小學信息技術教學中學生計算思維能力的培養

摘 要：計算思維能力是一種重要的思維模式與能力，是信息時代科技人才必須具備的核心素養之一。分析了計算思維能力內涵，以蘇科版《小學信息技術》五年級“設計手機架”一課為例，探究小學信息技術中學生計算思維能力的培養策略，提出從情境教學、任務分析、尋找算法、歸納總結、遷移運用五個方面切入，有針對性地培養學生算法、分解抽象、評估、概括、優化創新等思維能力。

關鍵詞：小學信息技術；計算思維能力；培養策略

作者簡介：許方（1981—），男，江蘇省無錫市連元街小學。

一、計算思維能力內涵分析

計算思維概念最早由周以真教授提出，其認為計算思維是運用計算機基礎概念求解問題、設計系統、理解人類行為等計算機科學領域涉及的一系列思維活動［1］。隨著研究的深入，關于計算思維的內涵也有了更具體的闡述。南安普敦大學的Cynthia Selby與John Woollard兩位博士，在周以真教授提出的概念的基礎上，提出計算機思維包括五個要素，即算法思維、評估、分解、抽象、概括［2］?！读x務教育信息科技課程標準（2022年版）》提出：“計算思維是指個體運算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。具備計算思維的學生，能對問題進行抽象、分解、建模，并通過設計算法形成解決方案；能嘗試模擬、仿真、驗證解決問題的過程，反思、優化解決問題的方案，并將其遷移運用于解決其他問題?！本C合以上關于計算思維內涵的論述，教師應在學生主動的思維活動和解決實際問題的過程中培養他們的計算思維能力，確定具體的培養要素，采取有針對性的培養策略。

二、小學信息技術教學中學生計算思維能力的培養策略

整合計算思維的內涵，本文提煉出算法思維、分解抽象思維、評估思維、概括思維、優化創新思維五項能力要素，結合信息技術學科特征以及小學生年齡特征，以蘇科版《小學信息技術》五年級“設計手機架”一課為例，對每項能力要素培養的策略進行論述，具體如下。

（一）基于情境教學，培養學生的算法思維

算法思維是指以系統的方法描述解決問題的策略機制。思維是能力發展的基礎，教師要培養學生的算法思維，引導其運用信息技術思維看待世界。計算思維能力培養實質上是一個解決問題的過程，學生要運用算法思維從問題中抽象出技術應用特征，明確解決問題的一般性方法。為了激活學生思維，教師應從學生感興趣且具有真實性的情境出發，促使學生能夠由自然語言抽象出可供計算機識別的模型，并將其轉化為最優算法。換言之，教師應構建真實的生活實踐場景，使學生有良好的代入感，主動投入探究。

“設計手機架”一課為五年級教材的第23課（該教材共24課），此時的學生已經掌握了一定的3D建?；A，通過學習本課內容，他們能進一步熟悉“平面”工具、“移動”工具的使用。為了激發學生的興趣，教師要創設真實的問題情境，使學生回憶自己或家長在使用手機時是否經常出現忘記手機放在哪、不小心將手機掉落地上、水灑在手機上等情況，思考應該采用什么方法來解決這些問題。學生聯系已有生活經驗，認為給手機“安家”再合適不過，即設計手機支架使手機擺放在固定位置。由此，教師可啟發學生進一步思考如何運用3D建模工具設計手機支架。

通過真實問題情境啟發學生思維后，教師引出本節課的學習主題，并融入3D建模思維，啟發學生思考如何運用3D建模解決問題。學生則要圍繞情境抽象問題本質，排除復雜的干擾條件，確定本節課所要解決的問題是“運用3D建模工具設計手機支架”。

（二）引導任務分析，培養學生的分解抽象思維

進入探究環節，教師要以任務驅動法引導學生深入探究，學會運用不同的建模工具完成手機支架的3D模型設計。在探究前，學生會擁有一次絕佳的思維訓練契機，即分解、抽象探究任務。第一步，以自然語言為載體理解任務，將其轉換為計算機能夠識別的語言，初步鍛煉抽象思維。第二步，以思維導圖為載體分解任務，抽象出問題模型，明確解決問題需要的要素以及要素與背景之間的關系，從而為算法的設計與選擇提供依據。

1.以自然語言分析、轉換任務

自然語言是指現代漢語、英語等日常生活中用于交流與呈現思維的語言工具。學生要運用自然語言分析、理解、描述、轉換任務，使之與計算機內部內容映射，明確在本次3D建模過程中需要完成哪些內容。

本節課的驅動任務是“利用建模軟件設計3D手機支架模型”，學生要以自然語言理解任務內容，將其轉換并分解為需要解決的實際問題，抽象出“制作手機架底座”與“制作手機架插口”兩項子任務。其中，在“制作手機架底座”任務中，學生要運用“平面”工具創建包含所選草圖元素的布局，利用“直線”工具繪制底座，再以“移動”工具與“拉伸”工具使底座的直線圖像旋轉，轉變為立體結構。因此，本項任務可以轉化為通過“平面”工具與“移動”工具的配合將平面圖形轉變為立體結構。在“制作手機架插口”任務中，學生要先找到平面，在平面上繪制插口形狀，利用“拉動切割”操作，形成切口，具體操作中需要使用“編輯”工具區、“插入”工具區、“定向”工具區、“模式”工具區、“草圖”工具區的工具，而本項任務可以轉化為將立體結構轉變為平面圖形、確定插口形狀，最后再轉變為立體結構切割。

以自然語言為載體對任務內容進行轉換與分析，學生能夠清晰地理解任務內容，明確解決問題的步驟以及需要計算機處理的程序、原理等，通過抽象思維將任務具體化，有效鍛煉算法以及抽象思維。

2.以思維導圖分解、抽象任務

思維導圖是一種既可以實現思維過程可視化、理清思維邏輯，又能培養學生發散思維能力的工具。借助思維導圖，學生能夠回顧整個思考過程。教師要引導學生在分析任務過程中運用思維導圖，將分解的任務內容以思維導圖形式呈現，理清解決問題中需要的要素，判斷要素與背景之間的相互關系，抽象出完整的模型，鍛煉學生的分解思維和抽象思維［3］。此外，在以思維導圖呈現思維過程時，學生可以觀察自身的邏輯是否嚴謹、認知有無漏洞，也方便教師指導學生完善認知，有效提升計算思維能力培養效果。

經過分解與抽象，學生得到兩項子任務的思維導圖，確認“制作手機架底座”任務的核心要素為直角梯形，其引出的分支如下所示。

繪制草圖：“草圖”工具區“直線”按鈕。

形狀：直角梯形。

尺寸：30mm×45mm×60mm（上底×下底×高）。

“制作手機架插口”任務的核心角色為平行四邊形，其引出的分支如下所示。

確定中軸線：“編輯”工具區“選擇”按鈕。

生成平面：“插入”工具區“平面”按鈕。

調整插入平面方向：“定向”工具區“平面圖”按鈕。

轉化為草圖模式：“模式”工具區“草圖模式”按鈕。

畫平行四邊形：“草圖”工具區“線條”按鈕。

切割插口：“編輯”工具區“選擇”按鈕，單擊平行四邊形；拉動按鈕，在“拉動選項”中點擊“同時拉兩側”按鈕，再單擊“切割”按鈕；將鼠標箭頭指向平行四邊形方向，拖動鼠標，將插口切出。

思維導圖有助于梳理學生的思維，將抽象思維可視化、將思考過程具體化，使學生的思維能力切實得到有效訓練。教師也可以根據思維導圖判斷學生是否形成了完整的問題模型，引導學生尋找最優算法。

（三）尋找最優算法，培養學生的評估思維

在分解任務、描述任務、呈現思維的過程中，學生已經清晰了解了任務內容，也基本建構了問題模型，接下來則要通過算法設計，將思維過程以及模型內容轉變為程序語言。本環節是培養評估思維的重要契機，教師可以通過尋找最優算法，引導學生客觀評估算法，對算法進行反思，不斷優化，形成合理且完整的建模思路，順利推進任務。為了使程序語言的邏輯更加清晰，教師可以鼓勵學生畫流程圖，由問題出發，經過分解與抽象將每個子任務及完成任務所需要的操作組合起來，形成完整項目［4］，繼而組織學生結合流程圖交流，評估算法是否達到最優。

在本節課中，學生按照自頂向下的方法，由“手機支架3D模型”引出兩項子任務，由兩項子任務引出完成任務所需要的工具與條件，將思維導圖中的各項分支合理地填充到流程圖內，并羅列具體操作步驟，采用箭頭指明方向。流程圖形成后，小組內要先比較流程圖內容的差異，評估每個流程的算法能否滿足條件，實現預期建模效果，然后開展綜合判斷，從最終的設計效果出發做出取舍或優化，從而確定最優算法。如，有小組在評估時發現制作手機架插口要經過多次轉換，先從立體結構轉變為平面模式，但切割圖形的操作要在立體圖形上完成，其間涉及平面向立體的轉變，流程圖中很容易忽視這一模式調整。經過反思，該小組認為需要在設置插口前增加“轉化三維模式”（“模式”工具區“三維模式”按鈕）流程，從而優化算法，確保邏輯完整、嚴謹。

在上述過程中，教師組織學生繪制流程圖，讓學生圍繞流程圖中的步驟進一步系統地整理問題解決思路，并以分析、評估、判斷等手段對無法達到建模需求的程序進行優化，獲取最優算法，以充分鍛煉學生的評估思維。

（四）落實歸納總結，培養學生的概括思維

概括思維能夠使分散、零碎的知識系統化、結構化，幫助學生鞏固所學內容，建構完整知識體系。同時，在歸納概括過程中，學生能夠對知識之間的聯系進行分析、探究，深化認知，為知識的運用做好充足準備。在課堂教學中，教師可以設計歸納總結環節，以列提綱、補充與延伸板書、思維導圖、圖表設計等多種形式，幫助學生完成知識概括，理清學習的知識、掌握的方法，鍛煉思維能力。

本節課采用補充與延伸板書方式，出示電子板書，要求學生將其中“知識”“方法”“思維能力”三個部分的內容補充完整。其中，“知識”部分要求學生補充建模中的“平面”工具和“移動”工具，并提煉建模中新涉及的“切割”工具；同時給出跨學科知識欄，要求學生補充本節課涉及的其他的學科知識。以數學知識為例，其涉及直角梯形、平行四邊形、旋轉、中軸線四個知識點。“方法”部分要求學生補充本次建模涉及的所有方法，包括平面與立體轉化、圖形移動、同時拉兩側、切割等?！八季S能力”部分要求學生系統地提煉每個步驟鍛煉的思維，如在問題情境中需要提煉核心問題，主要鍛煉算法思維和抽象思維。

歸納總結環節由學生主動梳理本節課學習過程，明確運用什么方法學習什么知識，以及自己在學習中取得的收獲，這有助于學生形成知識結構，鍛煉概括思維，促進計算思維能力發展。

（五）指導遷移運用，培養學生的優化創新思維

教師要在已建立的模型與選擇的算法的基礎上，通過遷移運用，使學生解決新的問題或某一類問題，培養學生的優化創新思維，這是發展學生計算思維能力最為關鍵的環節。在信息時代，能否將知識與技能遷移運用決定了一個人能否具備泛化能力，將一類問題一般化，運用掌握的思維能力創新解決問題［5］。因此，在學生形成扎實的知識與技能基礎后，教師要通過遷移運用，使其思維能力向高階發展，使其能夠將掌握的知識與技能作為工具，靈活地解決新問題，進一步提升與發展計算思維能力。

本節課在遷移運用環節設置了新的問題情境，借助多媒體展示現實生活中真實存在的多種類型手機支架，引導學生將其與本節課制作的模型對比，分析二者在形狀與結構上的差異，使學生經過啟發后，能夠運用所學知識創新手機支架3D模型設計。有學生認為原有模型中缺少充電口，可利用“切割”工具在支座底部切割四個U型孔，方便從不同方向插入充電線；也有學生認為模型美觀度不足，可重新調整模型結構，在平面上勾勒出用戶喜歡的形狀，如小猴子，結構立體化后以猴子尾巴做支撐，在猴子的腳上切割插口，設計更加靈動、美觀的手機支架。

通過遷移運用，學生可將歸納總結中形成的知識作為解決問題的通用方案，運用到新的問題情境中，并利用信息技術學科特有的思維模式、能力方法完成優化創新知識運用，大幅提升計算思維能力。

三、總結

綜上所述，本文結合計算思維的內涵，提煉其中關鍵能力要素作為培養目標，針對每項能力要素的形成與發展提供策略，切實在小學信息技術教學中把握學科特點，促進學生計算思維能力的有效生成。希望廣大小學信息技術教師能夠從中吸取有益經驗，在教學中從真實問題情境出發，以解決問題為目標，引導學生主動思考、分析，將思維過程可視化，抽象出解決問題的方法，最后歸納總結、優化創新，保障學生計算思維能力的持續提升。

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