基于问题驱动的学生计算思维能力培养探究

    洪勋

    计算思维与我们的工作和生活密切关联如在你准备出门去上学前，把课堂用品放入书包，这属于“预置和缓存”;当遗失物品时，你会按照原路去寻找物品，这属于“回推”;你何时放弃租赁自行车而买一辆属于自己的车，这属于“在线算法”;当你回家乘地铁时，决定从哪个关卡排队刷卡进入，这属于“多服务器系统”性能模型;为什么在停电以后我们还可以继续使用笔记本电脑？这属于“失败无关性”和“设计冗余性”。计算思维将融入到每个人的生活之中，并成为一种必备的生存技能。

    信息技术教学中计算思维培养的现状

    1.在中小学信息技术教学中对计算思维的认识存在误区

    就目前的中小学信息技术课堂教学而言，学生大多是“动手做”，而缺少“用脑想”。学生学习的积极性低，他们认为上信息技术课就是网络资源的获取或者是对部分热门软件相关知识的学习，或仅仅是算法的实现。

    2.计算思维在信息技术教学中的融合与渗透

    中學信息技术的教学内容是信息素养培养的基础，对它的学习是为后期学习更深层次的模块做准备。因此，从信息技术课程中挖掘与融入计算思维的教学内容就成为一种必然，并且具有广泛和普遍的意义。例如，从浙教新教材“感知数据”内容中抽象出信息获取的整个过程，并对其中所包含的环节进行分析，符合计算思维的“抽象”与“分解”。教师在设计信息技术教学时要注重创设问题和任务，进一步引导学生关注计算思维，让学生在学习上形成自主探索的心理。

    基于问题驱动的计算思维培养策略

    计算机求解问题的思路是“问题—建模—方法”，即寻找问题，建立严格的数学模型，以最终求解问题的思路实现设计方法。“问题驱动式”的中小学信息技术教学模式，其核心思想是在信息技术教学过程中，以问题为中心，以学生为主体，教师作为教学的主导者，将教学与问题挂钩，让学生围绕问题去寻找解决办法，并在此过程中培养学生的计算思维。

    1.创造真实“情境式问题”激发计算思维

    教师在教学过程中，设置恰当的问题情境，能够快速激发学生解决问题和探索未知的欲望。通过真实性的问题情境创设调动人的所有感官使其积极主动地参与到创设的问题中来，这是完全符合一个人的正常心理的。因此，需要注重从学生未知内容的学习活动中获得真实情境创设的灵感，引导学生发现并解决问题，激发学生思维。

    例如，在讲授“数据采集与编码”一课时，教师可创设真实的问题情境：让学生听完歌曲，然后呈现以下问题，让学生思考并回答。

    问题①：你能说出观察到的波形有哪些特点吗？（提示：可以从水平方向和竖直方向观察，水平方向体现疏密，竖直方向体现高低）

    问题②：对于一个波形，可以从哪些方面去描述它？（振幅与频率，频率是波长的倒数）

    问题③：如何把这个波形进行数字化？（时间段无限小，趋近用数据点来表达）

    问题④：如何表达波形上的点？（进一步引出采样、量化等数字化相关原理）

    问题设计的目标是让学生能够初步了解模拟信号与数字信号的转换是通过简单的编码完成的（录音采集），进而为后续理解声音存储空间的计算思维做铺垫。

    2.设立“问题链”助推计算思维

    “问题链”即两个或两个以上垂直梯度上产生的一系列问题。用问题驱动教学的核心是构建“问题链”，培养学生思考问题、解决问题的能力。教师从学生视角分析问题，以学生的生活经验和兴趣爱好为依据，充分考虑学生已有的知识经验，创设问题情境，并提出问题，再由问题进化为任务。需要注意的是问题情境的创设，应从任务设计去综合考虑，要与问题情境的设计联系起来。

    例如，在讲授“算法与程序设计”模块中的“打印星号（*）”内容时 ，学生要调用循环结构、控制过程、程序中循环变量和累加器的使用等相关知识。首先，教师可创设以下问题来引导学生，①在窗体中第1行打印10个星号，如何实现？②在窗体中打印10行（每行10个星号），如何实现？③在窗体中打印100行，又该如何实现？

    接着，教师提供以下问题进一步引导学生思考该语句的基本要素和功能：④Print语句执行了多少次？⑤哪个变量控制Print语句执行的次数？⑥Print语句何时执行结束？

    最后，在学生尝试解决问题④⑤⑥后，教师可进一步设置任务：①Print语句执行的次数是怎样控制的？（继续设计提问，引导任务）②程序将会如何运行该处循环部分？（学生思考）③深层挖掘，i如果最先赋值为10，结果是怎样的？（目的是让学生对For循环执行次数的控制进行进一步思考）

    3.构建“旨趣问题”引领计算思维

    “旨趣问题”即具备有效教学效果的有趣问题。教师通过巧设问题，制造一系列悬念，引燃学生思维的火花。

    例如，在学生学习程序设计初步相关模块时，可通过“猜价格”的游戏，激发学生兴趣。基于学生猜测方法的不同，最后可以进一步提问：哪一种方式能够更快更准地猜到价格？这种基于学生兴趣的互动提问方式，可以有效培养学生对信息技术的浓厚兴趣，也让学生形成了一定的计算思维。

    4.利用“关联问题”发散计算思维

    “关联问题”即水平梯度上相互关联的问题。教师以问题设计作为教学的主线，引导学生在解决问题时灵活运用计算思维方法（建模、抽象、约简等），自主找出各种关联的因素，提高学生的思维能力。

    例如，在讲授“人工智能”的相关内容时，教师可结合中学steam创客教学活动——机器人行走控制，设计一定的环节来培养学生的计算思维。具体的教学应是，借助机器人行走案例，以计算月球车行走过的距离为切入点，同时借助数学工具，让学生明白“速度”与“时间”是计算出月球车行走距离的两个关键要素。因此，让机器人行走这一案例所产生的问题，只需设置行走速度和行走时间。学生可以自主尝试解决针对后续的机器人行走“转向”模块处理一系列相关问题。

    结语

    在信息技术教学中，用问题引导教学过程，通过转化、建模、约简和分解等计算思维方法，以创设问题情境为切入点主导学生的计算思维活动，能够使学生不仅学习基本知识，更重要的是学会独立思考，并且掌握方法。在实际的教学过程中，教师还可结合案例教学、小组合作等其他方法，与计算思维进行相互融合。