基于OBE-CDIO的计算思维能力培养

袁婷　肖冰

关键词：计算思维；OBE；CDIO；Scratch；教学模式

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）12-0122-04

1 引言

周以真教授于2006年首次提出“计算思维”的概念[1]，之后很多国家都颁布了相关的政策文件，促进国内计算思维教育的发展。我国新推出的《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》已将计算思维列为学科核心素养之一[2]，从思维的角度阐述了信息科技学科的培养目标。随着国家课程改革的推进，小学生的计算思维培养越发受到重视，编程教育是一个很好的承载体。Scratch作为一款积木式的编程软件，操作简单且容易理解，整体设计符合儿童的认知特征，是培养小学生计算思维的重要抓手。然而目前指向计算思维培养的Scratch教学大多采取“重步骤、偏模仿”的教学模式，学生通过模仿范例来学习，缺少深入思考，对程序设计的过程及方法理解不到位，致使学生在课程后期缺乏创造力，无法将所学知识点灵活应用[3]，因而不能有效地促进学生计算思维能力的发展。

OBE-CDIO是一种指向学生高阶思维能力培养的教育理念，近年来受到了学者的普遍关注，在计算思维的培养中也得以应用。学者在Scratch编程教学中融入OBE理念[4]、在Python课程中引入CDIO理念[5]构建新的教育模式，实践表明，研究构建的模式可以锻炼小学生的计算思维，保证教学质量，弥补传统教学方法的不足。虽然已有研究对计算思维的培养展开了一定的实践，但在小学阶段将OBE和CDIO理念融合运用于计算思维培养的研究还处于起步阶段，在Scratch课程中探索构建基于OBE-CDIO理念、培养小学生计算思维的教学模式，是信息科技教学值得探索的问题。基于此，本研究在Scratch课程中构建OBECDIO教学模式及实施流程，以期为以小学生计算思维培养为目标的课程教学提供参考。

2 理論基础

2.1 计算思维

2006年周以真教授首先提出：计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统、理解人类行为的一系列思维活动[1]。此后多名研究者对计算思维展开了深入研究，当前有关计算思维模型或者框架的定义，大体可以分为两部分，一是叙述思维过程，二是确定计算思维能力的要素。从思维过程来看，计算思维是对问题进行逻辑分析和分解、得出详细的解决方案、进行算法设计并实施，最后反思与优化的思维过程[6]。从能力要素来看，计算思维的核心技能可分为问题解决能力、算法思维、批判性思维、合作能力和创造力五个维度[7]。

2.2 OBE-CDIO

OBE-CDIO是OBE和CDIO相融合的教育理念，其中OBE（Outcomes-based Education） 是以能力为导向的教育理念，强调学习成效并以此驱动教学过程，从能力和学习成果出发，逆向建构教学过程，区别于依据学习目标设计和组织教学环节的传统模式[8]。CDIO（构思－设计－实施－运行）是近年来国际工程教育改革的最新成果，以产品研发到运行的生命周期为载体实施教学，使得学生的学习更具主动性和实践性，以此模式培养的学生在未来的企业和社会竞争中会更有优势[9]。OBE以学习成效为导向来组织、实施和评价教育，注重解决“做什么”的问题，也就是学生应该具备的知识、能力和素质；CDIO根据学习成效来确定课程内容、教学方法及评价方式，注重解决“怎么做”的问题，也就是如何使学生具备相应的知识、能力和素质；将两者融合得到的OBE-CDIO理念，应用到新一代信息技术人才的培养中具有一定的实践意义[10]。

2.3 计算思维与OBE-CDIO 的契合之处

OBE理念重视能力培养，强调学生在经历学习活动后应具备的能力及学习成效，教学活动与评价也围绕学习成效展开，该理念的关键是衡量学生能做什么[8]。而计算思维是关于人的内在品质的概念，强调在真实情境面前，利用计算机科学领域的思想、策略、方法和技术解决特定问题的能力[11]，这与OBE理念倡导的能力导向不谋而合。同样的，CDIO理念的四个环节能集中体现计算思维的思维过程，其中“构思”指对问题进行分析和设想（对应计算思维的问题逻辑分析和分解），“设计”指利用流程图等方式表达解决思路（对应计算思维的得出解决方案），“实施”指进行实际操作以达到目标（对应计算思维的算法设计并实施），“运行”指对结果进行评价以便反思优化方案（对应计算思维的反思与优化）[5]。因此，OBE-CDIO理念适用于学生计算思维的培养。

3 面向计算思维培养的OBE-CDIO 教学模式

本文结合近些年研究者的理论成果，构建出一套适合培养小学生计算思维的教学模式（见图1） 。面向计算思维培养的OBE-CDIO教学模式包含任务预习、成果展示、知识学习、内化吸收、小组展示和知识迁移六个环节。

3.1 任务预习

在课前教师提出预习任务，学生以小组合作的方式（2～3人为一组）进行构思和设计。构思是指通过观察日常生活和查阅相关资料，分析预习任务需要解决的是一个什么样的问题，这个问题是否可以分解为多个小问题。设计是指学生可用文字、图片等任意形式来表达解决该问题的算法流程，以便理清问题解决的思路。将构思和设计作为预习任务，可以给学生留出充足的时间进行问题思考、观察和表达，并且在此过程中小组成员可以随时交流想法、集思广益，有助于提高学生的创造力和合作能力。

3.2 成果展示

在每节课的开始，教师邀请各小组上台进行预习任务的成果展示，小组成员从构思和设计的角度细致讲解该任务，教师和其他学生对小组方案进行提问和点评，最后教师以流程图或思维导图的形式，总结预习任务涉及的问题和问题解决的详细步骤。在这个过程中，全班同学一起经历“头脑风暴”，使得学生不再拘泥于一种思路，学会思考其他解决方案的优点和不足，有利于锻炼学生的批判性思维。

3.3 知识学习

学生对问题及问题解决方案逐渐明确后，教师以提问、板书、PPT等多种形式讲解知识点，学生边理解边记录学习的重点和难点。之后教师结合软硬件教具，介绍与知识点相关的程序积木和硬件模块，并按照之前总结的问题解决步骤编写程序，最后将程序录入硬件模块，引导学生观察作品效果，调试程序直到与预期效果一致。

3.4 内化吸收

学生学完知识点后，打开软件自行编写程序，结合硬件调试程序，以促进知识的内化吸收，如有问题可请教组内成员或者举手问老师。在实际问题情境中，学生经过学习、编写、调试和反思程序的过程，能够提高其算法思维和问题解决能力。

3.5 小组展示

各小组完成程序后，依次上台展示本组编写的程序和实现效果、讲解编写的思路和涉及的程序知识点，教师进行针对性点评，并从构思、设计、实施和运行的角度总结该任务，让学生在交流中巩固知识。小组上台展示时，小组成员各司其职，有人负责讲解，有人负责作品展示，有利于锻炼学生的合作能力。此外，学生通过观察其他小组的问题解决过程和作品制作，能够促进其批判性思维的发展。

3.6 知识迁移

教师提出新的学习任务，学生按照构思、设计、实施和运行的步骤，运用本节课和之前学习的知识独立解决问题，实现知识的迁移。然后教师邀请部分学生上台展示解决方案，并对这些方案进行点评，最后对该任务的解决思路进行系统总结。新旧学习任务有较大的相似性，但是又略有不同，学生自主进行探究，有助于及时巩固所学，锻炼学生的创造力、算法思维、批判性思维和问题解决能力。

以上六个环节以两个任务为核心，保证学生每节课都能从构思、设计、实施和运行的角度解决实际问题，符合CDIO理念的实现要求。在整个教学过程中始终坚持能力导向，以计算思维五个部分的能力培养为目标、反向设计教学活动，使每个教学活动都目标明确；对于学生的预习和课堂表现，采取教师评价为主、学生组内和组间评价为辅的方式，结合课堂学习内容从创造力、算法思维等五个方面进行综合评定；对于期末测试，选取和学生生活相关的问题，引导他们按照构思、设计、实施、运行的步骤给出解决方案并制作作品，教师从创造力、算法思维等方面进行评价，此外测试时允许学生自带两张A4纸张大小的手写资料，目的是让他们摆脱繁重的记忆工作，将更多的精力放在知识点的理解和问题的解决思路上。以上对教学目标、教学活动和评价过程的设计，满足OBE理念的实施要求。

4 面向计算思维培养的OBE-CDIO 教学案例

本研究以上海市某小学Scratch编程社团课为依托，课程内容包含声控灯、水果钢琴、警报灯、噪音探测器、超声波测距仪、亮度测量器、指示小夜灯、简易手机云台等15个和学生生活紧密相关的作品。该课程使用图形化编程软件Codecraft（基于Scratch3.0平台研发而成），配套操作简单、易连接的硬件设备Grove Zero，实现软硬件结合，提高小学生编程学习的实践性。下面以“警报灯”课程为例，从任务预习、成果展示、知识学习、内化吸收、小组展示和知识迁移六个环节进行案例分析。

4.1 任务预习

在课前教师预告本节课的学习任务是制作“警报灯”，要求学生通过观察日常生活中的警报灯，以小组为单位、分析警报灯的功能和实现算法，以文字、思维导图、流程图等形式表达小组的分析结果和算法设计思路。

4.2 成果展示

开始上课时，教师邀请各小组上台展示预习成果并逐个点评，最后进行总结：正如大家所观察到的警车、救护车上会放置警报灯，当遇到紧急情况时，人们会按下警报灯上的“开”按钮，警报灯便会闪烁红色灯光和发出声音来提醒人们；当紧急情况解除后，人们可以按下“关”按钮，警报灯便会熄灭灯光并停止播放声音。因此制作警报灯需要开关、灯、喇叭等设备，并且有警报提醒和警报解除两种情况需要处理。

4.3 知识学习

教师结合实物，介绍制作警报灯需要用到的双按钮开关、可调彩灯、蜂鸣器等硬件模块，然后结合PPT和板书讲解循环的概念，阐述无限循环、次数循环和不确定循环的含义，用“告诉小马跑三步就停下”“告诉小老鼠把所有扣子扣好才能出去玩”“告诉小兔子要不停地吃东西补充能量”的例子帮助学生理解这三种循环的区别。最后教师打开Codecraft软件，结合之前总结的算法流程，介绍需要用到的编程积木、编写警报灯程序并完成调试。

4.4 内化吸收

学生以小组为单位自行编写警报灯程序，并结合硬件进行调试，教师实时观察学生表现，根据各小组的情况进行适当辅导和答疑解惑。

4.5 小组展示

各小组制作完成后，上台展示制作的警报灯并讲解制作思路，教师进行逐个点评，并就学生在编程过程中出现的共性问题进行讲解，最后从构思、设计、实施和运行的角度总结该作品。

4.6 知识迁移

教师要求学生独立制作新作品“门铃”，明确按照构思、设计、实施和运行的步骤完成作品，之后请部分学生讲解并展示作品，最后教师进行概括总结。门铃的设计思路是：当双按钮开关被按下，可调彩灯应变换灯光、蜂鸣器播放一段旋律，否则可调彩灯熄灭、蜂鸣器停止播放。所用编程知识点和警报灯类似但又略有不同，有助于知识迁移的发生，警报灯和门铃的程序见图2。

5 实验

5.1 研究对象

采用准实验法，选取上海市某小学五年级的两个班，一共70 名学生，其中A 班35 人为实验组，采用OBE-CDIO教学模式；B班35人为对照组，采用传统教学模式，按照学生课前预习、教师演示作品、教师讲解知识、学生自主编写、交流展示、鞏固练习六个环节实施教学。实验假设是：OBE-CDIO教学模式比传统教学模式更能促进学生的计算思维发展。

5.2 研究工具

采用认可度高且适合小学生的、张屹团队开发的、包含23个题项的计算思维量表[12]，从创造力、算法思维、批判性思维、问题解决能力和合作能力五个方面对小学生的计算思维水平进行测量。为了验证此量表的适用性，实验前选取部分学生对量表进行了测试，后利用SPSS 25软件对所得数据进行分析，得到Cronbach′s Alpha值为0.942、KMO值为0.624和Bartlett球形检验值为0.000，均符合正常值，说明该量表具有良好的信效度。

5.3 研究过程

研究从2022年9月初开始，到2022年12月末结束，历时四个月。实验组采用OBE-CDIO教学模式，课程包含15个教学作品，共授课15课时，每周1课时；对照组采用传统教学模式，课程内容、授课课时及频率和实验组一致。分别于课程教学开始前和结束后测试两组的计算思维水平，并分析其变化情况。

5.4 数据分析

在实验开始及结束后，采用问卷的方式对两组学生的计算思维水平分别进行前后测，实验组发放了70份后回收70份，对照组也发放了70份并回收70份，问卷的回收率及有效率均为100%。

使用计算思维量表对学生进行前测，数据经过SPSS 25分析后结果显示（见表1） ，在创造力、批判性思维等五个维度上，数据均呈现方差齐性（sig > 0.05） ，说明在实验开始前，实验组和对照组在计算思维的五个维度上均不存在显著性差异，即为同质样本。

四个月后对学生进行后测，使用SPSS 25对数据进行独立样本t 检验（见表2） ，结果表明，实验组和对照组在计算思维的五个维度上均产生统计学意义上的变化。其中，在问题解决能力、算法思维、批判性思维与合作能力上，实验组与对照组相比出现较高水平的显著性差异（sig < 0.005） ；在创造力维度上，实验组与对照组相比出现了显著性差异（sig < 0.05） 。因此，采用OBE-CDIO教学模式比传统教学模式能更好地提升小学生的计算思维水平。

6 结论与建议

本文在反思传统Scratch教学培养计算思维局限性的基础上，分析了OBE-CDIO理念和计算思维培养的契合之处，设计了基于OBE-CDIO理念、以小学生计算思维培养为目标的教学模式，并给出了教学案例。实证研究表明该模式能很好地提升小学生的计算思维水平，为在小学阶段将OBE-CDIO理念引入计算思维培养的研究提供了可行方案。但模式的实施需要软硬件教学环境的支持，对教师课堂把控的能力有一定的要求，建議教师根据实际教学条件进行实践和改进。