化學習環境中，在線下課堂教學活動中也不乏分治思想、抽象建模、模式識別與算法設計等思維模式之泛化體現。鄉村教育場域中，融合線上線下多模態教具，實現教師數字化教學設計與學生“不插電”信息科技教學活動的數字化轉型，是破解鄉村教育信息科技資源環境受限之困與開辟新時代鄉村教育數字化新賽道的積極探索。此外，計算思維具有天然的數理邏輯、語言智能、人機協同的跨學科融合特征，在跨學科教學境脈中觀測計算思維，應以語言符號或視覺符號表征抽象問題，以多模態感官載體綜合表征具象認知客體，以促進學生從多線索、多角度、多層次具身感知計算思維的深刻應用。因此，教師不管采取何種“不插電”教學策略設計教學活動，都應倡導適當融入如學科知識圖譜等數字化智能支架[17]創建具身認知場域，以促進學生計算思維品質的多向度發展。

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