基于TPACK框架的小学计算思维培养模式与实践

杨显忠

(怀化市铁路第二中学,湖南 怀化 418000)

1 TPACK框架

TPACK(Technologyical Pedagogical Content Knowledge)即整合技术的学科教学知识。密歇根州立大学的学者Matthew J.Koehler和Punya Mishra给TPACK下的定义是：一种“整合技术的教师知识的框架”。该框架建立在Shulman的学科教学知识(PCK)基础之上，并加入了技术知识(TK)。它是“学科内容、教学法和技术”这3种知识要素之间的复杂互动，是整合了这3种知识形成的一种新知识形式[1]。3种知识要素之间的关系如图1所示。其中，CK(Content Knowledge，学科内容)，如语文、数学、英语、科学等具体学科内容；PK(Pedagogical Knowledge，教学法知识)，是通用性的教学方法知识；TK(Technological Knowledge，技术知识)，是在教学中使用的技术的相关知识[1]。

图1 TPACK框架及其知识要素之间的关系

2 计算思维

2.1 小学阶段培养计算思维的重要性

周以真[2]认为计算思维是分析问题并用计算机的方式解决问题的思考过程，她指出计算思维影响着人们生活的方方面面，从科学、工程领域到医疗、法律、制造业等领域，计算思维代表着一种普遍的认识和一类普适的技能，每一个人都应该去学习和运用它。控制、判断、循环、并行、性能与限制、调试等重要的计算思维概念和实践与编程教育的核心概念与实践不谋而合，因此编程教育是计算思维培养的重要途径[3]。邓小平曾极具前瞻性地提出“计算机要从娃娃抓起”，最近国家也要求在中小阶段开设人工智能课程，推广编程教育[4]。发达国家非常重视青少年计算思维的培养，如奥巴马在任期间就投入1.2亿美元用于培训中小学计算思维课程师资。英国政府也要求所有K-12阶段学生必须学习计算思维相关的课程[2]。因此，在国内小学阶段培养计算思维还是非常有必要的。

2.2 小学计算思维培养现状

在学校内，信息技术课和中小学综合实践活动设计制作活动中都有编程教学环节，最近在山东、重庆等省市的小学也开始开设编程课程；另外还有受众不多的小学阶段信息学奥赛培养活动，以及国际学校中的计算机课程。这些编程课程或活动都是培养小学生计算思维的重要途径。

在学校外，少儿编程教育最近比较热门，很多公司或培训机构在进行在线一对一或一对多的编程教学，或是线下编程教学。现在也有很多在线学习平台。这些也是培养小学生计算思维的补充途径。

2.3 培养小学计算思维的方法

在小学开设专门计算思维培养课程，是培养计算思维最直接也最有效的方式。但由于计算思维课程需要专业师资、设备和课程时间等，只有在条件允许的地区才能实现。

另外，STEM(Science、Technology、Engineering、Mathenatics,科学、技术、工程、数学)教育与计算思维关系密切，二者相互促进，一方面，计算思维和计算工具的使用有助于STEM内容的深度学习；另一方面STEM教育有利于丰富计算思维培养的内容[5]。最新的小学科学课程标准把科学、技术、工程作为主要内容[6]，科学和数学是小学阶段师生花时间最多的课程。因此在小学阶段应该将计算思维与STEM教育进行整合，如在综合实践活动中将STEM内容融入计算思维培养中，在STEM课程中融入计算思维等。

3 基于TPACK框架的小学计算思维培养模式

由于小学阶段学生的计算机水平不是很好，如软件操作水平较低、打字速度较慢，并且抽象思维能力还不够好，因此选择可视化编程语言作为教学工具是比较可行的，比如Scratch等。考虑到STEM教育和计算思维培养探究、实践的特点[7]，再加上小学阶段学生的兴趣爱好，采用基于项目的学习方式比较适合。综上所述，笔者基于TPACK框架提出了在小学阶段培养学生计算思维的模式，如图2所示。

图2 培养小学生计算思维的框架

图2中，教学内容是STEM教育与计算思维整合后的内容，教学方法是基于项目式的学习，教学技术是Scratch。事实上对课程设计的要求很高，一般需要数学、技术、科学教师共同参与共同制定教学目标、教学内容。

国外学者认为计算思维与STEM教育结合后的领域主要有：数据与信息技能，建模和模拟技能，计算问题解决技能和系统思考技能[7]。如数据与信息技能包括数据的收集、整理、分析与可视化等，这些数学中常见的技能可通过计算机方式实现；STEM课程的问题可通过计算机模拟、建模方式实现。但在小学阶段，应该根据Scratch语言的适用范围和学生学习的实际情况取舍。在计算思维内容选择方面可以参考美国计算机科学教师协会制定的计算机科学标准(1-6年级)，在STEM教学内容选择方面可以参考小学数学课程标准和小学科学课程标准。

但是一堂课很难把STEM中每门课程内容都融入计算思维的培养，同样一堂课也很难把计算思维所有内容都融入进STEM课程。为了不增加学生学习负担，影响学生知识的掌握，建议把STEM内容和计算思维的某一个方面作为新的教学内容，如在融入了STEM内容的计算思维培养课中，把计算思维作为新的教学内容，而STEM内容是学生已经掌握的，在该课中主要是应用STEM内容。

在基于设计项目式学习设计教学过程，要考虑项目要解决的核心问题、学习目标、实践方式、学生协作方式、技术知识工具、最终产品等要素[8]。一般情况下核心问题和学习目标是对应的，科学实践方式是专家解决问题时采用的方式，需要协作、基于技术工具(scratch)等，并且最终产生产品。

4 基于TPACK框架的小学计算思维培养实践与反思

4.1 教学设计与实践环节

基于以上框架，笔者设计了一堂在综合实践活动课中以计算思维培养为主，融入STEM内容的课程。教学对象为小学4年级学生，已经能够计数、了解时间概念、进行加减运算、理解物体下落过程、理解物体左右移动过程、判断两个物体之间距离、知道母鸡下蛋事实，已经掌握了Scratch条件判断、随机数、计数和计时等内容的使用。

本课教学目的为：理解循环含义，会用循环语句模拟现实问题。本课采用分组教学，把学生按照能力分组，确保每组有STEM和Scratch知识水平较高的学习者，选一位小组长负责整组任务的计划、安排和协调，每组需要有一位发言人，用于与其他组分享经验和作品。本课要解决的核心问题是如何用循环实现对现实的模拟。主要教学过程为：

(1)导入环节。通过Scratch场景动画引入：Lily是德克萨斯州的一个小姑娘，在他们家里，有一座非常大的农场。一天中午，Lily的妈妈正在干活，为了招待家里来的客人，所以就由Lily去鸡舍中捡取鸡蛋。

(2)体验环节。让学生去体验这样的游戏：母鸡总拿棒球充当鸡蛋，并且每次棒球进入碗中，都会砸坏鸡蛋。并且鸡蛋落地也会砸坏。学生需要在指定时间接住尽可能多的鸡蛋，鸡蛋落地或者接到棒球都会扣分。玩完游戏后，小组讨论游戏规则，然后小组发言人发言。教师总结游戏的规则并提出任务要求：开发一个符合这样规则的游戏，游戏元素可以自由更换。通过引导，让学生认识到这个游戏要解决的关键问题是如何让物体反复出现和运动。

(3)新授环节。讲授循环的概念，用生活例子类比，让学生自己说出类似例子。演示如何在Scratch中实现循环。根据游戏规则分析游戏，和学生一起拆解游戏，分析游戏过程和元素，让学生对游戏有更深理解。

(4)实践环节。小组长和组员根据游戏拆解进行分工，小组成员各自在电脑上实践并完成自己需要的部分，主要是鸡蛋和棒球反复下落、接鸡蛋的碗反复移动、加分和计时的判断和实现。学生也可以根据小组讨论选择自己喜欢的元素，如把母鸡、棒球、鸡蛋和玩变成其他元素，但基本规则和过程要类似，小组内用的元素要统一。成功后就在发言人的电脑上把自己的部分添加上去。最后每个人把自己的部分添加上去以后，小组运行游戏并反复修改直至成功。

(5)展示环节。请小组发言人展示本组完成作品，并分享小组遇到的问题和解决方法，其他组评价并给出建议。教师最后总结。

4.2 反馈与反思

通过在某城市小学上课，利用问卷、项目分析、访谈等方法得到如下课程反馈：大部分学生学完本课后，能理解循环概念，并会使用Scratch实现简单循环，但是只有少数学生能灵活使用循环。这可能需要用额外时间让学生做循环的迁移练习，以便能举一反三。大部分学生对这种上课方式很感兴趣，学生认为这种上课内容和上课方式比较好玩。但是，小组任务分工及教师帮助方面需要加强，可以让小组成员参与更多需要新知识的实践，同时建议配备助教，助教可以是高年级的学生或实习教师等。

5 未来研究方向

笔者只进行了一次课程实践，为了能系统地研究基于TPACK框架的小学计算思维培养模式的有效性，需要进行更长时间研究。建议研究者采用基于设计的研究方法，整合校内外人力资源，集中各学科教师智慧，开发系统的计算思维培养课程，与高校研究者合作开展长期研究，不断优化课程内容。为了让人人都能享受到优质教育资源，可以将经过实践检验的课程放到网上，让更多学生能随时随地得到计算思维的训练；也可以在网上时行做一轮研究，优化课程，开发出更适合网上学习的课程。