体育游戏培育计算思维的活动设计与实践研究

摘要：计算思维是智能社会必备的思维方式，其并非计算科学领域独有，而是存在于各个学科。计算思维教育应从低龄儿童抓起，并以编程教育为锚点展开，然而很多国家及地区由于经济条件限制，无法在学校开展编程教育。基于上述问题，本研究采用案例分析法，以选择排序和二分查找算法为教学内容设计学习主题“寻觅幸运儿”，继而实施、评价与优化教学，以期寻得低成本的计算思维教学模式。通过前、后测数据对比，本研究发现，以算法原理为根基的小学体育游戏教学可以有效促进学生理解并掌握算法概念，进而提升学生的计算思维水平。因此，在小学体育游戏中融合算法原理是发展低龄儿童计算思维的行之有效的教学模式。

关键词：算法；计算思维；小学低年级；跨学科；体育游戏

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）14-0039-06

引言

计算思维伴随着计算机的发展已然成为人类不可或缺的思维方式。它指向计算机解决问题的指令与流程，同时也指向人类利用计算机解决问题的意识与过程。[1]然而，它并不独属于计算科学领域，而是随着计算机的普及，逐渐渗透到其他学科领域。因此，计算思维具有显而易见的跨学科属性。

教育部2022年颁布的义务教育阶段各学科课程标准打破了学科间的壁垒，如《义务教育体育与健康课程标准（2022年版）》《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）均有一定比例的跨学科主题学习要求，但鲜有研究表明如何跨学科培养学生的计算思维。

编程学习是培养学生计算思维的载体，并且逐渐走向低龄化。皮亚杰的认知发展理论认为小学低年级学生思维凸显表象性，需借助具象事物学习抽象概念。因而，学生借助体育游戏，以肢体为媒介学习计算思维具有一定的可行性。此外，由于教学条件的限制，国内很多小学并未开展编程教育，而体育游戏无疑是简单易懂、经济实用的编程学习方式。

针对以上现状，并结合学生生理特点及学习起点，本研究以选择排序算法及二分查找算法为学习内容，采用案例分析法，设计学习主题“寻觅幸运儿”，以验证在小学体育游戏教学中渗透算法原理教学能否有效促进学生计算思维的发展。

文献综述

1.计算思维

计算思维是指采用计算机的概念及原理处理问题、设计系统、理解人类行为的方法[2]，其与数学思维、工程思维、科学思维息息相关。在分析、解决问题的过程方面，它与数学思维有共通之处，在设计、验证系统等方面，它囊括了工程思维，在可计算性、人类智慧与行为方面，它体现了科学思维。[3]此外，计算思维也被视为一种利用计算机处理思维活动的能力[4]，包含编程涉及的计算概念、解决问题的计算步骤、了解世界的计算视角。[5]

在本研究中，计算思维指人类运用及模拟计算机处理问题的算法机制，即分析及分解问题，抽象及符号化问题，转化为可供计算机处理的计算模型，最终自动化处理问题。

2.编程教育

（1）编程是计算思维的载体

编程教育逐渐面向低龄儿童，我国面向小学生的编程教育最早出现在2000年，随着2017年《新一代人工智能发展规划》[6]的发布，编程教育被正式纳入中小学教育大纲。编程是培育学生计算思维的重要载体，学生通过编程学习理解计算机工作的底层原理，最终在计算机的助力下解决问题。[7]

传统编程教育依托显示器与计算机CPU互动完成编程学习，然而计算机屏幕严重伤害儿童视力。因此，越来越多的学者投入到无屏幕编程教育的研究中，从研究结果看，无屏幕编程可以有效促进儿童计算思维的发展。[8]无屏幕编程教育指不依托电子显示屏的编程教育教学活动，也可称之为不插电或玩具化编程教育[9]，提议学生通过物理活动或设备开展编程学习。物理活动以积木、卡片等任意有形物体表现编程逻辑。物理设备共有两类，一类是编程机器人，如Bee-Bot Robot，另一类则是物理机械设备，如Code Monkey Island。物理设备往往造价高昂，物理活动则成本极低。[10]体育游戏是一种以身体为载体的特殊编程学习物理活动，技术学习应当遵循具身性，还原学习本质，充分发挥肢体的介质性，关注学生自身体验，加强技术与身体的链接与耦合。[11]

所以，本研究以体育游戏为编程学习的载体，让学生用肢体动作模拟算法原理，达到体验及学习编程的目的。

（2）算法是编程学习的核心

计算思维涉及概念和策略两个维度的内容，工具、数据、算法、系统是计算概念中的关键学习对象。算法是人为设定的计算机重复加工及计算的逻辑与规则，是计算机处理问题的核心机制。[12]计算机程序的底层原理是算法，编程教育在返璞归真后，应当以“算法”为核心学习内容。[13]

世界万物本无序，当万物抽象为符号与数字后，诞生了林林总总的数据与信息，这便为算法提供了可执行对象。计算机利用排序算法变无序为有序，再使用查找算法在有序的信息中锁定目标对象。

本研究的学习主题“寻觅幸运儿”将选择排序和二分查找算法作为教学内容，以算法的体验与学习代替编程技能教育。

3.跨学科学习

计算机的信息加工以及计算能力使其具备学科普适性，这使得许多学科越发依赖计算机解决学科问题，面临计算机化的挑战。古语道，“道无处不在”，在科学领域，“道”指本质属性和底层规律，所有的学科均有其“道”，经过抽象处理后表现为“计算模型”。

（1）探索低成本培育途径的必要性

新课标规定，小学低年级学生通过使用数字设备，体验设备操作步骤学习计算思维。[14]但由于我国教育资源分配不均，大多数学校无法支持学生体验数字设备，因此有必要探寻计算思维的低成本培育途径。

（2）组织跨学科学习主题的必然性

新课标提倡打破学科边界，实现全学科育人，且规定须组织跨学科主题学习。[15]跨学科主题学习强调实践性、真实性和综合性，可立足于任务实践，在情境中习得学科概念。[16]跨学科主题学习有助于改善学科知识互相独立的现状，让学生学会综合应用全学科知识。计算思维天然的跨学科属性使其满足跨学科主题学习内容要求。[17]

（3）构建具身性编程教育的可行性

体育游戏教学符合小学低年级学生心理及生理认知特点，体育课标将其设置为重要教学内容，以提高学生参与学科学习的主动性与积极性。[18]而在学科融合育人的背景下，适当改编体育游戏能使其符合新时代的育人要求。[19]所以，在具身性编程教育中，可以基础体育技能模拟算法原理，使学生身临其境体验算法逻辑。例如，摒弃单一的技能训练，以走、跑、跳等基础体育技能模拟循环算法原理，当学生听到教师的指令后需做出动作回应。指令如“一直往前跳，听到口令则结束”“当听到口令时往前走1步”，分别对应循环算法中的“直到型循环结构”“当型循环结构”。

研究设计

1.研究对象

W小学数字教学设备老旧，无法为学生提供数学体验设备。本研究经过预实验最终确定以W小学201班全体学生（共30名）为研究对象。

2.研究方法

本研究采用案例研究法，分三步进行。首先，根据教学设计实施教学；其次，基于上课数据分析教学过程；最后，形成教学结论反向促进教学设计。

3.教学设计

（1）教学内容

本研究以“寻觅幸运儿”为学习主题，基于体育基本技能“队列队形”及计算科学概念“选择排序和二分查找算法”展开教学活动。

（2）学生特征

根据皮亚杰认知理论，小学低年级学生的思维还未发展到具体运算阶段，表5/Vyv/KdMPFE6mL/7jjqvA==象性思维突出，抽象思维刚开始形成，需借助具象事物理解抽象性概念。同时，学生在该阶段精力旺盛，因此该阶段是学习体育技能和发展体能的敏感期，是培养体育爱好、养成坚韧品格和团队协作精神的关键期。

（3）教学目标

体育与健康学科教学目标：理解并掌握队列队形的运动技能，养成遵守纪律、听从指令的好习惯。

小学信息科技学科教学目标：通过体育游戏模拟算法原理，在游戏中体验并理解选择排序和二分查找算法的底层逻辑，进而发展计算思维。

（4）教学重难点

重点：队列队形的游戏规则的讲解与实践。

难点：让学生在游戏过程中沉浸体验算法的底层原理。

（5）课时安排

共3个课时：第1课时采集学生前测结果，再以动画的形式介绍游戏规则。第2课时完成案例一教学。第3课时完成案例二教学，并完成学生后测数据收集。

（6）教学活动设计

学习主题“寻觅幸运儿”的教学活动过程如上页表1所示，两个案例的教学环节均由开始、准备、基本、结束四个部分组成。

（7）教学评价设计

本研究根据三段式测试原理，将每一道教学测评题细分为答案、依据、信心三个维度[20]，并且根据学生的得分，将测试结果分为掌握牢固、含糊不清、基础薄弱、知识欠缺四个水平。

如表2所示，每道题对应的三个维度全部答对表明学生牢固掌握知识，得3分。答案、依据两个维度均答对，但最后一个维度答错，表明学生知识含糊不清，得2分。答案和依据两个维度仅答对其中之一，表明学生知识基础薄弱，得1分。学生三个维度均答错则表明欠缺相关知识，得0分。

如表3所示，本研究将评价内容分为序数与排序、选择排序算法、二分查找算法三个部分。序数与排序是排序算法的基础概念，Q1用于测试学生序数与排序的概念掌握程度，Q2、Q3用于测试学生选择排序算法掌握水平，Q4、Q5用于测试学生二分查找算法理解水平。

研究结果与讨论

本研究使用教学测评题（如表3）测试学生选择排序和二分查找算法原理的认知起点，并且在研究实施后让学生再一次完成表3内容，两份数据被作为研究的前测以及后测数据。二年级学生阅读能力薄弱，因此在测试过程中，需要给学生提供相应的协助。学生前测和后测均发放30份测评题，回收30份，回收率100%。

本研究样本量仅有30，因此采用夏皮洛-威尔克法进行正态性分布检验，结果如表4所示。由表4可知，学生前、后测数据的夏皮洛-威尔克检验显著性水平均大于0.05，说明前、后测得分符合正态分布，可进行配对样本t检验。

学生样本配对t检验结果，如表5所示，sig（双尾）=0.000，说明学生体育游戏教学实施前、后分数间具有极显著差异。

由表6结果可知，学生前测分数平均值低于2，算法原理维度的测验分数甚至低于1。学生后测分数显著高于前测，其中序数与排序维度的得分均值甚至接近3，选择排序算法维度得分接近2.5，二分查找算法维度则大于2。

依据测试题计分标准（如表2）可知，学生在前测阶段对选择排序和二分查找算法的概念与原理几乎一无所知，后测阶段则基本理解了两种算法的底层逻辑。

综上所述，算法原理植根于体育游戏教学可有效促进小学低年级学生理解与掌握算法概念与逻辑，推动学生计算思维的发展。小学体育与健康学科跨学科培养小学低年级学生的计算思维具有可行性。

结语

算法是计算机科学家设计的可供计算机运算的指令，是计算机处理问题能力的核心。由此可见，计算思维教育的关键在于让学生感悟和理解算法概念与原理。目前，对学生计算思维的培养大多以编程教育为基石，然而由于教育资源分配不均，发展滞后的国家或地区无法为学生提供编程学习的硬件设施。体育游戏的趣味性与易学性符合小学低年级学生的生理及心理认知特征。在游戏过程中，学生以身体为媒介，解密算法概念与逻辑。此外，以体育游戏培养小学低年级学生计算思维的经济成本微乎其微，为欠发达地区低龄儿童计算思维的培养提供更多可能性。

后续研究将持续丰富体育游戏跨学科培养低龄儿童计算思维的相关教学案例，探索其他算法概念融入小学体育游戏教学的途径，实现计算思维教育的低龄化、高效化与低成本化。

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