从调研数据出发探究计算思维培养的教学策略

【摘要】《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》将计算思维作为四大核心素养之一列入学科教学范畴。如何在课堂教学中落实计算思维的培养，是广大一線信息科技学科教师所关注的热点问题。本文基于小学生计算思维能力的调查问卷分析，尝试提出小学阶段计算思维教学策略，并结合Scratch编程教学实例逐一说明。【关键词】计算思维；小学；教学策略2022年4月，教育部印发了《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）。在新课标中，计算思维作为四大核心素养之一首次被列入义务教育信息科技学科教学的范畴，这标志着计算思维的培养将在中小学教学日程中占据重要地位。小学教育作为基础教育的重要阶段，如何在信息科技学科中培养学生的计算思维能力呢？在回答这一问题之前，我们需要对目前小学生的计算思维能力的情况做一个大致了解。通过对已有研究文献的整理，我们发现：计算思维涉及的词汇主要有问题求解、分解、抽象、建模、过程、数据、概念、算法、模拟、验证、自动化等。依据文献研究整理的有关计算思维教育关键点、小学生的年龄特点以及本区的实际情况，我们选取本区核心地区及东、西部共计27所小学和6所九年一贯制学校小学部，展开本次问卷调查。各校随机抽取三年级的一个班级参与调查，认知水平分布合理。问卷以问卷星的方式进行发放，通过RTX将问卷链接发给各校信息科技教师，教师统一安排班级学生在机房自主完成问卷，回收有效问卷共计1254份，回收率99.4%。样本问卷调查的具体分析第一，学生能够有意识地关注问题解决步骤，但主动对问题进行界定和形成解决方案的意识较弱。调查中我们发现，有74.8%的学生对于学习中涉及的解决问题步骤能够有意识进行记忆，对完成任务的一系列步骤能够有意识识别，如对于日常生活中的泡茶步骤，有72.01%的学生能够正确识别。学生个体发展不平衡，36.6%的学生在面对复杂问题时，能够进行问题界定、形成解决方案并按步骤完成；37.72%的学生在遇到复杂问题时，采用的是边做边想，走一步算一步的策略。六成多的学生互助合作的意识较强，在面对困难问题时，倾向于使用小组合作的方法解决。第二，大多数三年级学生具有使用已有知识经验解决实际问题的习惯。在解决问题时，学生已经具备分类、逻辑、排序等运算能力，有一定的问题分类意识。调查显示，77.75%的学生在遇到和已有知识经验相关的问题时，能够想到使用信息技术手段来解决；18.1%的学生偶尔会这么做；4.15%的学生表示不会这么做。有71.53%的学生能够在解决问题之前，有意识地对问题进行分类，仅有6.3%的学生对此表示不同意。在“文件查找”的真实情境问题中，有76.32%的学生能够想到使用自己学过的“按照特征进行文件分类”的知识解决问题。第三，学生对于借助可视化工具解决问题有一定的认知，但仍有很大提升空间。62.6%的学生会用图画或者表格等可视化的方法来解决问题，但仍有四成学生没有使用可视化工具的习惯。可视化工具有助于学生对问题进行抽象建模，训练计算思维中的抽象建模能力。第四，大多数学生具有主动探究问题的意识。75.76%的学生有经常主动发现问题、分析问题，找到多种解决方法的意识，只有4.62%的学生表示在学习过程中没有这种意识。分析与综合各种信息资源，形成解决问题的方案是计算思维培养的一个重要内容。第五，学生对于算法的理解水平一般，独立写出算法和对算法精准描述的能力较弱。在为图画匹配合适步骤的题目中，只有58.45%的学生能够选出选项中描述最为精确的步骤；在自己为图画设计步骤的题目中，仅有十几份样本能够关注人物胳膊和腿等弯曲的细节描述，大多数样本仅仅是对已有步骤的简写，或者是对已有步骤的重新排序。培养计算思维是为了培养学生解决实际问题的能力，对于小学生来说能否理解算法、知道算法的含义，能否写一个算法可以作为衡量计算思维水平的一个指标。第六，学生学习习惯对学生的问题解决能力以及合作能力具有明显的影响。通过调查我们发现，平时对于解决问题步骤关注度不够的学生，在面对困难问题时，更多选择“走一步，算一步”的消极策略；对于解决问题步骤关注度高的学生，在面对困难问题时，分解问题、制定计划以及同伴合作的意识都高于平均值。计算思维培养的教学策略与实施小学阶段可以说是整个教育过程中的“基础”，小学生学习兴趣浓厚、可塑性大、应试压力小，是培养计算思维的关键时期，如果学生能够在此阶段形成科学、积极的思维习惯，这会让他们终身受益，并可为后续的连续发展打下良好的基础。我们依据问卷调查分析，尝试提出五条小学生计算思维能力培养的教学策略，以下将以“模拟烟雾报警器”一课的实施为例逐一说明。课堂实施流程如图1所示。1.贴近日常生活的情境导入从学生日常生活出发，教师筛选出适合创设计算思维培养情境的例子，引入课堂教学中，在调动学生学习兴趣的同时，培养学生的计算思维意识。在“模拟烟雾报警器”一课中，教师从生活中常见的“烟雾报警器”出发，引发学生对于流程建设的关注。教师引导学生尝试依据烟雾警报器工作流程图自主搭建“模拟烟雾报警器”脚本，以自主与小组合作结合的方式对脚本进行调试完善。2.围绕脚本功能的提问设计学生形成主动对问题进行界定、形成问题解决方案、关注问题解决步骤的意识和习惯，对于计算思维的培养具有重要作用。教师在教学方法上要注重对学生思维进行引导，关注学生的学习习惯，根据学生的思维特点有针对性地设计学习活动，简单、持续地培养计算思维。教师从课堂语言入手，精心设计问题链，帮助学生确立问题，分析问题，以训练计算思维中的制定问题能力和分析问题能力。教师以“制作模拟烟雾报警器动画”为核心问题，以解决问题的步骤为主线，依次从“了解烟雾报警器”“确定动画角色”“分析工作流程”以及“完成脚本搭建”四个方面设计课堂提问，见表1。在解决问题的过程中，教师围绕关键环节设计分支问题，形成问题链，帮助学生整理思路，逐步培养学生明确问题、分析问题、形成方案的意识与习惯。如教师围绕“分析工作流程”这一关键环节设计两个分支问题，把制作流程图这一难度较高的关键环节拆解为两个环环相扣、逐层递进的分支问题，引导学生逐步由口语化表达向形式化表达过度。3.關注执行过程的流程图设计教师引导学生用流程图的形式，如图2所示，将脚本的实际执行过程可视化，帮助学生对问题进行抽象建模，训练计算思维中的抽象建模能力。在本课的教学中，教师先是通过视频和提问的方式，共同分析烟雾报警器工作流程，然后由学生在学习单上自主进行流程图的拼搭，最后再请完成较好的学生上台使用实物进行流程图的拼搭和介绍。4.借助实物拼搭的新知讲授对于小学生而言，编程学习具有一定的挑战性，教师设计的学习任务需要考虑学生在兴趣和努力之间的平衡。本节课基于三年级学生的思维特点，采用借助实物拼搭的方法完成“如果那么”和“碰到”积木的新知讲授。本环节的活动是学生在教师提供的积木中挑选合适的积木，和上一环节的流程图进行匹配。本节课所设计的“碰到”和“如果那么”积木在外形上有鲜明特点，使用方法也与外形有密切关联，因此活动中教师提醒学生观察积木形状，并提供实物积木供学生动手进行拼搭。随后，学生上台进行实物积木拼搭，并用自己的语言描述自己理解的积木功能，教师适时进行指导和新知讲授。5.关注功能实现的作品评价教师根据学生具有一定的主动发现问题、解决问题的意愿，小组活动意识较高以及应用已有知识解决实际问题的意识较好的特点，探索更为有效的课堂教学模式。本节课学生通过互换作品的形式对同伴作品进行评价。评价的关注点在于脚本是否能够实现预设的功能，为同伴改进作品提供建议，以训练计算思维中的优化方案能力。本节课先是由学生自主测试脚本，检测脚本是否符合之前设定的要求（声音报警和指示灯报警），并进行相应的调试修改。第二个环节是同伴互助，发现自己没有找到的问题，并提出修改意见，或者找出同伴在脚本搭建上的优点。最后一个环节是集体纠错，就难以解决的问题进行集中讨论，寻求解决方案。结

语以上就是我们提出的贴近