有效预设对培养学生计算思维能力的实践研究
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作者:沈贤
摘 要：初中阶段是学生思维能力发展的关键时期，计算思维作为一种独特的思维方式，对于培养现代社会数字化公民有着积极的作用。文章意在研究通过符合学生认知发展的有效预设来培养学生计算思维能力的方法。通过课堂分析，归纳出有效预设对学生计算思维能力提高的基本策略，希望能对于初中阶段学生计算机思维的培养提供一定的参考。
关键词：计算思维;有效预设;初中信息技术
中图分类号：G455 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）02-0070-04
近年来，国内外对学生计算思维能力培养日趋重视。2011年美国计算机学科教师协会启动了计算思维的能力培养方向;2013年开始英国将计算思维的培养作为中小学信息技术课程的主要方向;2016年，我国《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》明确提出计算思维是信息技术学科的核心素养之一;2018年，苏科版初中教材中更是加入了众多与计算思维培养相关的章节，由此可见对于学生计算思维的培养已经到了刻不容缓的地步。笔者通过课堂观察发现课前的有效预设有助于初中学生计算思维能力的提高，为此展开进一步的观察研究。有效预设是为了能在课堂教学中对大多数学生在计算思维方面的知识技能的培养，情感态度、价值观的养成，行为与创新能力的提升起到积极的作用。基于此，我们成立专门研究小组，通过课堂观察法来分析、评价初中信息技术课堂中的有效预设对于学生计算思维养成的影响，以期对初中信息技术的后续教学提供指导和借鉴。
一、计算思维的概念与内涵
计算思维源自2006年美国卡内基·梅隆大学计算机系主任Jeannette M. Wing的《Computational Thinking》一文，文章中提出：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。文章认为我们除了要培养学生阅读文章、书写文字、数学运算的能力，还要培养计算思维的技能。由于计算机的普及和网络的发展，计算思维对于社会的进步、人类的发展也愈来愈重要。[1]此后，计算思维得到了计算机界和教育界的关注。
计算思维其实是我们思考如何用计算机来解决问题过程中所采用的方法与策略。在2013年由南安普顿大学的两位博士提出的计算思维的五个要素对于人们理解计算思维具有非常重要的借鉴意义，它们分别是算法思维、评估、分解、抽象与概括。本文研究的重点就在于研究如何将这五个要素渗透入课前的有效预设中。由此，笔者在此对这五个要素提出自己的思考与理解。[2]
1.算法思维
《普通高中课程标准试验教科书（数学3必修）》（人民教育出版社）中算法的概念为：“通常指可以用计算机来解决的某类问题的程序或步骤，这些程序或步骤必须是明确和有效的，而且能够在有限步内完成。”算法思维可以说是综合了数学、计算机语言的一种特殊思维。
算法思维是计算思维的核心，最早将算法思维运用于计算机运算可以追溯到二战期间，计算机科学之父图灵为了破解德国著名密码系统Enigma，制造了一台能够破解Enigma密码的计算机，制造过程中大量使用了算法思维。为了能使学生明白算法思想，我们经常以狼、羊、菜过河为例来说明算法思维。狼、羊、菜要过河，狼吃羊，羊吃菜，一次只能带一件物品过河。思考过程如表1所示，在整个过程中必须考虑到狼和羊、羊和菜不能共存，狼和菜可以共存的特殊性，利用三个特性进行思考，学生可能需要多次尝试才能得到正确的解题思路，但这正是算法思维能力提高的过程，能够培养学生更为全面、有效地思考问题、分析问题进而解决问题的能力。
2.评估
评估的外延非常宽泛，这里特指学生在开展思考解决问题过程中所用的方式方法，可从两个方面来理解：①在解决问题之前，它是对解决问题方式的规划，只有准确的评估才能找到解决问题的最佳途径。同时也要评估解决问题的方法是否合理与正确。②在解决问题过程中，通常在解决一个复杂问题时，我们都需要不断尝试各种的方式方法，直到寻求到最合适的方法，在此过程中不断进行评估，这时的评估尤为重要。
3.分解
分解是把一个大问题分解为多个可以解决的小问题来解决。在问题分解时应当遵循MECE原则，即彼此独立、毫无遗漏。彼此独立的原则在程序设计中体现为“函数”，例如abs函数，当我们使用它时得到的结果是某个数的绝对值。毫无遗漏是指分解的全面性，要把问题的所有方面都模块化，这样才能保证问题的顺利解决。对于初中生，以做家务来解释分解思想，做家务包括扫地、洗衣服、烧饭等，我们把扫地交给扫地机器人，把洗衣服交给洗衣机，把烧饭交给电饭锅，我们不用知道它们是如何运作的，但是它们会把处理成功的结果反馈给我们。通过分解的方式解决了多个小问题，当然最后也完成了“做家务”这个大问题。[3]
4.抽象
抽象是我們处理问题的常见方式，在使用时会隐藏一些细节问题，删除不重要的内容，使得问题的主干更加突出，利于我们解决主要问题。例如，对苹果、香蕉、梨等进行抽象时，我们都把它们归纳为水果，要去除干扰信息找到其本质。抽象其实是一种由现象到本质的必然过程，我们在处理问题时找出其中的必然规律就是一个抽象的过程，然后运用这个规律解决类似的问题，使得问题处理更加容易，这便是抽象在计算思维中独树一帜的特征。
5.概括
概括是对于已经解决完的问题提供的一种快速解决新问题的方法。很多相似问题都是衍生、变化出的新内容，这些新的内容是以原有问题为基础的，所以在解决问题时可以通过一些特定的算法进行处理，使其能够解决类似的问题，从而提高处理问题的效率。例如在中国古代有“百钱买百鸡”的问题，通常我们会用枚举的方式把公鸡、母鸡及小鸡的所有情况用双重循环进行求解，遇到满足条件的情况就输出结果并退出循环。通过概括得到“枚举”的算法思想。概括使我们可以完成一种思维方式的迁移，并且用来解决同类的问题。 二、有效预设与计算思维
1.有效预设改善计算思维
在计算思维培养的初期，不能期望学生立刻形成计算思维的方式，这时预设的起点会比较低，通常会用易于思维的例子为引导，提高学生思维的积极性与活跃度，以期待学生学习态度的转变。
2.有效预设促进计算思维
在计算思维培养的中期，由于学习态度及思维方式已有了改观，这时在预设中可以给学生一定的计算思维的方法，这些方法可以帮助学生训练计算思维的能力，使得学生使用计算思维进行思考成为一种常态。
3.有效预设提高计算思维
在计算思维培养的最终阶段，学生的思维能力已经达到一定的水平，这时我们的预设应是能最大限度促进学生计算思维发展的，已经由简单的引导发展至为学生铺设逐步提高的阶梯，使得学生可以拾阶而上，达到计算思维能力显著提高的目标。
三、基于有效预设来培养计算思维的课堂观察
1.课堂事件
选择普通班七年级（1）班作为研究对象，以七年级第2章第1節中的《认识计算机》为课例。以计算机5大逻辑部件为探究基础，通过4个探究活动来组织课堂教学。为方便研究，将课堂划分为表2所示的6个“事件”进行分析。
2.基于计算思维能力的课堂分析
课后，参与观察的诸位教师就本节课中针对学生计算思维能力培养的部分展开了讨论。多数教师认为，本节课的有效预设能够达到学生掌握知识，从而完成知识能力扩展的目的，对学生计算思维的提高有帮助。但在不同的课堂事件中，学生的能力提高还存在许多差异。为进一步探究原因，我们根据听课教师的随堂观察记录及课堂录像对本课进行了更深层次的分析。
（1）算法思维的养成
本节课算法思维体现在以冯诺依曼结构为核心的处理问题方式方法。从认识CPU到了解其基本组成是“运算器”与“控制器”，从常见的外存储器到神秘的内存储器都是为了冯诺依曼结构作为铺垫，希望通过这些预设，让学生明白5大逻辑部件的作用，为说明其工作方式做铺垫。这里期望学生能以自主探究的方式讨论得到数据在整个计算机中的流转过程，从“输入设备”到“存储器”，再到“运算器”后返回“存储器”后由“输出设备”输出结果。学生通过对计算机处理数据原理的理解，促使学生对于计算机内部整体数据流转的理解，从而培养其计算思维的能力。
（2）评估方式的选择
以存储器为例来对有效预设作出说明。有效预设是从三种不同储存介质的参数比较开始，给出三种介质对比的参数，学生自主探究后通过提问方式考察学生计算思维的“评估”能力。课堂对话如表3所示。
通过有效预设，期待学生能对各类存储器做出准确的评估。同时，有效预设应是符合学生认知规律的，这样才能促使学生评估能力的提高。
（3）分解的常见方法
计算机通常作为一个整体出现在我们面前，其内部的每种部件功能各不相同，有效预设从对计算机硬件的拆解开始，拆解计算机能激发学生探究计算机内部结构的兴趣。在学生秉着“彼此独立、毫无遗漏”的思想来分解一台计算机时，正是学生“分解”思维能力提高的时候。普通课堂一般以讲授为主，其活动记录见表4。有效预设的课堂采取小组合作探究的方式来解决问题，其活动记录见表5，可以发现小组探究式的学习方式充分调动了学生的学习积极性。[4]
（4）抽象的过程与结果
抽象是归纳事物本质的一种方式，本节课的抽象放在整堂课的最后，如果教师由计算机5大逻辑部件的展开来介绍计算机的构成，会打消学生的学习兴趣，使课堂缺乏抽象的思维过程。笔者在预设时采用探究计算机的硬件组成的方式作为引入点，一步步引导学生认识计算机的硬件组成，在最后抽象为逻辑部件就变得理所当然。例如把显示器、打印机、音箱、耳机等归类为输出设备就是一种抽象方式。有效预设符合学生的认知，通过从现象的探究到本质的抽象，学生的学习积极性明显提高。
（5）概括的合理有效
此次研究课以思维导图的方式帮助学生概括计算机的基本组成。预设时从5大逻辑部件开始，在引导学生思考的过程中，学生可以很容易得到思维导图，从而概括出本节课的重点难点。通过引导性概括，期望学生对计算机的整体结构有更深的了解，由此及彼，在今后的学习中也能以思维导图的方式概括与整理知识，培养其对知识概括的能力，使得相似知识的迁移变为可能。
四、改进课堂，促使学生计算思维能力提高的策略
通过课堂分析，笔者认为在信息技术教学课堂中，通过在预设中考虑计算思维的五个要素对于逐步培养学生的计算思维能力是有效的，以下是针对五要素所做的策略构建：
1.尊重学生差异，突出学生个性发展，促使算法思维的提升
学生之间的差异是教学中无法回避的问题，有效预设应当做到设置有层次结构的任务来帮助学生解决学习中的重点与难点。计算思维能力强的学生，会评估任务的可行性，会把任务逐步分解为多个任务，会把一般的问题抽象为特定的情况，更会概括所学的内容，但计算思维最核心的仍然是算法思维。相同的问题从1加到100，选择的算法不同，所产生的结果也不一样，所以对于教师来说要顾及到每位学生的难度很大，可以通过一般模式的思维训练来提升学生思维品质，同时也要设计符合学生个性发展的有效预设来促使每位学生在课堂中均有所得，以期待学生计算思维能力得到提高。
2.教学目标的弹性化，以期学生评估能力的提升
备课最困难的是备学生，学情通常是千差万别，学生之间有智力差异及喜欢与偏好，预设准备的再充分也会碰到需要调整的情况，所以课堂教学不仅需要教师的渊博知识及临场应变能力，还需要有“第二套”方案。这时弹性化的教学目标就显得尤为重要，书本的教学目标只是课堂教学的参考，真正的课堂主体是学生，大部分学生能达到的目标才是好的教学目标。在计算思维培养过程中，学生不再是以技能培训为目的，而是以思维训练为目标，计算机解决问题的方法往往不止一种，其中包含了最优算法与普通算法，在预设时设定弹性的教学目标，在自我评估的基础上学生自主选择思维训练的层次，使得普通学生的思维得到了训练，优秀的学生也能学有所得，这是计算思维培养的双赢。 3.放慢教学节奏，等待分解能力的养成
张文质先生提出过“慢教育”的教育思想，教育的变化是非常缓慢与细微的，它需要我们慢下来，计算思维的培养也是如此，我们不期待一节课的思维训练就能成就学生的快速成长。通过充分的预设，使得学生养成和计算机相似的思维习惯，能对于复杂问题进行“彼此独立、毫无遗漏”的处理，这便是计算思维中的分解能力，从而用简单但最有效的方式来处理问题，全方位考虑存在的可能性，让思维缜密成为一种习惯。
4.課堂内的多元对话，促进抽象能力的培养
课堂的主体是学生，优秀的教师可以通过问题的引导，激发学生的主观能动性与创造性。课堂内的多元对话是一种对话方式的变革。首先，我们可以从一问一答的模式过渡到“众说纷纭”的模式，课前预设的问题，在学生那里可以得到多种不同的结果，这便是思维的过程，教师选取其中有价值的部分进行再讨论，又是一个合理对话的过程;其次，对话的层次应当追寻“由浅至深”的规律，预设的问题刚开始可以很浅显，但是最终一定要有升华的过程，计算思维的培养说到底还是需要培养学生复杂的思维方式，最终完成从知识表象至知识本质的思考过程，抽象出最主要的内容，完成能力的提升。[5]
5.提问的实效性，帮助提升概括能力
有效预设是培养学生计算思维的前提条件，教师课堂上给学生提出的问题应该经过筛选和提炼，也就是我们所说的实效性。一个无意义的或者说没有思维价值的问题对学生是有害的，轻者打乱思维的连贯性，重者把学生引入歧途。因此，在进行预设准备时需要考虑学生、教材特点等多方面的因素，通过有实效性的提问逐步帮助学生理清思路，能在课堂内完成对知识的概括，提升其概括能力，从而提高其计算思维能力。
参考文献：
[1]谢忠新，曹杨璐.中小学信息技术学科学生计算思维培养的策略与方法[J].中国电化教育，2015（11）：116-120.
[2]陈鹏，黄荣怀，梁跃等.如何培养计算思维——基于2006-2016年研究文献及最新国际会议论文[J].现代远程教育研究，2018（1）：98-112.
[3]张立国，王国华.计算思维：信息技术学科核心素养培养的核心议题[J].电化教育研究，2018，39（5）：115-121.
[4]牟琴，谭良，周雄峻.基于计算思维的任务驱动式教学模式的研究[J].现代教育技术，2011，21（6）：44-49.
[5]范文翔，张一春，李艺.国内外计算思维研究与发展综述[J].远程教育杂志， 2018，36（2）：3-17.
（编辑：鲁利瑞）
*本文为江苏省中小学教学研究2017年度十二期立项课题“基于计算思维培养的信息技术小初衔接微课程的开发及应用”（2017JK12-081）的阶段研究成果。
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