新课标理念下如何培养中小学生计算思维

邹卫华

摘要：本文基于《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》对计算思维培养的要求，对学校应做好哪些计算思维培养的教学准备进行了阐述，并通过“利用三维场景感受身边算法，启蒙计算思维;利用零代码平台分解与建模，形成计算思维;熟悉纯代码语言的核心概念，提升计算思维”三个编程项目，探讨如何培养学生的计算思维，以期能够为中小学信息技术教师提供更多的教学方法参考。

关键词：计算思维;编程;新课标

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）14-0060-03

2022年4月，教育部发布了《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”），指出信息科技课程要培养的核心素养主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。这四个方面互相支持、互相渗透，共同促进学生数字素养与技能的提升，其中的计算思维是教师们最关注的点。同时，新课标的课程内容提出了数据、算法、网络、信息处理、信息安全、人工智能六条逻辑主线，而算法是计算思维的核心要素之一，也是人工智能得以普遍应用的三大支柱（数据、算法和算力）之一。新课标在学段目标与学业质量中要求让学生能熟悉常用的算法描述风格与方式，理解算法执行的流程，能利用自然语言、流程图等方式，描述求解简单问题的算法，并能利用编程对设计的算法及过程与控制进行验证。

笔者在实际教学中发现，编程是算法最直接的表达和最好的验证，也是培养学生计算思维的方法之一，让学生学习编程语言不仅能使其掌握编程技能，还能使其领略编程背后蕴藏的重要的思维模式。因此，在中小学信息技术教育中，教师可借助编程语言有效培养学生的计算思维。

培养计算思维的教学准备

1.学科融合的师资准备

在信息技术学科中，信息技术教师是执行计算思维培养的主体，但计算思维中的算法与数学学科有着密切的关系，因此在算法及编程教学中，信息技术教师要多与数学教师交流，融通“信息技术”与“数学”这两个学科的教学，在设计编程等校本课程时，最好由两个学科的教师协同教学，厘清学科知识边界。具体来说就是，信息技术的知识与技能由信息技术教师准备，数学的知识与技能由数学教师准备，最后再由信息技术教师统筹规划整体的教学、活动设计，让学科知识保持正确无误，既能在一堂课中融合，又能在研究项目中协同延伸，呈现完整的项目式学习的形态。

另外，要坚持“课程实施，培训先行”的原则。学校可先挑选数名意愿强、专业能力强的教师作为种子教师提前培训，再对全体信息技术教师及部分数学学科教师做课程知识的集中培训，重点关注种子教师，由种子教师集中备课，先行试课，形成经验和资源，最后他们再带动其他教师开展教学。建立机制动员、激励、引导、辅助教师积极参与编程教学，打造一支强大、专业的编程师资队伍是培养学生计算思维的关键。

2.多平台综合的环境准备

培养学生的计算思维，一要基于新课标指导，二要基于校本条件。学校应尽可能遵循高位设计、贴地运行的建设思路，兼顾科学、客观及可扩展性。笔者建议尝试“1+2+N”的业务架构展开建设与推进：“1”是一个基础环境，主要是指搭建编程教育的软硬件基础设施，包括计算机、智能平板、编程客户端软件或编程云平台，以及用于程序实验的人工智能外设，如编程机器人、编程无人机等。“2”是两门学科，主要指“信息技术”和“数学”两门学科的教与学，包括教师培训、教学设计、跨学科磨课等教学教研活动。“N”是多个编程平台及STEAM项目，在小学低中年级学段引入3D可视化和零代码编程平台，启蒙小學生感知身边算法，养成算法思维。在高年级学段，引入低代码平台、Python语言纯代码平台，结合课标指引，引入或自主研发编程及STEAM课程，分别以编程与建模为中心，覆盖界定问题、分析问题、组织数据、制订问题等算法思想，使学生会利用计算机实现问题的自动化求解，充分理解算法的描述、执行和效率。

培养计算思维的编程项目研探

1.利用三维场景感受身边算法，启蒙计算思维

新课标在第三学段目标中指出“通过生活中的实例，了解算法的特征和效率”。而在实际教学中，让小学生直接把生活经验转成算法思维是很困难的，要让其了解身边的算法，最好的转换方法是在一个虚拟场景中模拟生活实景。所以，教师可采用编程平台Swift Playgrounds（它不同于一般的青少年2D平面的编程平台，而是提供了一个真3D的世界，如图1所示）创设一个真实的世界，借此培养学生的计算思维。

Swift Playgrounds具备上下左右前后的视角，有步数方格和对应命令的各类物体，教师可创设主角Byte完成取红宝石任务，让小学生根据地图规则路线、计算步格，同时进一步利用“传送门”等物体以及跳跃、跳过来改变路线，启蒙不同的算法思路。

感知算法，也需要初步懂得表达算法。在教学中，让学生利用Swift代码来控制游戏角色在3D 游戏世界里冒险，从易到难，边玩边学，继而学习重要概念。在教学中，教师可以让学生对比平台左右两边的“代码”和“3D世界”，并向学生解释“调试”“函数”“循环”等概念，使其学习更多进阶的编程表达，真正让学生了解算法的表达，掌握计算思维的基本概念。

2.利用零代码平台分解与建模，形成计算思维

新课标要求“能用自然语言、流程图等方式描述算法”。当前，零代码编程平台百花齐放，但基本分为两类：一类是以图形化积木为脚本的平台，另一类是以自定义表单加流程控制的平台。这两类平台最大的优势是不强调编程语言，凸显的是流程设计与控制。

在利用图形化积木为脚本的平台进行教学时，强调控件与流程。例如，以著名的“棋盘麦粒”（印度国王奖赏国际象棋发明大臣“每一小格都比前一小格加一倍麦粒”）的故事为题，教师先提供图片（如图2）让学生观察分析、发现规律，然后进行算法设计，引导出流程图（如图3），再带领学生抓住流程图中的关键点，利用程序控件展示数学表达式，即关键控件替换法（如图4）。

在教学中，还可以通过利用自定义表单+流程控制平台设计真实的轻应用来培养学生计算思维。例如，要求学生使用应用魔方AppCube，基于自己在学校与班级生活中的信息化需求，创建各类表单式轻应用，加入需要的变量计算、数据过滤和权限控制，生成具有一定算法与流程的轻应用。

3.熟悉纯代码语言的核心概念，提升计算思维

编程教学是培养计算思维的重要方法，笔者建议可以从六年级开始引入纯代码智能编程语言——Python。Python是一门入门快、功能强大、高效灵活的编程语言，能够让学生在接触纯代码的同时熟悉编程语言的核心概念，进而提升计算思维及表达。

纯代码编写需要IDE，但在中小学生的Python教学中，教师无需采用面向专业开发人员的Python IDE，可以借助任务图形教学平台Icode进行教学。该平台以青少年喜闻乐见的太空探索为主题，要求学生使用Python代码远程控制机器人在太空中进行探索和收集，在完成任务的同时要保证代码的质量和执行的效率。学生通过控制虚拟角色Dev完成任务，能对基本编程概念有初步认知，从而轻松踏入代码世界。

本文为江苏省“十四五”教育科学规划课题“人工智能教育背景下中小学生计算思维的培养”阶段性成果。