指向計算思維的信息科技學習支架設計與實施

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2025）09-0068-04

隨著《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的實施，計算思維成為信息科技課程的核心素養之一。信息科技課程需要通過實踐性學習培養學生的計算思維，使其具備“分解問題、抽象建模、算法設計、系統優化”的能力。然而，當前的教學仍存在以下問題： ① 知識呈現較為碎片化，缺少完整的問題情境和問題鏈，學生難以形成完整的思維鏈條； ② 實踐任務缺乏階梯性支持，缺乏策略的指導及資源的支持，導致學生在面對復雜問題時無從下手； ③ 協作反思薄弱，導致學生難以將知識內化為思維素養。2因此，設計有效的學習支架，幫助學生逐步掌握計算思維的方法和策略，成為信息科技教學的重要任務。下面，筆者結合“機器人巡線系統設計”項目案例，從支架設計原則、實施路徑及評價機制三方面展開論述，探討如何通過結構化支持系統促進學生計算思維的培養。

指向計算思維的信息科技學習支架內涵

新課標指出：“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。”構建指向計算思維的信息科技學習支架，需要為學生搭建知識橋梁，通過建立新舊知識聯結機制，幫助學生降低復雜概念的認知負荷。4在知識建構的基礎上，教師應進一步引導學生運用系統化的思維方法，針對具體問題開展抽象建模、結構化分解及算法設計，形成完整的計算思維解決方案體系。通過層次化的實踐支持，如模擬、仿真、驗證等漸進式的實踐環節，幫助學生實現思維能力的具象化發展。同時，學習支架的設計應注重多樣性，既要激發學生的主體意識，通過自主探究培養其自主思考問題的能力，又要構建協作空間，提高其團隊合作能力。

指向計算思維的信息科技學習支架設計

1.情境型支架：真實問題驅動思維發散

情境型支架強調將抽象的計算概念轉化為學生可感知的實踐任務，關鍵在于創設真實具體的問題情境。在設計情境支架時，教師可以選擇一些與學生生活經驗相契合的場景，如利用“機器人沿黑線前行”這一模擬物流公司分揀、無人駕駛等真實情境中的機器人任務，通過實體動態展示引導學生設計一個可以沿軌跡移動并運送快遞的機器人，從而有效激發學生的探究興趣。在教學實踐中，教師可以設置與主題相關的梯度化問題引發學生思考，如機器人是如何辨認黑線的、如何控制電動機的速度從而讓機器人轉彎、如何對線路進行優化問題等，最后可以將項目主題設定為“設計校園快遞機器人”。學生在解決問題的同時要對一個系統進行多層次的分析，從而完成從具象思維到建立模型并形成抽象思維的提升。

2.策略型支架：分步引導思維 進階

策略型支架通過提供有效的思考方法等策略推動學生的學習遷移和思維轉化。教師可在從分析問題到解決問題的過程中，采用層次化的思維策略啟發學生將一個抽象的問題分解成若干簡單易解決的問題。以巡線算法設計為例，教師通過表格工具分階段進行指導：首先，分析灰度傳感器數值與閾值的關系，建立“高于閾值檢測黑線”的基礎認知；其次，將具體現象轉化為條件判斷語句（如“灰度值高于閾值時左轉”），運用流程圖梳理程序運行邏輯；最后，通過反復調試電機功率參數，在動態實踐中理解程序優化的必要性。這種分層遞進的策略體系，實現了階梯式的知識、能力遷移，從而有助于突破難點。

3.資源型支架：軟硬件協同支持實踐

資源型支架整合數字化工具與物理設備，有助于降低學生的學習門檻，滿足學生從技術實踐中形成科學理論的學習需求。例如，在巡線機器人項目中，為學生配備標準化硬件與示例代碼庫，學生可以親身體驗搭建與調試機器的完整過程，深度體驗如何優化閾值和各項參數等，在真實的問題解決中，實現思維與能力的提升。

4.交流型支架：協作反思深化理解

交流型支架通過學生之間的協作與互助促進知識的建構，關鍵在于構建多層次的協作與反思機制。例如，學生兩人組成團隊，合作完成硬件搭建、數據記錄、算法設計、編程調試等環節，小組成員及時對實踐中遇到的問題進行反思與總結，在實踐中達成元認知的形成。在小組之間，進行層級交叉協作互助，在中期匯報時，各小組展示各自的算法和思路，并相互答辯問題，如某小組學生在調試過程中發現由判斷邏輯的問題導致的機器人在巡線過程中產生偏差的問題，引發全班學生的熱烈討論，其他小組提出通過優化巡線控制算法進行改進的策略等。層層深入的交互支架既引發了學生之間的知識共享，也促進了學生計算思維的發展。

指向計算思維的信息科技學習支架實施

下面，筆者以“機器人巡線系統設計”項目為例，利用四維支架貫穿問題發現、方案構建、實踐驗證和優化拓展的整個學習過程。在該項目中，四類學習支架相互配合：情境型支架關注全過程，保證情境的真實性和任務的指向性；策略型支架指向解決策略與方法，幫助解決思維難度較高的問題；資源型支架提供相關技術支持，使實踐操作得以順利開展；交流型支架促進社會化學習活動的開展，深化理解與反思。

1.問題發現階段：情境錨定與需求分析

教師運用情境型學習支架導入真實場景，如播放物流分揀中心或校園快遞機器人視頻，展示機器人沿黑線自動導航的場景，從而引出核心問題：如何讓機器人精準、高效地沿黑線移動？同時，教師結合學生生活經驗，引導學生觀察校園內快遞配送路線，討論現有配送方式的不足，如效率低、易出錯等，激發設計需求。通過真實問題確定學習目標，將抽象的計算思維轉化為具體可感知的任務。此外，教師運用策略型學習支架為學生提供結構化問題分析表（如表1），指導學生將復雜任務分解為子問題。

教師為學生提供思維導圖工具，如使用XMind等工具繪制“機器人巡線需求分析圖”，幫助學生梳理功能模塊，明確任務的關鍵環節，進行系統化思考。同時，運用資源型學習支架為學生提供案例庫，分享成熟的巡線機器人項目代碼，并提供基礎巡線機器人套件，讓學生初步組裝并觀察基礎功能，以此降低技術門檻，幫助學生建立初步認知。

2.方案構建階段：邏輯設計與算法建模

教師運用情境型學習支架設置場景復雜度分級，提供不同難度的巡線場景（如直線、S型彎道、交叉路口）讓學生選擇。運用策略型學習支架提供標準流程圖符號庫，引導學生用圖形化方式描述巡線邏輯，還可以提供分步設計指南，降低巡線算法設計難度。同時，運用資源型學習支架提供傳感器初始化函數、電機控制函數等部分代碼片段。另外，教師可以組織跨組互相評價，在小組的“評價量表”中（如表2）評析其他小組的方案，并反饋改進建議。

3.實踐驗證階段：原型開發與調試優化

教師運用情境型學習支架可以提供真實的環境測試。例如，設計限時挑戰作業（3分鐘內完成任務），調試S型路線巡線競賽，并利用各種真實環境的影響因素來暴露問題，如光照強弱導致機器人巡線出現異常的狀況等。同時，運用策略型學習支架提供調試檢查清單，為學生提供常見問題的排查指南（如表3），還提供迭代日志模板，讓學生記錄每次迭代的參數以及相應結果的改變，這樣有助于培養學生規范調試的習慣。此外，資源型學習支架可以為學生提供不同形式的學習資源，如視頻資料、交互文檔、硬件擴展包等，滿足多樣化的學習需求，學生可以對這些技術進行深度學習。而技術答辯會、專家指導等交流式學習型支架，有助于擴展學生技術視野，激發學生創造性思維。

4.優化拓展階段：遷移應用與 反思升華

通過前幾個階段的學習，學生已經了解了機器人巡線的基本原理，實現了機器人巡線等具體應用，此時加入跨場景遷移任務，提出如何在顏色區別較小的地面上完成巡線的挑戰任務，要求學生完成環境適應性設計。還可以展開社會問題討論，如“自動巡線系統會讓人類失業嗎”“在使用自動機器人掃地時，機器人是否會觸碰人、損壞家具”“如何保障機器人的安全性和使用者的安全”等，關注技術倫理，從技術走向價值層面的反思。在學習策略上，可給予系統性優化路徑，如設計算法優化、流程控制優化、硬件優化等多個優化途徑，培養學生工程化的學習思維。在該階段，學生已經完成了較完善的程序，教師可通過提供云平臺等資源支持，讓學生將巡線機器人的控制程序存儲于云端，讓程序可以隨時調取。在項目后期，可進行成果展覽，如舉辦校園科技節，讓家長、教師前來參觀，學生擔任講解員等，通過公開表達、反思，進一步內化學生計算思維、社會責任。

實施成效分析

本項目以一學期的教學實踐為基礎，從課堂觀察、項目作品和師生訪談等方面收集和處理數據，以印證指向計算思維的信息科技學習支架的應用效果。

1.興趣激發：信息科技理論與實踐結合應用

情境支架的運用和實施激發了學生興趣，學生對“把設想變成現實”的過程充滿興趣，學習積極性提高。完整的項目情境幫助學生經歷“問題發現一方案構建一實踐驗證一優化拓展”的完整思維鏈條，使其在解決問題的過程中提高了學習自主性和成就感。

2.思維升級：強化計算思維與創新能力提升

通過對學生的任務完成情況和算法設計程序的采集和觀察來看，學生在抽象建模、算法設計、結構設計、問題解決能力等方面，都有明顯提升。在項目實踐的過程中，學生在“設計—測試—優化”循環模式中，逐步建立了基于計算思維的思考模式。

3.原理深化：實現充分原理探究與深入理解

有層次有梯度的教學支架能幫助學生從基礎概念學習逐步深入到核心原理的探究。這些支架通過由淺入深、循序漸進的引導方式，使學生在理解基礎知識的同時，逐步掌握人工智能技術的核心原理和機制。同時，教師利用實驗案例、在線資源等多種教學手段，讓學生在實踐中探索和驗證原理，增強了對信息科技的深人理解和實際應用。

結語

本文提出的四維支架，以真實項目為載體，為學生提供了較為清晰的問題解決路徑。通過設計和實施情境型學習支架、策略型學習支架、資源型學習支架、交流型學習支架，能夠有效促進學生計算思維的發展。當然，學習支架的設計和實施仍需進一步優化，如在資源支持方面可以提供多樣化的學習資源，在交流反饋方面可以引入更多的量化評價指標。未來的研究將進一步探索學習支架在信息科技其他教學內容中的應用，以期為培養學生的核心素養提供更多的支持。

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