聚焦问题解决，发展计算思维的初中编程教学实践——以“自动温控风扇设计”一课为例

李伟 上海市朱家角中学

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）对各年龄阶段的课程内容做了划分，其中5～6年级阶段“过程与控制”课程内容的要求是：“学生能认识到过程与控制广泛存在于日常生活中，知道其中的反馈、环路、优化等概念，针对简单的过程与控制系统，能通过编程进行验证。”基于这个阶段的学生特点，“过程与控制”模块的学习以基本概念原理为主，学习目标是提升学生思维能力和知识迁移能力，但缺乏实践体验对学生理解控制过程是不利的。那么，如何设计优化课堂学习活动，使教师教学和学生学习更接近新课标的理念和要求呢？笔者尝试在项目化学习活动设计中，针对发展计算思维引导学生反复体验问题分解、逐步抽象、建立模型、算法设计与验证的过程，以提升学生数字化学习适应力、胜任力和创造力。

●学习项目：自动温控风扇的设计与实现

项目情境来源于生活中常见的现象——台式计算机机箱里的风扇工作情况，要求学生通过观察计算机工作时机箱中风扇什么情况下转动和停止，探究自动温控风扇系统的功能，并尝试将系统按功能模块分解，探究各功能模块的算法逻辑和控制过程。学生完成项目需要利用图像化编程软件配合micro：bit开发板，搭建一个能够根据温度自动启停风扇的散热系统。在项目学习实施过程中，重点关注活动设计与问题解决两方面的关系，通过问题分解、逐步抽象、建立模型以及算法设计，在逐步实现自动温控风扇的过程中发展学生计算思维。

●学习活动1：自动温控风扇的探究与功能分解

学生根据平时使用计算机的经验及听到的声音，只知道风扇有时会转动，具体直观的感受缺失。因此，教师拍摄了一段打开台式计算机机箱盖，观看计算机工作的视频。视频中显卡的风扇从静止到转动，风扇的转动速度明显呈现快和慢两种状态。学生通过观看这个视频，结合已有生活经验，在教师的引导下明确将自动温控风扇系统功能分解成两个部分：①实现风扇随着温度升高开始转动，温度降低停止转动的功能；②在第一个功能的基础上实现随着温度继续升高，风扇转速加快，降温后风扇转速恢复正常的功能。

●学习活动2：自动温控风扇的初步搭建

1.情境引入

情境来源于生活，情境中碰到的问题可以作为后续思维学习的材料。以计算机机箱内风扇转动情况的视频作为情境引入，教师同时预设了三个关联的问题：风扇有什么作用？风扇什么时候转，什么时候停？接下来搭建的自动温控风扇系统设置温度为多少时风扇开始转动？前两个问题学生能很快回答出风扇的作用是散热，温度升高时风扇转，温度降低时风扇停。对于第三个问题，学生经过讨论后得出结论：设置的温度要略高于当前温度。而开发板芯片的当前温度测试是前一节课学生学习过的内容，因此，教师当场演示通过程序测出开发板芯片的温度为29摄氏度。有了这个铺垫，学生讨论出设置临界温度（阈值）为31摄氏度。

2.游戏体验

在明确了系统的临界温度后，如果直接让学生进入算法设计和编程实现是有难度的。因此，教师设计了让学生用左手扇风来模拟风扇转动的游戏体验活动。具体过程：教师依次出示30摄氏度、32摄氏度、29摄氏度三个温度值，学生根据临界温度的值判断风扇的状态，并用左手模拟演示。有了这个抽象的基础，进一步引导学生把手的动作变化抽象为流程图里的关键步骤，左手扇对应风扇转，左手停对应风扇停。

随着流程图的补充完善，学生已经建立了编程的基本模型。接下来，在编程软件中选择合适的语句实现，语句中的执行条件和执行内容语句，学生也能根据流程图的模型写出来。

3.抽象建模

纵观学习活动2这个环节，在学生思维无法一步达到目标的情况下，通过引导学生用手扇风模拟风扇转动进行游戏体验，这是初步抽象过程。然后根据导学单上的提示引导学生用自然语言表述系统工作过程：比较当前温度与临界温度，如果超过31摄氏度，则风扇转，不超过31摄氏度，则风扇停，有了这个基础再进行流程图表达填空，这是进一步抽象和建模的过程。最后在图形化编程环境中进行算法设计，编写出程序。程序完成后配合开发板、风扇等硬件完成搭建，模拟实现温度升高时风扇转、温度降低时风扇停的自动温控风扇系统。整个学习过程完整地体现了抽象特征，建模和算法设计，加上前面学习活动1的问题分解，这些思维活动都是学生在运用计算机科学领域的思想方法形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。完整的思维路径如图1所示，学生在这个学习活动中运用了自然语言、流程图和程序代码三种表达方式，另外通过不断经历分解、抽象、建模和算法设计等思维活动，学生的计算思维必将逐步得到发展。

图1

●学习活动3：风扇运转快慢的自动实现

本学习活动是在初步实现自动温控风扇的基础上，加入第二个风扇，用两个风扇同时转代表运转快的情况，一个风扇转代表运转慢的情况。这是一个优化问题解决方案的过程，在基本实现温控自动风扇的基础上，实现随着温度再升高，风扇转得快的功能，这样就和现实生活中的计算机自动温控风扇功能更接近，相对而言任务也更具有挑战性，因此对应的抽象过程要进一步细化。参照学习活动2的抽象过程，引导学生体验用左右手扇风模拟两个风扇状态的游戏。

师生首先讨论出临界温度2要略大于临界温度1（31摄氏度），最后确定为33摄氏度。然后根据自动温控风扇的工作过程，教师出示五个温度值：30→32→34→32→30。学生用左手模拟风扇1，右手模拟风扇2，在教师出示温度时，两只手配合做出相应的动作。教师根据学生的反馈形成温度和动作的对应表，如图2所示。这时因为动作由双手做出，情况比较复杂，直接根据动作表建模在流程图中填写四种风扇状态还是有困难的，因此需要引导学生进一步抽象，采取的策略是排除无关项，聚焦风扇状态的改变即“动作变化”。把随着温度变化的五个“动作”进一步抽象为“动作变化”。从初始状态两个风扇都停止开始，学生的手上动作变化依次为“左手扇→右手扇→右手停→左手停”。经过这样更为聚焦的抽象，学生能够把四种状态对应的“风扇1转→风扇2转→风扇2停→风扇1停”填入到流程图中相应的处理框中。在流程图补充完整后，运用两个分支语句实现根据温度不同，呈现风扇的四种状态。

图2

●学习活动4：搭建系统，交流展示

最后的学习活动是在编程环境中编写完善代码，连接开发板及其硬件设备，验证整个自动温控风扇系统的正确性。作品的展示交流是项目活动中必不可少的环节，成果展示作为结果性评价，很大程度上反映了学生学习的效果。当第一个做出来的小组向全班学生展示他们的作品时，表现出很大的自信，对教师提出的问题思考回答也都到位。当然，展示环节不仅仅是重复让做成功的小组依次展示，更重要的是对没有完成的小组加以关注，也可以请他们展示作品目前的状态，师生一起帮助找出未成功的原因。通过师生一起合作解决典型错误，有着同样错误的小组能够及时更正，最后调试成功率就会增加。

从整个教学过程可以看出，发展学生计算思维的关键是通过“情境体验→任务分解→逐步抽象→建立模型→算法实现”这一过程将学生的生活经历和学科思维与知识相结合，使其真实感受到计算方法与自动化实现的过程，在实践体验程序设计每个环节的过程中形成问题解决中一系列分解、抽象、建模以及算法设计等计算思维活动。其中，初步抽象的过程借助了游戏体验。游戏体验为计算思维发展提供思维材料，能够激发学生的学习兴趣，使学生乐于参与，同时能够调动学生已有的生活经验，学生将自己置于这样的游戏情境中去思考问题，有利于抽象思维的完成。另外，游戏情境与教学主题具有很强的关联性，通过游戏的体验和教师的引导，学生能够基于已经掌握的信息科技学科的知识和方法，分析游戏情境，直至用数据表达计算模型，这样的思维过程也是计算思维养成的过程。

总之，计算思维教育不是单纯的知识学习，而是思维发展；计算思维教育不是孤立的“代码编写”，而是过程性的“程序体验”。本课利用设计生活中常见的自动温控风扇系统来开展教学，帮助学生认识如何利用计算机来处理生活中的实际问题，从而发展学生的计算思维。