学科融合视角下初中计算思维专题教学研究

刘庆欢

近年来，世界各国都非常重视对学生计算思维能力的培养。在教育部颁布的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中，计算思维被列为信息技术学科的核心素养之一。计算思维最早由周以真提出。计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。2013年，南安普敦大学的塞尔比和伍拉德在ISTE&CSTA操作定义的基础上，基于计算思维的概念提炼出五大思维活动：抽象、分解、算法思维、评估、归纳。笔者参考欧盟委员会联合研究中心2016年发布的《在义务教育阶段发展计算思维研究报告》以及一些学者或研究机构的研究成果，将核心思维活动分为分解、模式识别、抽象、算法思维、评估和归纳6步。下面，笔者结合课例“智能时钟”，从学科融合视角设计初中计算思维专题教学的内容和模式，介绍教学实施步骤和方法，探索新的教学途径。

一、基于计算思维的教学模型

计算思维教育被理解为运用计算思维进行问题求解的过程，它所关注的不是简单的知识学习和技能操练，而是让学生通过获取知识、应用知识、训练技能、实践应用的过程，内化为自己的思维并增长智慧^[1]。笔者基于计算思维的教学理念，设计了与之相对应的问题求解活动，使计算思维从内涵形式转化为可操作、可评价的课堂教学行为。以计算思维的六大核心思维活动为“桥梁”，笔者构建了计算思维教学模型（如图1）。

此模型主要包括以下三个层次的要素：①一个核心概念，即计算思维，也是模型的核心、出发点和落脚点。②六大核心思维活动，即分解、模式识别、抽象、算法思维、评估、归纳。以此对计算思维进行显化，既诠释了计算思维内涵，表征了计算思维特点，又易于学生理解和掌握，还有利于教师基于这些思维活动设计具体的问题求解活动，进行教学探索。③六步问题求解过程：首先，教师将复杂的问题分解成一系列小而易于管理的问题（分解）;其次，对这些小问题进行单独观察，考虑以前是否解决过类似问题（模式识别）;再次，分别研究这些小问题，忽略不相关的细节，仅关注其重要特征（抽象）;接着，设计解决每个小问题的简单步骤或规则，形成解决问题的一组可执行的指令（算法思维）;然后，对形成的问题解决方案进行评估，优化方案并执行（评估）^[2];最后，将具有共性的问题、过程、方法、数据等归纳为一种具有相似性的模型，并将此法迁移用于解决其他问题（归纳）。

此模型还实现了两个层次的循环：“核心思维活动”循环和“问题求解”循环。

二、专题教学设计

计算思维是高中信息技术学科的核心素养之一，义务教育阶段虽然还未提出，但是教师对此非常认可，常以此指导教学。目前，教材还没有改版，计算思维培养始终贯穿于教学中，其中与之最为密切的内容是程序设计。然而，程序设计的教学侧重学生学习编程语言、算法和相关知识，且只是计算思维中的一环（核心思维活动），在培养学生系统的计算思维方面有所欠缺。为提高学生能力，教师需要对现行教材进行统整和丰富，以项目为单位开展教学。初中计算思维专题教学就是在此背景下产生的。

笔者所指的学科融合是以主导学科（要学习的学科）为统领的、多学科参与的融合教育，未打破学科界限，也非简单意义上的跨学科教育。这样融合有利于为主导学科提供解决问题的情境、资源、方法和手段，有效地解决问题，更好地达成教学目标，并在问题解决的过程中全面培养学生的学习能力。虽然是多学科的参与和融入，但是学科之间还是有主次之分的，更多地体现主导学科的个性和特质，即主导学科是认知的主要对象和目标，其他学科充当辅助和支持的角色。这样，学生能更好地学习主导学科知识，丰富学习资源，拓宽认知视野，巩固和深化对被融合学科的认识和理解。

（一）教学内容选择

笔者将计算思维作为一个专题单独教学，选用网易有道卡搭（图形化编程平台）作为编程平台，并应用教学模型，对教学内容进行选择与设计。教学内容要求：首先，要符合初中生的认知特点，贴近他们的学习和生活;其次，要能与其他学科相融合，可以设计与学习相关的趣味小游戏或与生活相关的小程序;第三，所选内容要易于外显和分享，且能调动学生的积极性，让学生获得成就感。

该专题安排在七年级下学期，分6个项目（3课时/项目）教学（见表1）。为引导和帮助学生，笔者针对每个项目设计了学习单，包括学习目标、情境引入、作品效果、任务分析、程序流程图、知识加油站、小试牛刀、挑战自我、知书达理、自我评价10个模块。

（二）初中计算思维专题教学模式

笔者借鉴经典思维教学程序研究成果，基于建构主义学习、认知发展、自主学习等理论，综合了计算思维的思维活动研究、教学实践成果和教学内容的要求，设计了基于核心思维活动的初中计算思维专题教学模式（如图2）。

第一层，计算机学科知识层。计算机学科知识是教学的基础。计算思维是建立在计算机科学的基础概念之上的，是基于此而进行的求解问题、设计系统、理解人类行为和自动化处理解决方案的思维活动。初中阶段的计算思维培养仍处于基础阶段，选择什么样的计算机学科知识应根据学生的认知水平决定。

第二层，学科融合层。笔者以学生所学其他学科内容为基础创设问题情境，将所要传授的知识、技术和方法包裹在问题之中。学生经历解决问题的过程，既训练了计算思维，掌握了新知识，又巩固了旧知识。笔者将计算思维培养贯穿于问题求解之中，设计的问题贴近学生的学习和生活。学科融合是教师设计计算思维问题的有效路径。

第三层，计算思维核心思维活动层。笔者组织核心思维活动，使隐性的计算思维变为显性的教学行为。以核心思维活动为指导，应用计算思维解决问题的一般过程如下：①将复杂的问题分解成一系列小而易于管理的问题（分解） ;②对这些小问题进行单独观察和分析，考虑以前是否解决过类似的问题（模式识别）;③分别研究这些小问题，忽略不相关的细节，仅关注其重要特征（抽象）;④设计解决每个小问题的简单步骤或规则（算法思维），形成解决问题的一组可执行指令;⑤对形成的问题解决方案进行评估（评估），优化方案并执行;⑥将具有共性的问题、过程、方法、数据等归纳为具有相似性的模型（归纳），并将此法迁移用于解决其他问题。

第四层，教学环节层。笔者将计算思维的核心思维活动按照问题解决的一般步骤转化为可执行的教学环节。从教学实践来看，评估对初中生来说有一定的难度。在教学中，教师如果完全按照“使用计算思维解决问题的一般步骤”组织教学，会发现学生在绘制流程图后，基本无法对方案进行评估，而直接进入执行解决问题方案的环节。笔者让学生进行方案调试时，学生发现指令不够优化，以此触发他们去完善算法指令（流程图），其实这一过程就是在实践的前提下进行评估。随着生活阅历和解决问题经验的不断积累，渐渐地学生会在调试之前进行评估。另外，教师在“迭代测试，优化方案”环节还可以给出建议，帮助学生评估所设计的算法指令。

第五层，教师活动。课堂上教与学的活动，是教师组织课堂教学手段和策略的具体体现。教师作为情境的创设者、问题的设计者、问题分析的组织者、问题解决的指导者与帮助者，应根据核心思维活动发生的顺序，引导学生思考、分析、解决问题并建构知识。

第六层，学生活动。学生活动是学生在教师的指导下进行的一系列问题求解学习活动。学生在教师创设的问题情境中学习，界定问题、分析问题和解决问题，逐步掌握解决问题的方法，并能将获取的方法迁移用于解决其他问题，进而提高计算思维能力。

三、案例分析

“智能时钟”是与数学学科融合的一课。在时、分、秒的数量关系的基础上，笔者引导学生观察并标出时针、分针、秒针每秒钟旋转的度数，进而完成制作智能时钟的任务。本节课的教学是建立在数学基础之上的，核心是数学知识的运用和表达，而整个过程训练的是学生运用计算思维进行问题求解的能力。

笔者创设“时间飞逝”的情境，提出“如何感受时间的存在”的问题，引导学生研发电子时钟。“智能时钟”的设计与实现分两步完成：第一步，学生用图形化编程中的重复执行、向右旋转、等待1秒等指令，实现准确计时功能（第1课时）;第二步，用图形化编程中的重复执行、面向……方向、目前的（时、分、秒、日期……）、运算符等指令，实现智能显示计算机中的时间、日期、午别、周几等信息（第2课时）。教学案例框架如下（如图3）。

（一）创设情境，分解问题（分解）

学生根据笔者创设的“时间飞逝”情境，明确制作智能时钟的问题，并将问题分解为时针、分针、秒针（以下简称“三针”）在表盘上有规律旋转这样一组小问题。

（二）讨论交流，识别问题（模式识别）

学生以小组为单位，借助实物时钟，分别观察“三针”的运动情况，弄清它们之间的运动关系，然后联想过往是否解决过类似的问题。

（三）抽象特征，组织数据（抽象）

笔者引导学生纠正一些错误的认识，忽略时、分、秒之间的数量关系，仅关注“三针”每秒钟旋转的角度，并计算或标出各针旋转的角度。

（四）显现思维，设计方案（算法思维）

笔者对问题进行梳理：每秒钟“三针”都在独立地旋转，只是旋转的角度不同，此时先忽略时、分、秒之间的数量关系。在上述基础上，学生以组为单位绘制“三针”的程序流程图。

（五）迭代测试，优化方案（评估）

笔者介绍本节课图形化编程所需要用到的一些新指令，如运算符、新建变量、侦测计算机中的时间等，然后让学生进行方案的测试和优化。笔者根据各组情况，适时给出优化提示和指导。

（六）归纳迁移，分享评价（归纳）

笔者引导学生总结简单电子时钟开发的经验，进而完成智能显示时钟的创作，让学生分享智能时钟的设计理念、方案，评价时钟性能。

计算思维作为人工智能时代的重要能力和基础思维，其重要性日益凸显，也是各国重视的原因所在。经合组织（OECD）指出，计算机科学和计算思维可以培养学生应用解决问题、创造和协作的能力，并将测试计算思维的问题纳入2021年国际学生评估项目（PISA）数学评估之中，以此评估学生逻辑或解决问题的能力。

笔者基于计算思维的教学理念开展学科融合教学，建立了计算思维内涵与问题求解活动的内在联系，在一定程度上丰富了计算思维培养的理论基础，为中小学开展计算思维教育提供参考。但由于研究能力有限，笔者尚不能提供相关数据证明上述模式的有效性。后续，笔者将借助科尔马兹等人的计算思维量表和“北京大学计算思维测评”系统开展实证研究，获取并分析学生的学习行为数据，以验证该模型的有效性和科学性。

注：本文系厦门市第十二期中学学科带头人培养对象课题“指向核心技能特征的初中计算思维课程开发研究”（立项编号：XMZXXD202012055）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 龚静，侯长林，张新婷.计算思维能力发展模型与教学程序研究[J].现代教育技术，2018（4）：48-54.

[2] 王荣良.中小学计算思维教育实践[M].上海：上海科技教育出版社，2019.

（作者系北京师范大学厦门海沧附属学校教师）