面向计算思维培养的教学模式设计与实践

李晓晓 谢忠新

【摘 要】本文从信息技术学科相关知识原理与技术思想的教学与落实学生计算思维培养相结合的角度，构建了面向计算思维培养的不插电计算机科学游戏化教学模式，包括“选定主题—对标计算思维—设计游戏—组织游戏—思维引导—概括模式—迁移应用”七个步骤。最后，通过搜索算法教学案例具体分析了如何在中小学开展面向计算思维培养的不插电计算机科学游戏化教学。

【关键词】计算思维;不插电计算机科学;游戏化教学模式

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2021）09-009-05

目前在中小学信息技术学科的算法与程序设计、数据处理与应用等内容的教学中落实学生计算思维培养的研究与实践较多，因为教师可以创设利用这些学科知识来解决实际问题的情境与任务，而完成这些任务，需要形成问题解决方案。那么，在信息技术学科相关知识原理与技术思想的教学中，能否在帮助学生理解计算机知识原理与技术思想的同时，落实学生计算思维的培养呢？中小学信息技术学科相关知识原理与技术思想的教学可以组织不插电计算机科学活动方式开展，如何在学习与组织不插电计算机科学活动中落实学生计算思维的培养呢？

计算思维与不插电计算机科学

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》明确将计算思维定为一项重要的信息技术学科核心素养，计算思维是指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思维活动[1]。未来的信息化社会更加需要具备问题解决能力和创新思维能力的人，计算思维被公认为21世纪中叶人人都应具备的基本技能之一。

不插电计算机科学是面向世界范围的信息科学普及项目，它以一种没有计算机参与的方式，透过一些既有趣又容易的活动，展示各项计算机技术原理在计算机世界里是如何发生的，帮助学习者理解技术背后的思想和科学，理解新技术是如何被设计出来的，提高其问题解决能力[2]。这些活动不要求学习者有计算机操作能力，因此在中小学信息技术学科相关知识原理与技术思想的教学中，教师通常会以设计和组织不插电计算机科学活动的方式开展教学。

學生运用计算机科学领域的思想方法，形成问题解决方案过程中产生的一系列思维活动，包括了按精确步骤一步步执行的算法思维、对问题进行分解、从众多细节中抽象出关键信息、相似问题解决方法概括、评估解决方案是否合理及如何优化五个方面[3]。不插电计算机科学活动模拟的正是计算机科学领域的思想方法在计算机世界的发生过程，与分解、抽象、算法、评估与概括这些思维活动密不可分。基于如何在不插电计算机科学活动中落实学生计算思维培养这一出发点，笔者构建了面向计算思维培养的不插电计算机科学游戏化教学模式。

面向计算思维培养的不插电计算机科学游戏化教学模式

建构主义理论强调学习是意义建构的过程，是学习者通过新、旧知识经验的相互作用，形成、丰富和调整自己的认知结构的过程。因此，教师应该通过创设有意义的情境、任务等为学生搭建新旧知识衔接的脚手架，引导学生有效实现自身的知识建构。杜威“做中学”理论强调知识的获得不是个体“旁观”的过程，而是“探究”的过程，不插电计算机科学活动对计算机原理发生过程的模拟正是“探究”的体现。游戏化学习主张借鉴游戏的设疑、挑战、自主等理念，把教学目标隐蔽于游戏活动中，根据学习者特征及教学内容采取相应的游戏化教学策略，从而使学习者在放松的状态下，从乐趣中获得知识、提高技能和陶冶情操[4]。

根据建构主义、杜威“做中学”、游戏化学习理论中关于学习是如何发生的启示，笔者构建了面向计算思维培养的不插电计算机科学游戏化教学模式，立足课前“精心设计”的教学准备和课中“玩中学+观察”的教学组织，将教学模式归纳为“选定主题—对标计算思维—设计游戏—组织游戏—思维引导—概括模式—迁移应用”七个步骤，如图1所示。

在教学模式中，“教师—学生”的角色会经历“定向—准备——导学—体验——启发—认知——总结—概括——诊断—应用”的迭代上升。通过预先设计好的游戏环节和细节，关注学生内在的思维过程，帮助学生学习描述问题，确定解决该问题所需的关键步骤，并将其分解为细微的逻辑步骤，以便他们随后可以创建解决该问题的流程，然后评估此过程。这些技能可以迁移到任何其他的学科领域，有助于学生理解数字系统的工作流程，提高使用计算机解决问题的能力。接下来，本文以一个搜索算法的教学案例，来分析如何在中小学开展面向计算思维培养的不插电计算机科学游戏化教学。

1.课前面向计算思维培养的不插电计算机科学游戏化活动设计

（1）选定学科知识内容主题

主题可以是单一的技术原理，也可以是有关联的几个技术原理，基于明确的主题确定学生要学习的内容。本案例以搜索算法为主题，但如何向学生介绍搜索算法呢？笔者选择了原理相对简单又关联性强的顺序搜索和二分搜索两种常用搜索算法，参考新西兰坎特伯雷大学计算机科学教育研究小组开展的CS Unplugged项目学习活动资料，将两种搜索算法原理设计成符合学生认知发展规律的游戏活动。

（2）梳理与挖掘学科知识中的计算思维

对照计算思维中的分解、抽象、算法、评估与概括内涵，对选定学科知识内容主题的学习目标进行拆解，分析学生在学习这些内容的过程中计算思维的落实。案例中分析了顺序搜索和二分搜索两种算法原理中对应的学生计算思维内容，列出了算法、分解、抽象、概括、评估五个计算思维组成部分对应的计算思维培养目标。

（3）设计面向计算思维培养的课堂游戏活动

教学游戏设计包含创设情境、明确规则、规定步骤、设计问题链、准备学具等。游戏元素的设计要能够有效引导学生产生计算思维活动，游戏的设计可以同时关注算法、分解、抽象、概括和评估五个方面，也可只体现其中一个或几个方面。案例顺序搜索和二分搜索两种算法的学习中设计了“猜谜”和“一分为二”两个游戏，如表1所示。

2.课中面向计算思维培养的不插电计算机科学游戏化活动实施

（1）组织开展游戏化活动

教师将学科知识中涉及到的计算思维设计成游戏规则、游戏步骤、互动问题等，学生在游戏参与的过程中，主动理解游戏规则，按照规则分解游戏任务，分步执行完成具体任务，最终挑战整个游戏目标。以“猜谜”游戏为例，教师按照如下的步骤组织实施游戏：

①用数字卡片代表朋友，将十张数字（数字范围0-100，其中一张卡片数字是56）卡片（图2）的动物面朝上摆成一排。

②准备好每人十张贴纸（支付系统），每猜一次，学生需要支付一张贴纸。

③请学生猜猜看找到数字56需要多少次猜测？并说说为什么。

④请学生翻转左边第一张卡片（同时支付一张贴纸），显示背面的数字。如果是正确的就停下来，否则将其从十张卡片中取出并放在一边。

⑤按照从左到右的顺序重复此过程，直到学生找到数字为56的卡片，记下支付贴纸的数量。

⑥分小组玩游戏并做好记录，每个小组一副卡片，每次开始新游戏时重新使用十张贴纸。

⑦小组交流游戏结果，说说看每次猜测可以排除多少张卡片？手中还剩多少张贴纸？

⑧请学生思考，如果要找的范围不是十位朋友，是一百位、一千位朋友呢？

游戏中教师利用数字卡片代表朋友帮助学生建立抽象思维;让学生按照从左到右的顺序，每次翻开一张卡片，验证是不是目标数字，帮助学生理解可以将整个问题分解为一个个“验证单张卡片上的数字是不是目标数字”的小问题来解决;之后重复“选择—验证”的过程，培养学生的算法思维，理解算法的循环结构，同时设计“每猜一次，要支付一张贴纸”的规则，意在培养学生树立循环过程中要记录循环次数的意识。

（2）基于问题的思维引导

计算思维培养中，好的问题可以成为学生计算思维提升的支架。因此，游戏化活动实施中，教师需要适时抛出预设问题进行设疑，对学生的思维进行启发点拨，引导学生主动思考。这些问题目的是帮助学生产生计算思维活动，通过学生的回答了解学生内隐的思维动态。案例中教师预设了培养学生分解、算法、评估、抽象、概括思维的一系列问题，游戏中预设的交互问题及对学生思维引导的预期如表2所示。

（3）概括问题解决的模式

通过从具体到一般的提炼，总结所解决问题之间存在的共同点，概括归纳出可识别的模式，帮助学生强化自身知识体系的建构，未来在处理类似实际问题时可以有的放矢。在教学实施中，教师组织学生交流讨论达成游戏目标所经历的过程，基于问题引导学生思考改变游戏中的个别元素对游戏是否产生影响，从而帮助学生概括其中共性的问题解决模式，也就是如何用顺序搜索算法解决搜索问题，通过思维导图的方式帮助学生梳理顺序搜索原理的关键知识点，回顾游戏中是如何按步搜索的，在学生心中种下顺序搜索算法思想的种子。

（4）迁移解决实际的问题

素养导向的游戏化教学，还有很重要的一步是需要进行迁移，通过举一反三，应用所学的计算机原理解决生活中的实际问题。学生不可能通过一次实践就形成迁移，在游戏之后，教师要为学生创设类似的情境来进行复盘，引导学生能够利用顺序搜索来解决生活中的实际问题，使学生学会良好表达，并认识到这些问题间的关联。案例中，教师给出了生活中一些用到顺序搜索的情境，学生可以任选问题来解决，并在问题解决方案描述中强化迁移应用的能力。

结束语

玩是孩子的天性，孩子们在游戏参与的过程中，通过对游戏规则的理解以及和老师、同伴的交流，学习如何更好地组织语言来描述问题，把问题情境中不重要的信息忽略掉，找到解决问题所需要的重要细节，把问题分解为“比较两个数据并确定它们是否相同”的逻辑步骤，重复这个步骤来解决问题。在“猜谜游戏”中熟悉顺序搜索的使用方法，在“一分为二”的游戏中熟悉二分搜索的使用方法，然后思考两种搜索方法的優势和不足。在完全不接触计算机的情况下，学习掌握了基本的计算机原理，算法思维、分解、抽象、概括、评估等计算思维的能力也得到了培养。

需要注意的是，游戏化教学不等于做游戏，面向计算思维培养的不插电计算机科学游戏化教学，是关注学生思维的产生、变化、迁移，将计算机原理在计算机世界发生的过程通过游戏的形式在现实世界中模拟出来，建构在学生的知识体系中。因此，交互问题的设计在游戏教学中十分重要，游戏不能单纯的玩，需要教师在适当的时机设疑，用问题帮助学生建立思维路径，引导学生通过对话描述来显现内在的思维过程。同时，教师需要留心观察学生在游戏中的表现，发现学生在计算思维不同组成方面的敏锐度和潜力。

注：本文系上海市教育科学研究一般项目“面向计算思维的初中人工智能教育的实践研究”（项目批准号：C20078）的研究成果

参考文献

教育部. 普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M]. 北京： 人民教育出版社，2017.

Tim Bell等著;孙俊峰，杨帆译. 不插电的计算机科学[M]. 武汉： 华中科技大学出版社，2010： 91-105.

谢忠新. 关于计算思维进入中小学信息技术教育的思考[J]. 中小学信息技术教育，2017（10）： 38-42.

柳馨雅，朱彩兰. 中小学信息技术课程游戏教学法研究状况分析[J]. 中国信息技术教育，2013（9）： 41-44.