建模与解模：探寻培养小学生计算思维的密码

张松

【摘 要】信息技术学科要培养的计算思维是当今学生要具备的核心素养之一，受到了中小学教师的关注，就目前研究现状，计算思维的理论研究成果较为丰富，但应用研究仍处在初级阶段。笔者试从小学信息技术课培养计算思维的实施策略着手，以Scratch编程课为例，阐述培养计算思维的“建模——解模”过程。

【关键词】计算思维;信息素养;建模;解模

【中图分类号】G434  【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2019）04-086-03

计算思维内涵

计算思维，自2006年周以真教授在美国计算机权威刊物上提出后，受到了国内外的关注和讨论。周以真教授定义计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的系列思维活动。[1]除此之外，国内还有很多学者对计算思维提出了不同的观点，但大都强调计算思维作为解决问题的能力特征，且切入角度各有不同。当前，教育界对计算思维的界定以2017年《普通高中信息技术课程标准》为权威解读：计算思维是以计算机领域的学科方法界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据，通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案，总结利用计算机解決问题的过程与方法，并可迁移与之相关的其他问题解决中的一种学科思维。[2]

计算思维发展的现状与重要性

新时代确立了教育价值选择的新坐标系，教育要有新作为，必须以未来为导向，更好地完成“立德树人”的根本使命。如今，计算思维作为一种核心素养，已经受到众多教育者的关注与重视，在课堂上我们看到了由重视“技术教授”到重视“思维培养”的不断演变，让学生在思维意识、思维品质、思维习惯、思维方法等方面都得到良好的提升，对促进学生全面发展和终身学习具有不可替代的作用。根据搜索文献并分析得出：我国2010年之前，有关计算思维的研究以理论研究为主，近几年开始关注应用研究方面。当前计算思维应用研究主要集中在高等教育阶段，在中小学课堂教育教学活动中对计算思维的培养策略、计算思维教学模式等还处于研究初期，需要进一步探索。

小学信息技术教学中如何培养计算思维

在小学信息技术教学阶段，有一个很重要的模块——程序设计。根据小学生年龄特点，选用的是图形化编程工具Scratch，课程内容的设置是以解决问题为主导，创设不同的主题式教学活动，教师在创设情境的同时，设置障碍，使其遇见问题，从而引发学生思考，如何利用已有的知识迁移到本问题中来，再通过掌握新技能解决问题，这样才能真正体现学习新技能的需求性和必要性。而引发学习的过程又是一个复杂的过程，如何聚焦核心素养，如何让核心素养中提到的计算思维落地，笔者认为计算思维的培养是一个“建模——解模”的过程。

1.建模

从具象到抽象这一过程是教学中的难点，同样也是信息技术教育的重点。抽象思维是信息技术学科的理论基础，根据学生的心理发展特点，从小学五年级开始，由具象思维到逻辑思维的不断转变，信息技术教材内容也从WPS系列办公软件的应用逐步过渡到运用Scratch学习程序设计编程。Scratch教学，一般都是采取以主题单元活动为载体，以解决问题为主线进行的。学生在拿到问题时，首先进行问题分析，再进行基础的数学建模过程，最后编写程序从而解决问题。例如“小猫出题”一课，主题要求小猫随机读出2个数，并让这两个数进行加法运算，请学生计算并输入答案，小猫立刻作出判断，若答对了给予表扬，若答错了给予提示。根据主题要求，我们想到了用数学方程中的X、Y来代替小猫读出的两个数，用Z来代表计算出X+Y的和，从而建立数学模型：X+Y=Z。通过判断写入的答案与Z对比，一样则显示“答对了”，不一样则显示“答错了”，通过这个模型就可以解决此问题了。

学生通过分析问题，能够想到运用已有的数学知识来解决生活中的问题，并在脑海里建立数学模型，这一过程是学生迈向计算思维的第一步。

2.解模

如果说建模的过程是在梳理思维框架，那么解模的过程便是选用不同的方式方法为搭好的思维框架填补具体实施步骤的空白。解模的过程是要把模型中每一步的设想和预测用具体的技术手段实施检验，通过类似于工程思维的方式，将“建设过程”划分为明确的步骤，通过不断选择、判断、循环，完善解模过程。在解模过程中要注意对遇到的问题进行总结反思，借鉴建设工程质量管理的“PDCA”循环管理方法，即计划（Plan）—实施（Do）—检查（Check）—处置（Action），不断完善解模实施路径。

仍然以“小猫出题”一课为例，根据建立好的数学模型，用程序语言的算法来解决问题，便是解模的过程。在已经建立好的数学模型解题思路基础上，在Scratch程序语言中定义X、Y、Z变量，并进行X、Y变量的加法逻辑运算及赋值给Z，再通过判断语句实现小猫能像“小老师”一样判断答案的对错，并做出相应反馈，如果再加上循环结构，还可以实现小猫的反复出题。

3.建模——解模

在实际教学过程中许多学生更喜欢直接的、非还原性的解决方案，学生在学习过程中通过建模解答，能启发学生的计算思维。我们可以看到建模将数学与实际应用问题相结合，课堂中引入建模可以拓宽学生的知识面，发挥其想象力和创造力。再通过解模逐步形成计算思维的进阶过程，从而实现培养学生的计算思维。如Scratch“画城堡”一课，学生在看到城堡的图形时，如果运用已有的知识经验，可以通过逐句写程序，画出复杂的城堡，这样的操作显然较为繁复。如果教会学生在Scratch中，把画各种基本图形的脚本分别“定义”为不同的“过程”，学生把定义过程理解为建立一块块不同形状的“积木”模型，通过计算和Scratch编程，运用“定义过程——调用过程——组合脚本”一步步完成城堡的组建，实现解模过程。

我们再来看一则例子：Scratch“画正多边形”一课，以画正三角形为例。学生从已有的数学知识中可以轻松地计算出正三角形的内角是60°，外角是120°，同時，也已掌握在Scratch中编写“移动”和“旋转”的脚本，因此在教师的引导下，利用已有知识的迁移，学生很容易这样建模：通过重复执行3次“移动50步”“旋转120°”实现画正三角形，接下来，学生通过编写脚本、运行程序进行解模。这一过程正是思维发生的过程，学生的计算思维也在这样不断循环的“建模——解模”中培养出来了。

从这些课例中我们可以看出，计算思维教学模式是从实际问题出发，运用模型求解实际问题，“组块调用”这一思维方式就可以通过具体的问题进行分析、内化。学生通过结合课本和教师所教授的内容，自己设计方案、分析解决问题，不仅锻炼学生的建模能力，还可以提高学生运用所学数学知识和信息技术知识来分析、解决问题的能力，拓展学生对计算思维的兴趣，能够从简单的解决问题中，找到信息技术学习的乐趣，学会举一反三，有创新精神和实践能力，从旧知中有所感悟，有所启发，从而获得新的知识。因此，我们还可以说计算思维是将一个看似困难的问题重新解释成计算机模型，进行“建模——解模”解决实际问题的科学思维方式。

计算思维将影响每一个领域的每一个人，特别是对我们的学生和教师提出了新的教育挑战。加速的技术进步和巨大的社会需求迫使我们重新审视计算机科学最基本的问题。除了阅读、写作和算术之外，我们还要给每个学生的分析能力增加计算思维，计算思维将成为全世界每个人使用的基本技能。计算的思想将被使用在任何地方，这一目标构成了一个新的教育挑战。[3]

小学信息技术教学对于教育者进行计算思维的培养要求就更为具体化，学生在已有的知识架构上，可以层层递进式的积累与拓展。不怕学生在求知过程中出现错误，鼓励学生能够进行大胆的建模，发散思维，多种途径的解决问题，不断进行思维的创新。这就要求教育工作者能够不断提升自身素养，给学生传递出计算思维不再是停留于书本知识，还要结合实际的社会背景，引导学生进行一系列的探究活动，能够从最普遍的现象中找到其中蕴含的思维规律，信息素养的培养也是基础信息技术教育的重中之重。未来，就是要打好基础，从每一节课开始，跟上课程改革的步伐，不断推进教育的改革创新，不断深化教育的改革，信息技术课程体系也将不断发展，计算思维在其中有着更为重要的意义与作用，信息化时代不断吹起号角推动我们继续前行。

参考文献

韩杰.思维力：计算思维应用于小学信息技术教学的培养核心[J].课堂经纬，2019（1）.

李锋，赵健.高中信息技术课程标准修订：理念与内容[J].中国电化教育，2016（12）.

刘宜铭.如何在信息技术教学过程中培养计算思维[J].教育天地，2019（1）.