张 静

(常州市武进区湖塘桥第二实验小学,江苏常州,213161)

一、引言

随着互联网、大数据、云计算、区块链和人工智能等一系列新技术的出现,信息科技飞速发展,逐步为我们构造了一个全新的信息化生态环境。信息科技课程教学必须紧跟时代发展的需求。为更好地顺应数字时代的发展,教育部印发《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》(以下简称新课标),引领信息科技课程走上新台阶。新课标提出的课程总目标强调了要全面提升学生数字素养与技能,数字素养与技能和课程核心素养紧密相连。在核心素养四大要素中,计算思维的培养尤为重要。计算思维的培养不是单纯的学习知识,而是培养学生能够运用符合数字时代的思维方式思考和处理信息问题。[1]新课标的提出给一线教师带来了全新的挑战,需要教师转变传统信息技术教学理念,同时为一线教师带来了不断学习、自我发展的机会。本文以新课标“过程与控制”模块内容设计的“优化教室照明系统”一课为例,详细阐述了抽象问题核心、分解建模系统、算法设计、思维迁移四大环节的具体教学活动的实施过程。在实践中不断探索操作性强的思维训练理论和促进学生思维发展的教学策略,以期为一线教师新的教学理念、教学方法提供借鉴。

二、计算思维内涵的发展与培养现状

(一)内涵的发展

“计算思维”这一名词最早由西摩·派珀特于1980年提出,他在自己撰写的《头脑风暴:儿童、计算机及充满活力的创意》一书中表明了儿童要学会在学习计算机的过程中提高自身思维能力的愿景。但他没有对这种思维能力进行明确的阐述。[2]2006年,周以真正式提出了计算思维的概念,它是“利用计算机科学实现问题求解、系统设计、理解人类行为的一种思维活动”。[3]多年来,许多国内外的专家、学者和相关机构都对计算思维进行了定义,其中,问题解决、过程、抽象、算法、有效等词汇在定义中高频出现。可见,计算思维核心内涵的定义是共通的。

随着信息科技的日新月异,基础教育信息技术学科领域也发生着巨大的变化。2017年《江苏省义务教育信息技术课程纲要》指出,计算思维是义务教育信息技术学科的核心素养之一。[4]新课标进一步指出了计算思维的内涵,“计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法,在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动”[5],为一线教师阐明了计算思维培养的教学指导,充分体现了培养儿童计算思维的迫切性和重要性。

(二)培养现状

如何在信息科技课程教学实践中培养学生的计算思维,提高学生的算法实现和思维表达能力,这是信息科技一线教师一直在探索和研究的问题。然而,该教学实践目前的教学效果并不理想,学生的计算思维没有得到显著提高。主要原因体现在以下几点。

1.教师不主动更新教学思维

尽管从2017年起,义务教育阶段信息技术学科就开始提出计算思维的培养,但许多教师仍采用陈旧的教学模式进行技能操作灌输,侧重对学生技能的培养,只关注学生工具软件的掌握情况,不愿主动学习新的教学理念,导致教师对计算思维的认识不够透彻。因此,要培养学生的计算思维,教师首先要意识到培养计算思维对提高学生能力的重要性。教师需要主动学习,深入了解计算思维,积极学习相关理论与实践案例,不断改变传统的教学模式,提高创新意识。根据新课标要求,在教学实践中合理优化、创新和完善内容。

2.思维工具的运用流于形式

计算思维的培养常常需要借助思维导图、流程图等思维工具,这些工具可以将一个大问题分解成多个小问题并清晰地展示出来,让思维可视化,帮助学生以系统的思维解决问题。然而,在具体的实践教学过程中,部分教师为展示自己在教学活动中培养了学生计算思维的设计意图,处处使用思维导图或流程图,流于表面形式,没有深入思考思维工具的使用是否恰当。这不仅没有取得好的效果,还给学生造成了额外的学习压力,教师课堂时间也受到影响。因此,思维工具的使用要慎重考虑时间、环节、效果、学生等因素。

3.学生的配合度不高

信息科技学科是大多数学生比较喜爱的学科,学生学习积极性普遍较高。然而,一般信息科技课程一周只安排一节课,学生的注意力主要集中在计算机的操作上。教师下发的学习单、思维导图或流程图的绘制填写、汇报展示等为培养计算思维精心设计的环节往往得不到学生的配合,这也直接影响了计算思维的培养效果。因此,教师必须积极地引导、趣味地吸引学生耐心完成教师布置的学习活动,在这些学习活动中凸显学生的主体地位,使学生的计算思维在学习实践中逐步提升。

三、小学信息科技计算思维培养的教学实践

本文以小学第三学段“过程与控制”中的内容设计教学过程,紧抓计算思维的内涵关键,通过抽象问题核心、分解建模系统、算法设计、思维迁移,将学生的生活经验和信息科技知识与思维紧密结合,让学生充分感受过程与控制系统的实现过程。计算思维在学习过程中得到潜移默化的提高。[6]

(一)聚焦真实问题,抽象问题核心特征,启蒙计算思维

教学片段1:

教师播放视频《教室里灯的烦恼》,请学生说一说发现了哪些问题?

学生回答预设:无人灯浪费电;光线暗,不开灯伤害眼睛。

教师:普通的照明系统,我们只能利用开关控制灯亮与灯灭。怎样让我们教室里的照明系统变得智能化?

小组讨论:设计一个智能教室照明系统,用“如果……那么……否则……”的句式描述。

学生回答预设:如果有人,那么灯亮;否则,灯暗。如果光线暗,灯亮;否则,灯暗。如果有人且光线暗,灯亮;否则,灯暗。

学生解决问题的过程是培养计算思维的关键,而问题应来源于学生的生活实际,便于学生融入情境,引起共鸣。一个好的教学情境可以有效激发学生的学习积极性,自然活跃课堂气氛。根据课程标准要求和教学目标,教师应当以学生现有的知识水平和认知情感为出发点,创设既趣味又具现实性的情境,并精心设计,将问题自然贯穿于每个教学环节,引导学生保持积极的思维状态逐步解决问题。新课标倡导真实性学习,要以学生熟悉的、身边真实发生的问题创设情境,促使学生开展真实性学习,提高学生利用信息科技解决实际问题的意识和能力。教师从学生熟悉的教室场景中发现问题,以教室照明系统为研究主线,通过真实情境引导学生提出照明系统的优化策略。

新课标提出,在面对日常学习与生活遇到的问题时,学生要能找出问题的基本特征,并学会用自然语言的方式正确描述问题求解的方法,从而得出解决问题的方案。[5]通过观看视频,学生很快发现教室的灯存在两种使用不当的情况:一种是无人时开灯,一种是光线暗时不开灯。针对这两种情况,教师组织学生开展小组讨论,使用“如果……那么……否则……”的句式引导学生用简单的语言描述解决问题的多种方案,明确了优化照明系统必须既要判断是否有人,又要判断光线是否较暗,在不同方案中选出最优方案。通过这一系列思维的碰撞,学生将复杂的智能教室照明系统抽象为判断是否有人、判断光线亮度的过程,抓住了解决问题的核心要素。教师成功引导了学生根据生活中的真实经历提出问题,组织学生思维碰撞,共同界定问题、分析问题,并用最简单的语言描述问题,思考不同的策略解决问题。这能够有效帮助学生把生活经验直接转换成算法思维,启发学生运用计算机科学领域的思想方法思考问题。

(二)绘制流程图,分解、建模系统,发展计算思维

教学片段2:

小组根据自然语言描述,选择一种解决方案,用流程图形式展示智能照明系统的工作过程。如图1所示。

图1 教室智能照明系统流程图

小组根据填写的流程图汇报展示系统设计。

小组讨论:观察流程图,智能照明系统由哪些模块组成?不同的模块经历怎样的工作流程?不同的工作模块有什么相似点。

学生预设回答:两个模块,检测人,检测光线。都是先检测,再判断,根据判断结果执行不同的操作。

师生共同分析工作原理:第一步都是先检测,检测出来的值进入系统,我们把这个过程称为“输入”;第二步都是判断,对检测出来的值进行判断,判断是否有人,判断亮度是否较暗,我们把这个过程称为“计算”;第三步执行下一步,如果检测结果是有人,还要再检测光线,否则灯暗;如果检测亮度较暗,那么灯亮,否则灯暗。我们把这个得出结果后执行相应操作的过程称为“输出”。

师生小结:这两个模块都经历了“输入—计算—输出”三个环节,我们把像这样经历三个环节的系统称为“过程与控制系统”。通过这样的分析,我们就能够了解智能照明系统实现过程与控制的原理。

面对复杂的现实问题,学生无法直接解决,教师要从学生立场出发,积极引导学生主动探索问题本质,引导学生找到解决问题的方法,使用思维导图、流程图等可视化工具分析解决问题的关键要素,显化思维,将一个大问题分解为多个小问题,并根据已有知识经验尝试不同的解决方案,一步步推进学生思维发展,让学生真正成为问题的发现者。本课是学生第一次接触认识“系统的设计与优化”,虽然生活中广泛存在着可以抽象为“输入—计算—输出”三个环节的“过程与控制系统”的智能设备应用,但学生没有过多关注其中的系统原理,对系统缺乏认识和思考,直接讲“过程与控制”的概念比较专业,学生难以理解。因此,教师引导学生根据前面分析的自然语言的描述,填写相应的流程图,利用流程图更直观地展示教室照明系统的工作过程。这既是对学生思维力的训练,也是展示思维成果的好方法,有利于提高学生的算法思辨能力,促进学生认知与思维观念的发展。

新课标指出,学生要能够分析生活中的过程与控制系统,了解一个大系统可以由多个小系统组成,不同的系统中存在相似的组成部分。[5]通过流程图中的符号和文字,学生很容易发现复杂的智能教室照明系统由“检测人”“检测光线”两个小系统组成,这两个系统又有着相似的工作流程。教师逐步引导学生识别系统中的“输入”“计算”“输出”三个环节,从整体到模块,从一个大系统到若干个小系统,用这样的思维方式引导学生深入理解教室照明系统的工作原理,为后续使用这种方式思考和分析其他的过程与控制系统打下基础,学生计算思维得以有效发展。

(三)系统模拟搭建,准确算法设计,强化计算思维

教学片段3:

小组根据流程图,利用图形化编程软件搭建脚本,结合开源硬件设备中合适的传感器搭建系统,验证系统正确性。

学生预设操作:选用“红外传感器”或“热释电传感器”等检测仪,选用“光敏传感器”检测光线亮度,选用“红绿双色灯”模拟教室灯。不断调整参数,模拟教室照明系统功能实现。

小组汇报、展示模拟系统实验成果。

程序设计是培养学生计算思维的有效方法。新课标要求,学生要掌握编程的基础知识,根据求解问题进行分析和算法设计,合理使用顺序、分支和循环三种基本控制结构实现算法的执行。上一个环节中设计好的完整的流程图帮助学生建立了编程的基本模型,教师引导学生抓住流程图中的关键环节,在图形化编程软件中找到实现相对应功能的控制进行替换,进而呈现系统效果。

软件方面,在脚本搭建过程中,学生必须处理好顺序结构、分支结构和循环结构的控制关系。通过流程图,学生可以清楚地厘清这两个模块之间的关系,再结合实现相应功能的控件进行准确的算法设计。本程序的难点在于双分支语句的嵌套。在“判断是否有人”的双分支语句中,如果判断出“有人”的情况,则在“有人”的条件下嵌套一个“判断光线是否暗”的双分支语句。硬件方面,利用主控板、传感器和灯等硬件设备搭建模拟实现系统功能。在脚本搭建过程中,学生要能根据检测的值进行合理判断,针对出现的问题不断调整参数,模拟照明系统的实现。在本程序中,主要根据检测的两个值进行判断。首先利用“人体红外传感器”检测是否有人,如果检测出的值为“1”则表示有人,否则表示没人。再利用“光敏传感器”检测光线值,具体光线值小于多少表示光线暗由学生自己设定。在整个调试、优化过程中,学生充分体验了数字化环境下实现过程与控制的优势,能动地运用信息科技模拟生活中的过程与控制系统,切实体验、感受和验证系统控制的环节和原理,学生计算思维得到了进一步强化。

(四)迁移真实案例,交流分享促思考,深化计算思维

教学片段4:

交流分享:举出你在学习和生活中的过程与控制系统实例,用“输入—计算—输出”三个环节来描述这个系统过程与控制的原理。

学生预设讨论:微波炉、空调、洗衣机、冰箱……

问题解决能力重在将学习过程中形成的解决问题的思维模式灵活地应用于生活的其他领域,这是促进学生计算思维系统化的关键。学生经过多次探究实践,结合所学知识、技能和经验,合理运用各种思维工具,迁移真实案例至新问题的解决过程中,逐步形成完备的计算思维系统解决同类型问题的能力。新课标提出,学生要能够列举身边的控制系统,能通过识别和区分控制系统的输入、计算和输出三个环节描述身边的控制系统的工作原理,感受信息科技对人们生活的重要影响,激发学生主动了解信息科技未来的发展方向。[2]

学生在实际生活中会接触到各种过程与控制系统,但对控制系统的工作过程和内部构成并不了解。通过前面内容的学习,学生已经了解什么是过程与控制系统。教师通过开展交流分享活动,检验学生对生活中过程与控制系统的认识,促进学生运用系统到具体模块思考问题,培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,让学生计算思维得以进一步深化和延伸。

四、结语

如今,信息科技正以一个全新的、发展的样态不断改变着人们的生产和生活,因此,信息科技课程教育要顺应信息时代的发展趋势不断更新发展。小学阶段培养学生的计算思维是适应社会数字化转型的迫切需要,也是提高学生数字素养与技能的重要措施。在新课标的引领下,教师要不断探索可操作性强的思维训练理论和促进儿童思维发展的教学模式。学习是一个主动、生动且极具个性化的过程。教师在具体实施教学过程中,即使有现成的教学模式,也要因材施教、因地制宜。教师要学会根据实际情况灵活地开展教学活动,以促进学生计算思维的进阶,为学生的终生学习打下坚实的基础。