基于PBL教学模式的计算思维培养研究

摘 要：计算思维是信息技术学科四大核心素养之一，采用何种教学模式能更有效地培养学生的计算思维是值得我们关注的问题。PBL教学模式以问题为导向，强调学习者的主体地位，通过创设真实的问题情境，引导学习者发现问题并独立思考分析问题，合作解决问题。在小学信息技术课程尤其是机器人模块的教学中，PBL教学模式的应用不仅能优化学习者的学习活动，还能培养其计算思维和解决问题的能力。文章以《机器人机械手》一课的教学为例，探讨了基于PBL教学模式的计算思维培养路径。

关键词：PBL教学模式；计算思维；小学信息技术

作者简介：王柏姣（1994—），女，江苏省苏州市昆山开发区世茂蝶湖湾小学。

随着时代的发展，小学信息技术教学重心逐渐转变为对学生思维能力的培养，要求让学生学会学习的方法，能应用知识解决实际问题。《基础教育课程改革纲要（试行）》提出，要倡導学生主动参与、乐于探究、勤于动手；要培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。在小学阶段，机器人模块是新技术类教学内容的重点，其注重提高学生解决问题的能力，培养学生的计算思维和创新精神，这恰好与运用PBL教学模式来培养学生的计算思维的目标相一致。

一、PBL教学模式与计算思维的内涵

（一）PBL教学模式

基于问题的学习（PBL）是一种以问题为基础的课程教学模式，教学目标是提升学生的问题解决能力［1］。PBL教学模式以学生为主体，以问题为中心，重视创设真实的生活情境，帮助学生转变学习方法，优化思维方式，让学生在小组合作解决问题的过程中提高分析问题和解决问题的能力，从而提升信息素养。PBL教学模式的基本流程如下：创设情境，提出问题；划分小组，分析问题；协作学习，解决问题；展示成果；总结反思；评价反馈［2］。

（二）计算思维

新课程标准指出，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思维活动。具备计算思维的学习者，在信息活动中能界定问题，科学地采集数据，分析各种信息资源，进而能运用合理的算法形成解决问题的方案，并迁移到与之相关的其他问题的解决过程中［3］。国内外一些专家针对计算思维的能力要素提出了自己的观点，而本文主要探讨小学生的计算思维培养目标，因此能力要素主要指向分解、抽象、算法设计、调试和迁移。

二、构建基于PBL的计算思维培养教学模型

（一）构建依据

计算思维的培养与问题解决过程具有紧密的联系。PBL教学模式以学生为中心、问题为导向，促使学习者通过小组合作的形式共同解决一些生活中的实际问题，并让学习者在探究问题解决方法的过程中培养计算思维。机器人模块是信息技术学科的重要内容之一，注重学生对问题解决方案的规划和探究，实现学生思维能力的提升［4］。因此，运用PBL教学模式有利于在机器人教学中培养学生的计算思维，进一步提高学生解决实际问题的能力。

（二）基于PBL的计算思维培养的教学模型

在小学信息技术课程尤其是机器人模块的教学中，教师要将教师、学习者与问题紧密结合起来，创设真实的贴近学生生活的情境，围绕计算思维的五大要素来设计学习活动；学生则要运用计算思维的方法合作探究解决问题，以培养自己的计算思维。笔者基于诸多专家、学者的观点，结合自身教学经验，将计算思维五要素融入PBL教学模式的教学流程，构建了基于PBL的计算思维培养的教学模型，如图1。

●PBL流程一：创设情境，提出问题

PBL教学模式中，问题是教学活动的核心。创设情境可以激发学生的兴趣和动力，充分调动其学习的积极性。因此，教师应依据教学目标，选择恰当的情境设计问题，促使学生主动思考。这样，学生会在问题的引导下积极思考、分析并探究解决方案。

●PBL流程二：划分小组，分析问题

计算思维要素：分解

PBL教学模式强调以小组协作的方式解决问题。教师在进行分组时，既要尊重学生的意愿，又要考虑学生的个体差异。此外在小组人数方面，教师要根据学习问题的难度，将小组人数控制在三到六人之间。分析问题时，学生要运用计算思维中的分解要素，将复杂问题分解为多个简单问题后，再规划解决的方案。

●PBL流程三：协作学习，生成方案

计算思维要素：抽象、算法设计

此环节教师主要发挥引导者的作用，针对问题适时进行提示，提供解决问题的相关信息资源，适时给予个别指导。而学生则要在教师的引导下，将现实生活中的问题抽象表达成计算机可以识别的形式（抽象），进而利用一系列指令或者规则准确完整地描述解决方案（算法），并将解决方案通过编程转化成计算机可以执行的指令，这也是学生以小组为单位生成方案的过程。

●PBL流程四：自主探究，解决问题

计算思维要素：调试

信息技术课堂上的作品很难一次就能完成，需要经过反复的修改、完善。在这一环节，学生通过调试能发现方案中存在的问题，进而反复修改找到最优方案（调试），最终解决问题。

●PBL流程五：分享交流，总结反思

在总结分享环节，教师应组织学生对作品进行展示，让各小组汇报探究过程中遇到的问题及解决方法，进行自评和反思，并让学生在展示成果、欣赏作品的基础上分享经验，总结归纳所学知识，构建知识体系，内化知识，拓展思维空间。

●PBL流程六：拓展延伸，发散思维

计算思维要素：迁移

此环节学生要根据实际需求和情境进行合理的个性化作品创作，将所学的知识技能和思维方式进行拓展延伸，解决实际生活问题。这样，学生能结合整个解决问题的过程，发现、分析和实施有效的解决方案，并将这种解决方案迁移到其他问题中［5］。

三、基于PBL的计算思维培养的教学实践案例

笔者以苏科版小学信息技术机器人模块中的《机器人机械手》一课为例展开实践研究。本课是一节社团主题活动课，依托乐高机器人设备和Wedo 2.0编程平台开展。本课的学习目标是了解机器人机械手的工作原理，并通过硬件结构的搭建和相关程序的编写，实现机械手的抓取活动。

（一）创设情境，提出问题

教师通过多种方式创设真实的、贴近生活的问题情境，符合教学大纲及学生的学习需要。本课教学中，教师结合学生的生活和学习场景，设置了实际生活中的问题——如何帮助手部有缺陷的人重获运动能力？在引发学生人文关怀的同时，激发学生对机械手的探究兴趣。

师：请大家伸出一只手，试一试你的手能做出哪些动作？（教师举起一只手）

生：抓东西、放东西、做手势……

师：人手可以做出许多动作（教师做出拿起笔筒、放下笔筒动作），如果一个人无法做出其中一种或多种动作，还能完成某些运动吗？（播放手部有残疾的人的视频片段）那我们如何利用科学技术来帮助他们呢？

生：機器人、智能机械手。

师：随着科技的发展，机器人机械手可以帮助人们重新获得相应的运动能力。（播放“仿生机械手”视频）今天我们就来探究如何利用机械手抓取物体。

（二）划分小组，分析问题

教师根据学生特点进行分组，分组时注意各组能力均衡。学生之间、学生和教师之间是互相尊重、彼此平等的，教师要积极引导学生思考，大胆提出自己的想法。机器人教学中，每个小组有四名成员：一名小组长，一名操作手，一人主攻搭建，一人负责编写程序。教师引导学生认真观察人手的构造和了解生活中机械手应用的实例，并进行分析思考，初步构建任务模型。

（三）协作学习，生成方案

1.抽象模型，制作机械手

教师引导学生简化问题，将问题进行分解。学生再结合教师分享的多媒体资源，设计机器人机械手，抽象出机器人的主要结构，简化机器人模型。

师：怎样搭建机器人机械手结构，实现抓取物体的运动？

学生小组讨论，交流想法。

小组1汇报：利用齿轮增加机械手抓取物体的摩擦力。

小组2汇报：通过马达转动，带动皮筋转动滑轮，进而带动齿轮张开和闭合。

各小组动手搭建机械手结构模块。

2.算法设计，编写程序

在完成结构搭建后，教师引导学生设计机械手运动的算法。此环节中，教师引导学生先完成流程图，再通过编写程序代码实现抓取活动，让学生逐步明白算法的含义，逐渐形成解决问题的算法思想，培养计算思维。

【基础任务】控制机械手的张开和握紧动作，抓取花朵并放到终点位置。

小组合作完成流程图后汇报：使用马达运行块，结合顺时针方向块实现张开动作，结合逆时针方向块实现握紧动作。

学生编程，控制马达的运转方向实现机械手抓取物体的运动。

【升级任务】控制机械手连续抓取花朵和插头并放到终点位置。

师：要连续抓取两个物体，我们该如何编写程序呢？

学生小组讨论交流，编写程序，尝试实践。

小组汇报：抓取两个物体，需要进行2次抓取和放下，4次张开和握紧，因此需要8个方向块。

（四）自主探究，解决问题

机器人机械手制作完成后，学生进行实践测试。机器人有可能会因为各种问题导致没有完成任务，例如结构不够稳定、程序中有语法错误等。此时，教师注意引导学生寻找问题所在并修正错误。

1.调试程序

师：机械手抓取物体时，遇到了什么问题？没有成功的原因是什么？

生：机械手在抓取花朵时，张开握紧的速度太快，来不及抓取。

师：怎样调试修改程序使其顺利抓取呢？

学生优化程序后再次尝试实践，得出解决方法：增加“等待”程序块。

2.优化程序

师：我们来看这个小组的程序（如图2），你有什么想法？

生1：程序太长了，有点烦琐。

师：有什么解决办法吗？其他小组的方法是什么？

生2：用循环简化，找到相同的程序块，加一个“重复块”。如图3。

学生优化程序并实践。

（五）分享交流，总结反思

此环节中，在各小组展示成果后，学生进行自评和反思，想想在探究实践和解决问题的过程中，哪些方面做得好及哪些方面有待改进。学生在反思与思维的碰撞中能有效地归纳总结方法与经验。

分小组展示各组最终成果。

师：大家已经得出控制机械手抓取物体的方法，有什么收获？

学生讨论交流，汇报想法。

生1：运用方向块、功率块、重复块等程序块可以实现机械手抓取物体的运动。

生2：编写程序时，由于搞不清方向块和功率块的次数，在实际抓取物体时遇到了问题，重复块的次数要具体分析。

生3：调试程序时，要注意左右方向块的顺序和次数、等待时间、马达功率等的设置。

（六）拓展延伸，发散思维

在最后一个环节中，教师要对教学内容进行适当的拓展与延伸，根据本课内容并结合后续的学习，设计拓展性问题，培养学生的问题意识，将此类解决问题的方案迁移到其他类似的问题解决过程中，实现知识的迁移应用，培养学生的发散思维，激发学生的创新意识及创造精神。

【挑战大比拼】在相同时间内，比赛抓取并放下物体，数量最多的小组获胜。

各小组编写并调试程序，计时一分钟，比赛看哪个小组的机械手抓取物体的数量最多，并汇报情况。

生1：编写程序要注意马达的速度和循环块的次数，修改机械手的马达功率可以提高抓取能力。

生2：物体的大小和形状都会影响机械手的抓取效果。

师：通过今天的探究，我们学会了制作机械手完成物体的抓取和放置动作。这只是相当简单的功能，我们还可以对它进行改造，比如增加更多的传感器、改造机械手的形状、拼装更多部件等，实现更复杂的动作。（延伸机器人机械手的运用）

结语

计算思维在生活中应用广泛，其注重问题求解的最佳形式，能使复杂问题简单化，帮助人们解决复杂的问题。因此，计算思维的培养不应局限于课堂，而是要回归学生的实际生活，提高学生解决问题的能力。

［参考文献］

吴宪辰，刘奎. 面向计算思维培养的高中人工智能课程PBL教学模式研究［J］. 中国现代教育装备，2020（10）：33-35.

刘静. PBL在高中信息技术课程中的应用研究［D］. 武汉：华中师范大学，2018.

沈茹. 在Scratch教学中培养计算思维［J］. 教育研究与评论（小学教育教学），2018（12）：66-69.

王蕾. 机器人模块中践行计算思维的设计途径：以《机器人循光》一课为例［J］. 中国信息技术教育，2018（6）：12-15.

张婷. 小学生机器人教学中计算思维培养的实践研究［D］.成都：四川师范大学，2019.