在编程教学中培养中小学生计算思维力的探索与实践

张庐

摘要： 中小学生处于思维发展的关键期，其中计算思维的发展尤为重要。本研究旨在探索在编程教学中培养中小学生计算思维的新型教学模式，通过编写适用于培养中小学生计算思维的教学案例集，开发编程课例和科技创新校本课程，营造科技创新的校园文化氛围，为区域内的信息技术教育提供有效范例。

关键词： 编程  计算思维  课程模型  评价

一、国内外计算思维培养研究现状

计算思维在国外以应用研究为主，主要集中在K-12阶段。我国在高等教育阶段研究计算思维较多，但计算思维的培养需要很长的时间，无法在高校一蹴而就，故而越来越多的学者将注意力集中到九年义务阶段中小学生计算思维的培养上。

很多学者将编程教育和技术产品相结合，研究如何激发学生兴趣，培养学生计算思维力。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》将计算思维列为四大核心素养之一，突出了在中小学推广编程教育的重要性;而中小学信息技术课程标准也将编程教育纳入中小学信息技术课程体系中。从实践的角度来看，在我国中小学阶段，利用编程教学提升中小学生计算思维的研究时间较短，教学效果不稳定，普及性还需要在教学实践中检验。

二、计算思维的概念

计算思维的概念在中国最早是由周以真教授提出的。计算思维在《普通高中信息技术课程标准》中的定义是：在信息技术教学过程中，针对问题抽象出相同的特征，把问题概念化，建立解决问题的模型，应用此模型解决其他相似的问题。

三、中小学生思维发展的特点

思维是“人脑内部显示的客观世界的状态，是人脑对客观事物的反映”。儿童思维发展有以下几个阶段的特点：

上表显示，小学高年级以及初中阶段的学生思维已经发展到可以抽象出事物本质，将事物概念化，并且可以通过逻辑推理的形式思考问题，这个阶段是思维发展的关键期。小学高年级阶段可以教授学生基本的计算机知识、计算机编程基础，让学生体验程序控制的技术，初步培养学生的计算思维。中学阶段计算思维的培养目标主要表现为积极运用计算机的基本知识和技能来解决现实问题，能够做出推理判断，合理分析问题，总结提炼出主要问题，利用事物之间的联系来处理问题，培养坚持不懈的探究精神。

四、在编程教学中培养中小学生计算思维的研究背景及意义

在信息时代背景下，世界上很多国家将少儿编程纳入中小学课程体系，给出了教育政策导向，为编程教学的课程实施提供了有力依据。但我国义务教育阶段信息学科的新课程标准并未明确这方面，学校的编程教育处于一片空白。很多中小学信息技术教师都不了解计算思维的含义，在课堂上注重理论知识的传授、知识技能的提升，缺乏对学生思维意识的锻炼，在课程教学中没有关注到学生计算思维的培养。因此，我们在中小学开展这项研究。此项研究具有多方面的意义。首先，引领教师专业成长。教师在研究过程中，学习理解学生计算思维的要素，设计出与计算思维要素相关的教学内容并融入课堂教学中，成长为符合时代发展要求的优秀导师。其次，要完善计算思维培养的课程体系建设。

深入研究和分析课程模型的构建，在编程教学中，运用自主探究的学习方法，引导学生运用计算思维处理问题，提出解决问题的有效方案。在学生学习过程中，观察学生的情绪状态是否积极，思考问题的习惯是否改变，思维能力测评是否达到预期效果，再根据实际情况对教学活动进行合理的调整及改进，形成可供参考的教学实践案例，研发培养计算思维的课程模型，在区域内起到示范、引领的作用，为国内的编程教学提供一个可借鉴的参考模式。

五、基于计算思维培养的编程教学实践研究

（一）研究方法

1.文献分析法：以计算思维和编程教学为关键词搜索国内外相关文献资料，了解国内外对计算思维的理论研究和基于学生计算思维培养的编程教学实践研究。

2.行动研究法：集体研讨教案，在教学实践中，分析合肥市高新区被试学生情况，根据学情及时调整研究方案，再次进行实践并将相关记录和经验总结形成文字材料。

3.实验法：立足实验对象，对比实验前、实验后对合肥市梦园小学、高新创新实验小学、高新创新实验中学学生计算思维量表数据，找到适合学生计算思维培养的方案。

（二）在编程教学及科技创新大赛中培养学生计算思维的探索实践

教学对象来自合肥市梦园小学、高新创新实验小学、高新创新实验中学。教学内容分为三类：小学以Scratch可视化编程为主，中学以C++语言编程为主，还有一类是以图形化编程linkboy和VJC软件编程为工具进行科技创新。具体流程如下：

1.在合肥市梦园小学、高新创新实验小学4—6年级，高新创新实验中学七年级、八年级开展编程教育必修课和社团课。必修课整合教材的拓展内容，主要包括Scratch初级创意编程;社团课涉及信息学竞赛（C++编程）、STEAM教育、机器人社团、科技创新大赛，利用课余时间，打造一批科技创新型学生团体。以社团课程为立足点，设计教学目标，将培养学生计算思维贯彻教学过程，指导课堂教学，不断摸索總结案例、经验，出版优秀教学案例集，形成一套独具魅力的中小学编程教育课程体系，在全区推广，为一线教师提供可借鉴的教学模式。

2.通过“专题培训”“专家讲座”“项目式学习”“主题分享”“评估评价”等一系列活动，让教师在备课、上课、课后反思以及拓展研究的过程中明确如何利用编程教学培养学生的计算思维，转变教学理念和行为，在教学实践中不断改进教学设计思路，开发出适合我区学生实际学习能力的校本课程，提升教师对校本课程的研发能力，促进编程教学和科技创新的发展。同时解放教师和学生思维，着力培养师生创造、实践、分享、团队协作等核心综合素质，实现教师与学生的共同成长，形成科技创新的校园文化特色。

3.进行实验授课，将被试学生划分为实验组A、对照组B、对照组C。实验组分为两类：图形化编程与文本语言编程学习。实验组都采用相同的教学设计。具体方法：（1）将小学学过编程的同学归为A组，没学过的归为B组，对比A组、B组学生的计算思维测试结果，得出一些启示。（2）将初中学过编程的同学归为A组，没学过的归为B组，在初中A组、B组学生学习一段时间编程后再进行计算思维测试，比较A组、B组学生结果，并得出一些启示。同时将在小学、初中都没有学过编程的C组学生作为对照组。

4.针对课本上的Scratch初级创意编程，高新区小学教师每人设计了一节精彩课例，再经过共同研讨、修改，形成了区本课程。在教学过程中教师先引出问题，再根据问题请学生规划需要的程序算法。在老师的引导下，学生探究完成程序设计，最后再总结出共同的规律。创新实验中学的信息学科竞赛课堂、机器人课堂、科技创新大赛课堂均采用项目化教学，引导学生运用所学知识，构思设计出新方法或者新事物。在创新合作、积极进取的学习氛围中，学生开阔了视野，拓展了思路。

5.利用问卷调查法，从认知、情感、意志三个维度，评测合肥市梦园小学、高新创新实验小学、高新创新实验中学的被试学生，分析这些学生在编程学习过程中计算思维的发展情况，根据分析结果，检验编程教学中的计算思维培养效果。

六、计算思维培养效果的评价

计算思维培养的有效性，需要通过评价来检验。学生的表达将自己计算思维意识外显化。

为有效解决问题，人们首先感知问题的表象;其次分析问题间的联系，抽象出问题的本质;最后判断、组合、设计出解决问题的最佳方案。这是人类意识中认知、情感、意志共同作用的活动过程。计算思维的一级评价指标定为认知、情感、意志。计算思维认知维度下的二级指标包括记忆、言语、抽象、想象。计算思维情感维度下的二级指标包括开放性、外倾性、责任心。计算思维意志维度下的二级指标包括自觉性、独立性、果断性、自制性。计算思维的评价量表如下：

基于上述量表，合肥市梦园小学、高新创新实验小学、高新创新实验中学的被试学生无论在小学还是在初中阶段，学习过编程或者参与过科技创新大赛的B组同学，平均分数要高于没有学习过此类课程的A组同学。而对照组C组同学（在小学、初中均没有学习过编程课程以及参与过科技创新大赛）的量表分数最低。

七、总结与展望

关于培养学生计算思维的研究越来越受到学者的关注，很多学者在实践中不断探索培养中小学生计算思维的方法。我们主要研究在编程教学和科技创新活动中如何培养中小学生计算思维，并取得了一定的成果。我们主要做了以下工作：

第一，分析国内外计算思维研究的现状，学习针对不同年龄阶段学生进行计算思维培养的方法和经验。我们了解到计算思维培养的研究正不断地向中小学阶段倾斜，明确了在中小学阶段发展学生计算思维的重要性。

第二，对计算思维的内涵和中小学生思维特点的分析研究，让我们找到了进行义务教育阶段中小学生计算思维培养的方向。

第三，我们探究了在中小学编程教学中培养计算思维的理论依据和策略目标，形成独特的编程教学、科技创新教学体系模式，带动区域课堂教学的创新发展。

第四，运用量表评价中小学生计算思维在编程学习及科技创新活动中的发展情况，通过对比分析实验前后的数据，检验在编程教学中培养计算思维效果并及时调整教学策略，设计出科学可行的课程模型并在全区范围内的信息技术课堂上推广传播。

第五，引导教师学习先进的教学理念，探索计算思维能力的要素，改变原有的教学习惯，创新教学设计，在编程教学中培养学生的计算思维，成长为适应新时代发展需要的创新型教师。

计算思维的培养是计算机教育领域的热门话题。将计算思维的培养融入中小学信息技术课堂，是信息技术课程改革和教学研究的重要方向之一。未来，我们将继续探索更有效的培养中小学生计算思维的教学策略。

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责任编辑：丁 蔚

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