基于问题解决的计算思维培养模式探析

杨娟

摘  要 随着信息技术的飞速发展，信息技术教学迎来诸多变革与挑战。在此背景下，计算思维受到人们更多的关注，并且成为信息技术学科四大核心素养之一，因此有必要尽早开始对学生的计算思维进行培养。以促进计算思维培养为目的，构建针对小学生的有效教学模式，以期在实践中提升学生的计算思维能力。

关键词 计算思维;问题解决;信息技术;核心素养

中图分类号：G622    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）17-0074-03

0  前言

信息技术的飞速发展，不仅改善了人们的日常生活方式，也加深了人们对计算机学科的理解与认识。以计算机为代表的数字工具已成为人们生活中不可或缺的一部分，特别是近年来大数据、人工智能的出现，使得计算思维被公认为21世纪人类所必备的关键技能之一，是信息社会中数字公民应具备的基本素养[1]。计算思维在众多行业和社会领域展现出的计算优势，正引领社会变革并成为学生观察和理解社会的一个新视角[2]。计算思维已成为个体在信息时代复杂的技术文化中获得成功的必备基本技能[3]。那么，如何培养学生的计算思维，以及如何在具体的学科教学中有效地渗透对学生计算思维的培养，将具体的教学内容与计算思维进行有效融合等，成为困扰一线教师的主要问题。

目前，信息技术课程已被纳入中小学生的必修课目且在国内已基本普及。有些地区为调动小学生对编程的兴趣以及提高他们的课堂积极性与探索性，开始尝试将Scratch、

App Inventor等可视化编程工具引入课堂教学中。这些工具的引入虽然在很大程度上调动了学生的学习热情与兴趣，但在日常教学活动与教学目标中并没有体现出对计算思维培养的相关要求，更没有明确计算思维培养的具体方法、策略以及可供操作的教学模式等，使得计算思维的培养还仅停留于政策或理论层面，缺乏常规的应用实践。因此，有必要重新设计小学信息技术课堂教学方式，设计出有利于促进小学生计算思维培养的教学模式，将计算思维的相关理念与具体的课堂教学环节进行有效融合，从而实现培养学生计算思维的目的。

1  计算思维定义

1.1  什么是计算思维

通过文献检索发现，计算思维并不是一个新概念，早在20世纪五六十年代就已经初见端倪，但那时深受计算机等同于编程观念的影响，将计算思维等同于算法思维和程序思维[4]。2006年，周以真教授在其发表的Computational Thinking一文首次提出：“计算思维就是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学广度的一系列思维活动。”[5]这篇文章的发表引发了国际社会对于计算思维本质、特征及其内涵等方面一系列讨论。2011年，周以真教授对计算思维的概念作了进一步的补充：“计算思维是一种解决问题的思维过程，能够清晰、抽象地将问题和解决方案用信息处理代理工具所能有效执行的方式表述出来。”[6]

通过对计算思维相关概念的整理与分析，结合实际教学现状和小学生的认知特点，研究将计算思维理解为问题解决的思维方式，即计算思维是人们在解决问题的过程中所产生的一系列思维活动过程，它通过化简、抽象、建模、迭代等方式，将一个较复杂的问题分解成若干个简单的、便于理解的小问题，最后再通过信息处理代理工具实现问题的有效解决。简单来说，计算思维是人们在解决问题的过程中所采取的主要方法与步骤，并且这些方式最终能够借助计算机等工具自动执行。

1.2  计算思维的核心要素

信息技术学科核心素养的提出，使得近年来关于计算思维的研究越来越多，如何培养学生的计算思维？如何在课堂教学中有效地渗透对学生计算思维的培养？学者对此进行了众多探索。目前关于计算思维核心要素的说法主要有两种：一是由美国麻省理工媒体实验室（MIT）的Lifelong

Kindergarten Group提出的计算思维的三维框架，包括计算概念、计算实践、计算观念，该三维框架的提出为计算思维的评价提供了有力的参考依据[7];二是南安普敦大学的Cynthia Selby和John Woollard兩位博士在此基础上将计算思维进一步细化，提出计算思维主要包括分解、抽象、算法思维、评估和概括这五个要素[8]。每个要素的具体阐释如下。

1）分解（Decomposition）。通俗地说，分解就是将复杂问题简单化的过程。当学生遇到较复杂的、不能马上给出解决方案的问题时，教师引导学生尝试将问题进行有效分解，简化成一个个易于解决的或者能够与自身已有的知识相类似的小问题。

2）抽象（Abstraction）。抽象就是让问题或系统变得更加明确，将问题情境中一些不相关的或者重复的信息摒弃，并能够根据情境中所呈现的问题特征，借助思维可视化工具（如概念图、思维导图或流程图等）将隐性的思维过程显性化，从而能够为算法设计和程序搭建做好前期准备。

3）算法思维（Algorithmic Thinking）。算法思维就是将问题解决方案利用计算机有效地执行，将抽象建模过程中所绘制的图示转化成计算机语言，在小学阶段主要是转换成可视化编程的积木模块。这是人机交互的一个关键阶段。

4）评估（Evaluation）。评估就是按照一定的标准评判某一个方案或作品是否最优、最有创意等。在本研究中，不仅需要评估学生最后所呈现的作品，还需要评估学生是如何发现问题、分析问题以及解决问题的。

5）概括（Generalization）。概括是将问题解决的方法或步骤进行有效归纳与总结，形成一个较为通用的解决方案，以方便将来遇到类似问题时能够迅速提取以便顺利解决问题。

2  基于问题解决的计算思维培养模式的构建

以具体任务为导向的教学方式在中小学课堂中十分常见，这也是当今信息技术课堂教学中的主流方式之一，如图1所示。教师通过创设问题情境激发学生学习兴趣，引发学生积极思考，实现新课的导入;随后，适时地进行新知讲授，并呈现一些具体的任务要求，引导学生一起分析任务;让学生根据要求尝试动手操作，在此过程中进行课堂巡视并给予学生一定的帮助;最后由学生展示自己的作品，带领学生进行课堂小结。这种常规的教学模式以教师讲解或操作为主，学生只需按部就班地跟随教师的指示与操作即可，思维参与过程相對较少。

该流程对于学生知识与技能的掌握有很好的效果，但是缺乏对学生思维的培养，尤其是计算思维的培养，不利于新时期对于发展学生核心素养的要求。因此，十分有必要重构信息技术课堂教学模式，将计算思维的培养纳入信息技术日常教学环节，并通过具体的课堂教学活动，有目的地培养学生的计算思维。

结合上述理论依据，研究者重新设计了信息技术课堂教学流程（如图2所示），围绕教师和学生活动展开，将计算思维的五个核心要素融入教学过程中，从而构成问题解决模式的教学流程，在整个教学过程的每个环节都侧重于计算思维的某一要素培养。

2.1  教师活动

2.1.1  创设情境，导入问题  教师通过创设问题情境，将学生的注意力迅速转移到本节课的教学内容中，激发学生的学习兴趣与探究热情。随后组织学生分小组进行讨论，抽象问题情境中想要表达的中心思想或主题，引导学生摒弃情境中多余的、无关的信息，从而确定问题。

2.1.2  组织讨论，分解问题  待问题明确后，教师需要引导学生回忆是否解决过类似的问题。若学生已解决过类似的问题，则直接提取问题的解决方案;若无，则需对问题进行进一步分析。在分析问题的过程中，尝试对问题进行分解，将其分解成较小的、便于理解或易于解决的小问题。

2.1.3  引导学生抽象建模  教师需要及时引导学生借助流程图或思维导图等思维工具，基于上一环节的分析对问题进行抽象建模，勾画出问题解决的关键步骤，并对细节部分进行有效处理，从而系统和全面地把握问题。

2.1.4  引导学生动手操作  学生借助可视化编程工具将所绘制的图示转化为可供计算机执行的程序，并不断地调试与测试程序，直到程序能够顺利实现自己的预期目标。

2.1.5  交流展示，评价反思  在课堂展示环节，教师需要鼓励各小组积极分享并阐述作品从构思到最终完成这一整个流程，其他学生则需对展示的作品进行评价，提出自己的想法或建议。

2.1.6  总结评价  及时的总结与归纳有利于实现学习迁移。故而教师在课堂的最后环节需要引导学生针对所学内容进行有效概括、总结或搭建知识框架，从而实现有意义的学习。

2.2  学生活动

2.2.1  进入情境，明晰问题  能够根据教师所描述或创建的教学情境，明晰本节课的教学内容与教学目标。通过小组讨论的方式，分析问题情境中所描绘的问题状态，摒弃无关的信息，抽象出问题的关键特征，从而确定问题。

2.2.2  小组讨论，分解问题  为能够顺利解决问题，小组成员积极展开头脑风暴并将问题进行分解，提出解决问题的可行方案。

2.2.3  绘制图示，抽象建模  学生在教师的引导下尝试利用思维导图或流程图将头脑中隐性的思考过程用图示的方式显性化，对问题的解决方案进行抽象建模，整体上对问题进行系统把握。

2.2.4  搭建程序  明确了问题解决方案后，学生需要借助可视化编程工具将思考过程中所绘制的图示转化为计算机能够识别的程序语言，并不断调试程序，初步实现问题的解决。

2.2.5  展示交流  在课堂的展示环节，学生不仅需要积极参与对同学作品的评价，还要积极地展示、分享自己的作品以及阐述设计思路，并根据同学和教师的建议再次修改、完善作品。

2.2.6  总结  在课程结束前，尝试概括总结本课的教学内容与重难点，整理出问题解决的思路与关键步骤，从而为学习迁移做好知识储备。

整个教学过程始终围绕教师活动与学生活动展开，教师承担着把控整个教学过程、管理课堂秩序、规划课堂具体环节等职责。教师在教学过程中需要有目的地引入或创设问题情境，激发学生的情感[9]，并引导学生秉持积极主动的兴趣，根据问题情境展开小组讨论，从而发现问题、确定问题，而后围绕问题解决进行计算思维各要素的培养。

3  结语

思维的培养不是一蹴而就的，它是一个长期、持续的过程，作为信息技术学科核心素养的计算思维更是承担了重要作用。因此，十分有必要在小学阶段开始加强计算思维方面的培养与训练，在课堂教学中开始有目的地渗透对学生计算思维的培养，通过具体的项目或任务将学生隐性的思维通过一系列的项目、活动展示出来，从而实现对学生计算思维培养的目的。

参考文献

[1]张立国，王国华.计算思维：信息技术学科核心素养培养的核心议题[J].电化教育研究，2018，39（5）：115-121.

[2]胡科，江凤娟，丁旭.计算思维培养中教育者的角色分析：基于2018年ISTE《教育者计算思维能力标准》的解读与启示[J].现代教育技术，2019，29（9）：39-45.

[3]BUNDY A. Computational thinking is pervasive[J].Journal of scientific & practical computing，2007（2）：67-69.

[4]刘敏娜，张倩苇.国外计算思维教育研究进展[J].开放教育研究，2018，24（1）：41-53.

[5]Wing J M. Computational Thinking[J].Communication of the ACM， 2006， 49（3）：33-35.

[6]Research Notebook： Computational Thinking： What and Why？[EB/OL].（2019-11-20）[2021-01-22].https：//www.cs.cmu.edu/link/research-notebook-computational-thinking-what-and-why.

[7]范文翔，张一春，李艺.国内外计算思维研究与发展综述[J].远程教育杂志，2018，36（2）：3-17.

[8]谢忠新，曹杨璐.中小学信息技术学科学生计算思维培养的策略与方法[J].中国电化教育，2015（11）：116-120.

[9]赵慧臣.STEM教育视野下中学生探究学习的设计与实施[J].现代教育技术，2017（11）：26-32.