小初高一体化学生计算思维培养教学策略研究

北京日坛中学 王玉英 梁 岩 田 宇

在新课标的引领下，计算思维已经成为中小学信息技术课程的核心教学内容，这也是信息技术学科内在价值的体现。关于中学生计算思维的培养也应成为中小学信息技术教师特别关注的核心问题。但长期以来，在教学实践中存在重视程序语法教学，忽视真实问题分析与解决的现象，这导致学生缺乏对实际问题分析能力的锻炼，学习没有迁移性，这是阻碍学生核心素养提升的因素之一。研究团队基于对小初高一体化的学生计算思维的培养，在三年的教学实践研究基础上总结提炼出学生计算思维的培养策略，以期对小初高各阶段学生的计算思维培养起到借鉴作用。

一、核心概念界定

2017 年版《高中信息技术课程标准》中对计算思维的界定：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。所谓教学策略，是以一定的教学观念和教学理论为指导，为完成特定的教学目标或教学任务，充分关注学生的学习，对影响教学的各个要素进行系统化的总体研究，并最终形成可以具体操作的整体化实施方案（李芒，1999）。

二、小初高一体化培养学生计算思维的策略研究

（一）利用调查问卷摸清教学对象计算思维基础

在进行每轮教学实践研究之前，我们分小学中段、小学高段、初中、高中四个阶段采用问卷调查的形式对学生进行了信息技术基础及计算思维情况调查。通过分析错误率发现小学生一方面对于相关知识掌握不到位，另一方面没有真正理解题意，导致后续采取的解决方法不对，从而出现方向性错误。初中生和高中生主要出现的问题是计算机基础知识薄弱，没有形成用计算机解决问题的思维方式，导致相关问题正确率很低。

（二）梳理、提炼组成计算思维的“五要素”

高中信息技术新课标中对学科核心素养的内涵进行了描述并作了水平划分，我们在教学实践研究的基础上梳理出计算思维组成的五要素。要素一，分析问题、界定问题，对复杂问题进行分解。这是利用计算机解决问题的基础。如果问题比较复杂还可以根据功能或作用分解成小问题以便于后续制定问题解决方案。要素二，提取问题特征，对问题进行抽象处理，并用合理的方式表达。提取问题的特征，剔除与解决问题无关的因素，找到解决问题的关键因素，依据关键因素的特征选择合理的数据并进行数据组织和表达。要素三，根据抽象的特征，运用合理的算法形成问题解决方案。根据问题抽象的特征，找到问题解决的方案形成合理的算法，进而形成问题解决方案。要素四，运用一种编程语言或其他数字化工具进行数据组织分析处理，实现问题解决方案。要素五，评估、反思、优化以上过程并迁移到其他问题解决中。通过总结、反思、评估以上过程，优化解决的方案并迁移到其他问题解决的过程中，这也是培养学生创新意识和方法的重要体现。

这“五要素”以分析界定问题为起点，形成一个循环的关系，上一个要素是下一个要素的基础，它们共同构成了计算思维。在教学中依据这五个要素进行教学活动设计有利于计算思维培养的落实。

（三）制定并实施小初高一体化学生计算思维培养方案

对此，我们制定了小初高一体化学生计算思维培养方案，针对小初高学生普遍计算机基础不扎实、缺乏利用计算机解决问题的训练等情况，首先从教学内容入手，提炼相关的教学内容进行编码并与计算思维培养“五要素”进行关联。

1.小学、初中教学内容知识点与计算思维“五要素”关联

小学和初中都以Scratch 模块化语言为依托，梳理了教学中涉及到的相关知识点并与计算思维“五要素”进行了对应关联。如：认识Scratch编程界面、了解Scratch 的主要功能关联计算思维要素四；认识命令模块库（运动、外观、声音）、添加/删除角色、编写（修改）脚本程序的基本方法关联计算思维要素一、四、五；增添/切换舞台背景/角色造型，关联计算思维要素一、四、五；数字运算符，关联计算思维要素二、三；选择结构、循环结构、循环嵌套关联计算思维要素一、三、四；程序控制结构综合应用关系计算思维要素一至五等。

2.高中教学内容知识点与计算思维“五要素”关联

高中以人教出版社《信息技术》必修一、必修二为教材，以Python程序设计语言为依托，统一对教学知识点进行了梳理并于计算思维“五要素”进行关联。数据编码关联计算思维要素四；数据类型关联要素三、四；函数关系要素三、四；经典算法关联要素一至五；主题学习及项目制作关联要素一至五等。

在知识点梳理并与计算思维要素相关联的基础上，我们利用面向课堂教学、校本选修课、课外活动等多种课堂形式对学生进行了计算思维培养。引导学生进行了项目式学习、游戏化学习以及任务驱动式学习，并在此基础上进行了效果总结，形成了完整的小初高一体化计算思维培养体系。

（四）提炼小初高一体化计算思维培养策略

依据计算思维“五要素”，我们进行了教学实践探索，通过引导学生从分析、界定、分解问题入手，将实际问题根据不同的教学语言进行抽象表达，再选择合适的算法、形成解决方案，以达到问题解决和反思优化的目的。经过几轮的教学实践提炼出以下教学策略：

1.重视问题界定与分析、抽象表达的策略

对学生抽象能力的培养对于提升计算思维有至关重要的作用。抽象是有层次的，具体的哪些问题抽象到什么层次与程序设计语言的实际要求以及学生的思维水平紧密相关，要准确把握，同时要注意对问题的抽象一定要有利于用这种语言实现自动化。

2.整体化、单元化教学设计策略

计算思维是用计算机科学的方法来解决问题，而计算机科学的方法是前后联系相互贯通的，所以要重视知识的前后联系，引领学生形成知识网，从而发展计算思维。梳理教学知识点并进行整体设计，利用单元式、主题式教学将这些知识点有机串联起来，课时目标实现才有可能达到有利于实现学期目标。

3.依据计算思维“五要素”重构教学流程策略

在教学中，我们将教学流程调整为先出示基于真实情境的问题，然后引领学生分析、界定问题，明确要解决的问题，如果问题比较复杂再将问题分解成数个小问题，接下来找到这些问题的关键要素进行抽象化表达，然后选择合适的数据结构，进而设计合适的算法形成解决方案，再利用Scratch 或Python 编写程序实现问题解决，最后给学生留出扩展的空间进行知识的迁移，这就是计算思维解决问题的过程。

4.依据小初高不同阶段学生的特点实施不同的教学活动的策略

小学阶段，教师将知识点或者算法渗透到各个实例中，从而由一个问题层层递进逐步突破，在问题求解过程中不断学习掌握新知的基础上进行自主探索创作；初中阶段，着重基于生活实际情境化教学策略的课堂教学活动，通过符合学生认知发展的情境化教学策略来培养学生的计算思维，帮助学生不断提高对计算思维的认知度，重新构建思维模式，运用创新的方法来解决各种实际问题；高中阶段，在教学整体规划的基础上，围绕知识点设计一系列符合学生认知特点的项目，将计算思维“五要素”有机融合到项目的实施过程中，将计算思维形成的过程作为项目学习与实施的内在线索，引导学生反复亲历计算思维的全过程，学生在此过程中获得数字化学习与创新的技能，发展计算思维的同时也提高了信息意识进而增加信息社会责任。

三、小初高一体化培养学生计算思维的效果及反思

经过三年的教学实践，本研究取得了一些成效，学生更加趋向于从界定问题、分析问题出发，遵从计算思维“五要素”的路线完成问题解决和创意制作。越来越多的学生电子创意作品获得各级奖项，这些作品体现了学生利用计算思维解决实际问题的过程和成果。在教学过程中学生主动探究问题不同的解决方案，形成了浓浓的研究学习的氛围。我校组织学生连续三年参与“百博思计算思维主题活动”，满分率越来越高，80 分（满分100 分）以上的同学占比越来越大。

总之，学生计算思维核心素养不能自然形成，教师要依据不同年龄段学生特点坚持不懈反复引导学生经历用计算机科学解决实际问题的过程，提升他们的计算思维，从而增强在信息社会生活的从容感和责任感。