基于学生计算思维培养视角的初中信息科技课堂教学设计

计算思维在信息科学类问题中表现为抽象思维、分解思维、建模思维、算法设计思维等复杂的思维活动。学生要能综合运用计算思维，设计模拟、仿真、验证等任务或实验，分析问题并解决问题。在实际教学中，教师需重视计算思维在整体课堂教学中的渗透，围绕计算思维教学目标，对课堂展开独创性设计。

一、设计准备：以计算思维为核心，预设教学目标

在课前准备阶段，教师首先应依托课时主题创设贯穿课堂教学的目标。以培养计算思维为侧重点的信息科技课堂，则需要教师在课前结合“机器人走迷宫”知识内容，综合分析计算思维在知识教学过程中的不同表现形式和关联部分，从而构建课堂教学目标。据此，教师可以创设以本课时计算思维为主的课堂教学目标组集，如图1所示。

（一）培养学生的抽象思维

在“机器人走迷宫”教学中，抽象思维表现为：学生需将机器人行走的路径、障碍物等具体问题信息抽象为信息符号、规则等抽象的学习元素，从而构建抽象的迷宫模型，以此解决实际问题的思维活动。

（二）培养学生的分解思维

在“机器人走迷宫”教学中，分解思维表现为：将整个“机器人走迷宫”探究任务分解为一个个小任务的思维活动。通过逐一解决小问题，学生最终完成机器人走迷宫的整体任务，达成本课的教学目的。

（三）培养学生的建模思维

在“机器人走迷宫”教学中，建模思维表现为：学生根据迷宫的特点和机器人的行走规则，通过绘图、实物创造等方式搭建立体、易于理解、便于操作的机器人模型和迷宫模型，从而使机器人按照预设的规则在迷宫中行走，观察机器人行走路线，展开对“机器人走迷宫”课题的探究。

（四）培养学生的算法设计思维

在“机器人走迷宫”教学中，算法设计思维的应用表现为：让学生结合已有的迷宫和机器人条件，设计出一种让机器人快速、准确地找到出口的行走算法（如贪心算法、深度优先搜索算法等）。

二、计划实施：以教材内容为引领，组织项目活动

（一）导学激趣：以趣味情境唤醒项目探究兴趣

在“机器人走迷宫”导学环节，教师可以为学生创设生活化教学情境，借助情境向学生展示机器人在生活中的多元应用，借此唤醒学生的生活经验和认知，以话题讨论和关键性问题为驱动，激发学生的主题探究兴趣。具体教学过程如下所示。

1.视频展示，唤醒兴趣

教师给学生展示微课视频内容《2023年世界机器人大会》片段，展示了多种机器人在制造业、农业、建筑业中应用的多种功能和场景，包括四足机器狗、仿生雨燕机器人、机器鱼水族箱等，让学生了解未来机器人将会被应用于社会生活的更多领域。

2.话题讨论，引入主题

请学生合作讨论如下话题：

（1）机器人能运动起来、完成指定的指令，是什么原理？

（2）视频中的机器人为什么在碰到障碍物之前会自动闪避？

结合话题讨论，教师导入本课重点项目：接下来，我们就来解开关于机器人走迷宫的奥秘！

（二）明确项目：以项目指导培养抽象思维

信息科技活动重在实践、探究和体验。因此，课堂活动以合作学习为宜，能在落实教学目标的基础上进一步培养学生的合作探究能力和科学精神。因此，教师可以选择结构性强、组织性强的项目学习法作为本课教学的主要学习方法，将学生分为若干小组，给学生直观介绍本课时项目学习的基本要求。学生能在这一环节发散思维，从给出的项目课题中抽象出科学探究的一般规律和课堂知识概念，进而目标明确地展开后续探究。

例如，在“机器人走迷宫”课堂上，教师向学生介绍本课流程，如下所示：

1.项目主题：机器人走迷宫

2.项目要求：

（1）分析机器人走迷宫的基本原理。

（2）构建简单的迷宫模型。

（3）能运用正确算法实现机器人走迷宫。

3.项目必须包含的过程：

（1）构建迷宫模型：收集和整理资料，了解迷宫的构造和特点，抽象出迷宫的信息符号和规则，并利用纸张、橡皮泥等材料搭建简单的迷宫模型。

（2）搭建机器人：了解超声波传感器的应用原理，学生根据迷宫模型的特点和行走规则，设计机器人的行走机构和传感器等装置，并利用mBlock软件编程控制超声波传感器。

（3）机器人走迷宫实验

学生将机器人放入搭建好的迷宫模型中，观察机器人的行走过程，记录行走轨迹和遇到的问题，并对算法进行优化和改进。

（4）汇报与评价

学生小组展示项目成果，通过互评、自评等多种评价方式对项目完成情况进行评估。教师根据学生的表现和成果进行评价和指导。

（三）合作探究：以交流讨论培养分解思维

学生小组通过讨论，集中解决“探究活动材料—提出大胆猜想—设计活动方案—明确小组分工”四个主要问题，通过讨论形成书面化项目学习计划并结合计划展开小组分工，进入实践环节。在合作探究中，学生能充分发展分解思维，将复杂性项目目标拆解为多个易于完成的学习目标和探究流程，从而提升项目学习的效率和成功率。

结合本课时内容和学情分析，初中生具备较好的逻辑思维和合作学习经验，能在材料的指引下自主完成上述合作探究步骤。教师预设学生小组“机器人走迷宫”项目活动方案，如表1所示。

（四）实践创造：以实践创造培养建模思维

学生明确项目学习步骤与小组分工后，可以进行组内分工，展开独立探究或双人合作探究，以实践创造的方式完成项目步骤三中“设计迷宫模型”“设计机器人”“编写控制程序”三个实践操作任务，为学生合作实验、获得学习结论做好准备。在实验创造环节，教师需注重教学指导，观察学生实践操作进程，予以技术性指导和思路的点拨，促其完成实验准备工作，获得深刻的建模体验。在三个教学环节中，教师的指导落点分别如下所示。

1.设计迷宫模型环节

（1）指导学生分析迷宫模型的特点和行走规则。

（2）为学生提供迷宫信息符号和规则的抽象化处理建议。

（3）建议学生利用纸板和橡皮泥等材料制作简单的迷宫模型，将迷宫的路径抽象为信息符号，便于后期实验记录。

2.设计机器人环节

（1）指导学生了解超声波传感器的应用原理。

（2）指导学生设计机器人的行走机构和传感器等装置。

（3）提醒学生注意机器人硬件的选择和组装应符合迷宫模型的特点和控制程序的要求。

3.编写控制程序环节

（1）指导学生利用mBlock软件编程控制超声波传感器。

（2）为缺乏思路的学生提供算法设计的思路和指导。

（3）提醒学生注意程序的正确性和可读性，以便后续的调试和优化。

（五）实验分析：以科学实验培养学生的算法设计思维

在实验分析环节中，学生将会借助mBlock软件编程控制超声波传感器，尝试让机器人正确而安全地走出迷宫，正确完成指令，并分析这0TYM7+YL+Eq3dA/yoN/+c/QN1hdHUlPRekm0qlyTMz8=一功能可以用在生活中的哪些场合中。该教学环节中，学生将经历预设结果—记录结果—分析结果—调整参数—重复实验的过程，直至获得正确的指令参数。学生能在这一过程中深度培养算法设计思维，形成良好的计算思维核心素养。

（六）汇报评价：以成果展示培养学生的系统思维

在汇报与评价环节，学生小组将展示项目成果，教师则根据学生的表现和成果进行评价和指导，并邀请学生对本课时的学习表现进行自评与互评。这一环节中，学生需要将项目学习过程中的探究过程、实验数据、控制程序、分析结论等过程和成果进行整理和展示，以培养系统思维。具体步骤如下：

（1）学生小组回顾和总结整个项目学习过程，整理出探究过程、实验数据、控制程序、分析结论等材料。

（2）学生代表轮流上台，将整理好的材料以适当的方式进行展示。

（3）教师上台评价，选出优胜小组并对各个小组的表现加以点评。

（4）学生互评和自评，对项目完成情况进行评估。

综上所述，通过本课时的学习，学生能了解机器人走迷宫的基本原理和实现过程，并能结合探究材料和实践创造培养建模思维和算法设计思维，形成良好的计算思维核心素养。

（作者单位：甘肃省陇南市西和县北川初级中学）

编辑：赵文静