基于计算思维的信息技术教学设计模式的研究

王蕾

教学现场

近期，多地陆续开展了以培养学生计算思维能力为主题的信息技术教学研究活动，提供了大量的课堂教学实践案例。但是在这些案例中，常见到教研主题与教学内容偏离的情况：教研活动以计算思维为引领，但在实际的教学过程中，教师仍然延续传统的教学模式，以“讲、模、练”为基本框架来组织教学活动，课堂并未出现明晰的计算思维的特征，以至于信息技术课堂仍然涛声依旧，未达到预期的目标。

问题分析

信息技术的核心学科素养包括信息意识、计算思维、数字化学习和信息责任四个方面。在上述教学主题活动中，教师主观上具有了计算思维的意识，但客观上缺乏计算思维的实践经验，以至于设计理念与设计过程背道而驰，甚至缺乏关联。

计算思维与信息技术教学的关系

1.计算思维及其特点

2006年3月美国卡内基梅隆大学的计算机科学系主任周以真（Jeannette M.wing）教授，在美国计算机权威期刊Communicatjons Of The AcM上，对计算思维进行如下定义：计算思维是指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之广度的一系列思维活动。

2011年，国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会（CSTA）对计算思维下了一个操作性的定义，即计算思维是一个问题解决的过程，包括以下特点：①制订问题，并能够利用计算机和其他工具来帮助解决该问题；②符合逻辑地组织和分析数据；③通过抽象，如模型、仿真等，再现数据；④通过算法思想（一系列有序的步驟），支持自动化的解决方案；⑤识别、分析和实施可能的解决方案，找到最有效的方案，并且有效结合这些步骤和资源；⑥将该问题的求解过程进行推广并移植到更广泛的问题中。

2.信息技术视域中的计算思维方式践行方式

计算思维的本质是抽象和自动化，其核心是解决问题所涉及的算法问题。计算思维由算法思维、评估、分解、抽象、概括五个方面构成。信息技术作为一门以“解决问题”为学习目标之一的学科，具有鲜明的计算思维特征。信息技术学科的思维关注学生的计算思维、批判性思维与创新思维。在中小学信息技术课程实施过程中，如何有效培养学生的计算思维，是中小学信息技术学科教师十分关注的问题。

编程课程与计算思维培养的关联

1.当前信息技术课堂在计算思维培养中存在的问题与不足

计算思维在信息技术教学中具有重要的意义，但从一种理论到具体的教学实践，其间还有较大的差距，很多信息技术教学设计仍然延续传统的“演示+操练”的模式，教师虽有着培养计算思维的想法，却苦于缺少具体的指导方案，而没有将想法付诸实践，这导致计算思维的教学实践案例较少，或者仅仅是披着计算思维的外衣，却有着传统教学的内核。

2.计算思维在儿童编程软件学习中的作用

儿童编程单元具有明确的任务主线，项目目标清晰，其作品可在短期内通过一定的程序达成。作为一种显性的、具有算法思维特征的内容，儿童编程软件具有门槛低、模块化、封装化的特点。借助儿童编程软件的设计，可以让信息技术教师明确计算思维的基本设计路径，以具体的内容载体，进行初期的教学设计尝试。

编程模块中培养计算思维的教学设计模式

在课堂教学过程中，基于计算思维进行的教学设计具有鲜明的特征。本文以儿童编程课程为例，探索基于计算思维培养的信息技术教学设计模式。

1.序化模式：算法思维——从任务导向到问题导向

算法思维是计算思维的重要组成部分，关注具有实际意义的问题，以问题求解的过程作为教学的导向，进而推动教学行进的过程。在基于计算思维的教学设计中，教学课件、学件及作业形式等，都应围绕算法的演进，进行针对性的教学设计。

（1）原设计

小学信息技术《Scratch图章》一课的教学重点为Scratch“画笔”模块中的“图章”“清除”命令，涉及Scratch“画笔”“外观”“动作”等模块的内容。在常规课的教学过程中，教师一般采用以下的流程进行教学：①介绍“图章”和“清除”命令；②演示“图章”程序的搭建方法；③学生练习编写“图章”命令的程序。

（2）思考焦点

在教师没有提供学习情境的前提下，学生为何要进行“图章”的学习？学习“图章”以后能做什么？哪些情况下需要使用“图章”？这些问题都未能进行有效的设问，因此学生对于“图章”的算法是缺乏心理预设的。在实际上课中，学生仅仅是在模仿教师的程序搭建过程，而并没有进行有效的自我构建。这样的学习过程，是机械学习的技能模仿，缺乏必要的计算思维过程。

（3）改进型设计

在基于计算思维的“图章”教学过程中，首先确定教学重点为“图章”程序的自然语言表达。选择从生活中提炼具有实际意义的活动为任务目标，将问题的解决作为推进教学过程的导向主线。在此基础上，以问题的逐步解决来分层进行学习，通过具体的活动载体来承载学习任务。

在《Scratch认识图章》这一课中，首先确定问题主线，进行与此相关的问题组件设计，层层推动任务行进路线，进而将认知内容具体化（如图1）：

导入设问：教师展示只有一个花瓣的图例，询问学生，可否称之为花朵？学生质疑，花瓣数量不够→问题产生：如何能在较短时间内，形成一朵完整的花→师生进入新授环节。

任务解问：一花一世界→解决花瓣的瞬间复制问题；五彩烂漫时→解决花朵的变色问题；动态花精彩→解决花朵的循环旋转问题。

扩展追问：导入不同角色的花朵，促发学生思考，如何能让这些花朵达到心仪的动作方式→学生探索实现途径→通过修改程序、尝试程序积木的方式来获得任务的达成。

总结考问：学生总结四个任务的实现过程，梳理出程序思考的过程，绘制出共性的流程图，并结合今天的主题进行Scratch的功能链接，从而加深意义学习的过程。endprint

教学评析：在基于计算思维的教学设计过程中，学生带着算法进行有目的的任务推进活动。导入部分，教师提出了明显的问题要求，给学生明晰的解决方案，此时的目标是合理的、符合儿童认知规律的；问题的层层推进，推动学生不断地进行有关算法的思维过程，从四个显性问题的解决中，潜移默化地学习了隐性的知识内容。

2.回溯模式：分解思维——从任务拆解到认知叠加

分解思维是计算思维的重要组成部分，它要求学生不仅能够理解算法的过程，还能够通过具体的实例对算法进行分解，明晰每一个部分的具体意义。通过回溯算法等方式，将任务进行逐步的拆解，再根据实际情况进行认知内容的叠加，从而形成明晰的結构主线。

（1）原设计

在Scratch的“旋转方式”模块的学习中，常见的设计方式是教师演示小猫的旋转过程，指出实现旋转的程序模块，再带领学生进行相关的练习。

（2）思考焦点

常规的教学过程，教学思路并无错误，但是仔细思考，小猫自身是缺乏旋转的实际意义的，它只是被旋转，因此，程序本身与小猫的旋转只有技术关联，缺乏意义关联。在学生完成一个任务后，没有出现对程序进行分解的路线支架，所以学习过程机械单调，难以深入。

（3）改进型设计

教师将“旋转方式”作为一种角色运动的程序支架，让实物的旋转和程序同期出现，让学生思考角色和程序之间的关联。在完成了第一组“角色+程序”的组合之后，再出示另外的“角色+程序”组合，给学生充分的回溯思维的过程，以达到知识迁移的目的（如图2）。

教师提出问题：从一个花瓣变成十个花瓣的脚本入手，分析脚本与动画之间的关系。

学生思考：一个花瓣是如何变成十个花瓣的，并将猜测的结论通过程序来进行验证，并最终得出将“向左或右旋转360/10度”，在“复制”“粘贴”的过程“重复10次”后，可以得到十瓣花的结论。此时，教师留下问题：“旋转角度”和花瓣数量之间有什么样的联系？

教师依据上面活动的结论，提出“数字与逻辑运算”中的关联。课件中继续出现四瓣花、五瓣花、七瓣花，让学生对相应的脚本进行自然语言的表达。自此，突破本课中的教学难点：旋转角度和花瓣数量之间的联系。

教学评析：在基于计算思维的教学设计过程中，教师将着力点从讲解程序的编写过程，改变为让学生分析程序的组合原理。通过对每个花瓣的旋转角度的分析，学生可以理解到“数字和逻辑运算”模块中运算的自然意义。学生在对实物与脚本的对应分析后，加深了对程序本身的理解，也巩固了思维过程的严密性。通过教学实践，此教学设计的学生作品达成率较多，收到了良好的教学效果。

3.变量模式：抽象思维——从学习泛配到个性适配

计算思维强调解决问题的策略具有多途径性和一定的开放性，鼓励学生能够在合理的情况下，通过多种方式来解决实际问题。与传统的信息技术设计不同的是，计算思维对于个体的适配性更为贴切，鼓励学生运用多种信息化的工具解决问题。其中，变量作为一项任务推进体，承担着学习过程的落实作用。

（1）原设计

在《PC LOGO定义过程》一课中，常规的设计方式一般采用以下的教学流程：教师演示一个正方形的绘制方式→讲解如何用定义过程的方式绘制正方形→让学生练习如何通过定义过程的方法绘制正方形→教师演示如何通过repeat与定义过程组合，绘制出较为复杂的图形→学生进行拓展练习。从程序自身而言，这样的设计是合理的，但是实际教学中，常常出现学生只会画正方形组成的图形，而无法迁移到其他图形的情况，造成千篇一律的尴尬状况。

（2）思考焦点

在本节课设计中，程序编写单元的逻辑结构严密，具有一定的教学难度。因此教师在教学此内容时，往往会依据经验，采用较为保守的讲授式教学模式。但是此教学模式突出的问题在于常导致学生只知其然，却不知其所以然，学习过程模仿的痕迹明显，没有必要的迁移和拓展过程，缺乏个性化的作品呈现。

（3）改进型设计

基于计算思维的教学设计中，将注重从学习任务中提取出具有变量特性的元素，将其应用于学习过程中，以此开展构建个性化的作品（如图3）。

教师从奥运五环导入，分析五环是如何演变出的。（分析其组成，找出其中的变量）

学生分析出圆形的组合规律后，进行基于圆形的图形绘制，尝试出多圆组合的形式。

教师再引导学生分析：“利用定义好的基本图形，可以画出这样的一组图形吗？”让学生根据课件中的内容分析组成复杂图形的变量。再给学生思考的空间，由点及面，进行多层次的变量定义。

学生定义正方形→正方形组合；定义三角形→定义三角形组合。

教师分析多定义命令的程序。

学生定义两个基本图形→绘制正方形、三角形组合的复杂图形，并进行自我喜好的作品加工。

教师引导学生在作品中找出共性的内容，反思自己的作品，进行更富有个性化的图形绘制。

教学评析：对比传统的以讲解过程为主的教学设计，基于计算思维的教学设计注重变量引发的变式，用变式带来学生个性化的问题解决方案。在基于计算思维的《PC LOGO定义过程》的设计中，教师将更多的关注点放在了引导学生思考如何能定义原理，定义过程后如何利用变量进行创作，自我的设计思路和变量之间的逻辑关系是怎样的等问题上通过此设计，学生在教学中创作了大量丰富多彩的作品，让编程软件真正成为个性化的创作工具。

总结与展望

基于计算思维的信息技术教学设计，鼓励学生依据科学的方式进行学习，通过算法思维对问题解决的框架进行了梳理，通过分解思维对问题实现的路径进行了解析，通过抽象思维对自然语态下的活动进行了项目化的提升，掌握了深度意义学习的精髓。在进行计算思维的过程中，要注意以下几点：①计而不算。计算思维虽然分为算法思维、评估、分解、抽象、概括五个过程，但这五个过程之间是相互依存、相互促进的关系。如果只关注分析问题，而不进行必要的数值逻辑计算，那么解决问题的途径只能是纸上谈兵，无法落地。②只算不计。与计而不算相对应的是只埋头进行计算，而忽视了整个的问题框架的设计。算法固然重要，但仍然要合理合情地进行，在同等条件下，要寻求最佳的解决途径，寻求最佳性价比。③计算而思。计算思维是信息技术课的灵魂，作为教师，要能够积极地唤起学生多角度的迁移能力和拓展意识，避免封闭的、线性的认知习惯。百花齐放，才是信息技术课堂正确的打开方式。endprint