在编程教学中融合计算思维能力的培养

郑爽 魏加猛

計算思维是信息技术四大核心素养之一，培养学生计算思维的重要性不言而喻，计算思维的培养对学生今后发展较为重要，而且培养学生的计算思维能力是解决信息科技中所遇到难题的必备素质。具备计算思维能力，是面临各项挑战的基础，是学生组织能力、逻辑思维能力、问题分析与解决能力的重要前提，而编程软件的学习能够有效促进学生计算思维的发展。

计算思维与Scratch

1.计算思维

2006年周以真教授在杂志上第一次提出“计算思维”的概念。2017年《普通高中信息技术课程标准》中，对计算思维的概念界定是，计算思维是个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列的思维活动。根据以上国内外学者对计算思维的不同理解，本文对计算思维的解读是：具备计算思维能够解决生活、学习中的问题，当遇到问题后，能够对问题进行界定、分析，并且学会合理分析和解决问题。

Seymour Papert在20世纪80年代提出训练儿童思维，这实质上是训练儿童的计算思维能力;有些国家或地区采用软件、程序设计的形式培养学生的计算思维能力，比如教育活动CS50课程、“编程一小时”等[1];美国普渡大学教师讲授Python，通过编程概念训练计算思维能力[2];Angeli等人提出了小学阶段培养学生计算思维的课程框架，主要由抽象、一般化、分解、算法及调试五个部分组成，并分为三个等级。近几年来，计算思维发展迅速，各个国家对培养学生的计算思维能力都很重视。

2.Scratch与计算思维的联系

Scratch作品的制作不是一蹴而就的，而是在探索与实践中不断地完善与修改，作品最终的完成与学生的计算思维能力具有密不可分的关系。第一，Scratch的学习能够体现学生对于脚本设计的逻辑思维能力。作品创作过程中，学生根据不同的主题搭建不同的效果，选择不同的角色，添加相应的脚本，脑海中明晰设置角色及拖动脚本的先后顺序。第二，Scratch的学习能够体现学生对于问题的分析能力。不同的学生在创作过程中会遇到不同的问题，此时分析、解决问题的能力显得尤为关键，而Scratch的学习有助于培养学生分析问题的能力。第三，Scratch的学习能够体现学生对于程序的不断优化处理能力。当完成作品后，会出现执行的效果与预想的效果不同，需要学生修改脚本参数以达到理想效果。

培养小学生计算思维的教学实践

本文教学实践的理论基础是基于PDCA循环理论，它最早由美国著名“统计质量控制之父”休哈特首先提出，并由戴明博士完善、宣传普及，也正因如此PDCA又被称为“戴明循环”。

P（Plan），指的是计划，是实施一系列行动的基础。D（Do），指的是实施，是任务完成的核心。C（Check），指的是检查，通过多元检查不断地完善作品。A（Action），指的是总结处理，是思维能力的进一步升华。

Scratch编程进入课堂，如何发挥其优势是值得思考的问题，通过阅读文献及教学实践发现，将一个个小的案例以项目的形式呈现，结合PDCA循环理论更能有效发挥学生自主探究的欲望。本文的教学以“画城堡”为例。

1.Plan计划阶段

明确目标，借助故事情节，脑海中形成任务逻辑体系。计划阶段学生需明确本节课的任务是画城堡，学生能够在脑海中形成故事情节，画城堡的先后顺序。如城堡是由大三角形、小三角形、长方形、正方形和门组成，定义好单个图形之后，城堡是从左往右依次画出。计划阶段，学生的脑海中应理清思路，明白先后顺序，形成任务的逻辑体系。

以故事情节展开不仅可以激发学生学习的兴趣、克服学生心中的抵触情绪，还能让学生懂得做事的先后顺序，具有一定的逻辑性，同时锻炼其思考与想象的能力。当学生脑海中形成故事情节后，会懂得背景的设置、角色的添加，让角色根据故事情节运动，以达到预设的效果。

2.Do实施阶段

以故事为抓手，定义图形。根据以上的故事情节，学生首先定义单个图形。以定义小三角形为例，点选更多积木模块中的制作新的积木，输入小三角形。输入小三角形时，学生要明确移动的步数、重复的次数、旋转的角度，学生能够很快确定步数和重复的次数，但是学生认为旋转的角度存在一定难度，教师用旋转公式360/n进行引导。

脚本搭建，提升分析与操作能力。图形定义完成之后，学生需再次对效果图进行分析，明确每个图形的大小以及移动的方向、顺序。画城堡脚本的搭建存在三个难点，学生需通过分析、思考完成作品。第一个难点是当画好单个城堡后为什么移动60步？当中间图形画好后为什么要移动180步？城堡中间的大门如何画？学生需要不断思考最后画出预设的效果。

实施阶段是将计划付诸实践，学生操作的过程中会遇到多种问题，而问题如何解决是关键，实施阶段的设计意图是让学生根据故事情节中的目标，探索完成任务，当遇到瓶颈时，分析对策直到问题解决。本环节是计算思维提升的关键，当遇到问题后，学生要具有独立分析的意识，通过对问题的探索、分析并解决，以达到提升学生计算思维的目的。

3.Check检查阶段

自我检查，分享作品，检索思维逻辑关系。自我检查包括学生现有的作品和之前预想的作品是否一致。通过运行脚本，学生发现中间的图形嵌套在左边的小城堡中，此时学生需要分析两个点，城堡的顺序和城堡移动的步数。当出现嵌套时，说明缺少移动的步数，那么该具体移动多少步，学生分析思考，教师进一步引导。

自我检查是检验成果的重要环节。学生运行脚本并审视作品，自我检查过程中，学生要具有思维的广度与深度，广度指的是可以采用多种思路获取解决问题的答案;深度指的是对问题的解析要透彻，将抽象问题具体化，从而逐渐培养学生的计算思维能力。计算思维的培养是学生自我思考的过程，应给学生充分的时间思考与实践。

同伴检查、互动试玩，分享成果。同伴检查主要包含两个方面，第一，城堡是否完成，是否所有的细节都达到理想状态;第二，城堡是否出现嵌套现象。

同伴检查环节主要目的是将自己操作过程中遇到的问题和同伴分享，通过分享的过程加深对问题的理解，双方交流、探讨遇到的问题以及解决措施。本环节不仅能够促进学生的思维发展、加深学生对于问题的理解，还能够让学生学会交流与分享成果，提高学生的语言表达能力，并反思自己作品中的优点与不足，思维得到进一步的延伸。

4.Action总结处理阶段

总结收获，反思作品，启发创新，思维不断升华。本环节主要是学生对自己作品的反思。在脚本搭建的过程中，学生清楚画城堡的顺序是从左往右，最后画出城堡的门，但是出现左边和中间部分嵌套现象，学生思考出现此现象的原因以及解决办法，避免再次犯同样的错误。

本环节主要包括教师的总结和学生自我总结，教师总结知识点能够让学生快速知道本节课的重点与难点内容。学生总结包括对所遇问题以及解决措施的总结，总结自己的思考，启发学生应具有创新意识。总结处理阶段是知识的升华，通过反思自身的作品与向优秀的作品学习，能够拓宽知识的广度与深度，懂得思考、分析，促进思维不断发展。

国内外研究表明，培养计算思维最有效的途径是学习编程语言，不同年龄阶段学习不同的程序语言，编程的难易程度各有不同。小学阶段主要通过学习Scratch语言培养学生的计算思维，主要采用积木式的程序模块，大大降低程序的复杂程度。本文运用PDCA循环理论结合具体的案例设计教学，锻炼学生的计算思维能力，同时对培养小学生思考力及创新力也具有一定的意义。

参考文献

史文崇. 全球计算思维研究与实践综述[J]. 计算机工程与应用，2018，54（4）： 31-35.

Hambrusch S， Hoffmann C，KorbJT，et al.TeachingComputational Thinking to science majors[J]. SIGCSE，2009（10）：220-225.