基于计算思维培养的课堂活动设计

2019-04-15 01:38:22 中国信息技术教育2019年6期

摘要:计算思维作为一种灵活运用工具与方法求解问题的思维活动,在信息时代背景下对促进学生的终身发展具有不可替代的作用。本文以谢忠新教授提出的学生计算思维培养的策略与方法为理论指导,对小学信息技术课堂进行再设计,开发出能培养学生相关能力的课堂活动,从而提高学生应用计算机知识分析和解决问题的能力。

关键词:计算思维;课堂活动;信息技术

中图分类号:G434  文献标识码:A  论文编号:1674-2117(2019)06-0031-04

计算思维是当前信息技术教学领域广受关注的一个重要内容。早在2011年,美国计算机科学教师协会(CSTA)就发布了《美国中小学计算机科学标准》,提出了完整的计算机教育框架,将计算思维、计算实践和编程纳入学科基本主线,帮助学生拓宽计算视野,理解计算机科学的基本原理和方法。[1]2018年初,教育部公布了《普通高中信息技术课程标准(2017年版)》,将计算思维明确为,是信息技术核心素养的四大核心内容之一,是面向21世纪的人才最基础、最普遍、最适用的和不可缺少的基础思维方式。

如今,计算思维已与我们的生活密切相关;未来,计算思维也是人们不可或缺的生存能力之一。因而,在中小学信息技术课程中如何有效培养学生的计算思维,一直是我们信息技术学科教师十分关注的问题。

问题解决与计算思维培养

2011年,国际教育技术协会(ISTE)和计算机科学教师协会(CSTA)对计算思维这一概念进行了进一步的阐释,指出计算思维是一个用來解决问题的过程。李艺教授及钟柏昌教授认为,“问题解决”作为“基础知识与基本技能”与“学科思维”之过渡可作为核心素养落地之阶梯。[2]

那么,什么样的问题求解过程才能有利于培养学生的计算思维呢?2011年,为支持K-12教育中的教师进行计算思维教学活动,CSTA和ISTE联合高等教育、工业、教育中的领导者共同协作,开发出了一个关于计算思维的操作性定义,该操作性定义强调计算思维是一个问题解决的过程。[3]2013年,英国老牌名校南安普敦大学的Selby博士和Wool lard博士提出计算思维包括算法思维、评估、分解、抽象、概括这五个方面的要素,其观点比较适合中小学信息技术教育。[4]算法帮助学生找出解决问题的步骤和方法,评估确保找出最佳的解决方案,分解可使复杂的问题容易得到解决,抽象隐藏不必要的细节从而更容易得到问题的关键,概括利于得到通用的解决方案。

下面,笔者以苏科版小学信息技术《画正多边形》一课为例,谈一谈基于计算思维培养的课堂活动设计。

基于计算思维培养的活动设计

《画正多边形》一课为苏科版《小学信息技术》(五年级)Logo部分第五课。Logo语言是一门以锻炼学生思维能力为主题的软件,旨在把抽象的程序设计语言和直观的图形结合起来。本课对学生抽象思维能力要求较高,可以立足寻找规律、逐步建模的教学策略帮助学生理解运用。

本课从一个游戏任务入手,为学生提供一个需要解决的生活中的具体任务,引导学生对问题求解并产生主动学习的学习动力。然后明确要解决的问题,将复杂问题做合理的分解,从特殊到一般,将问题转换为一个信息处理的流程并通过Repeat命令进行简化。再帮助学生搭建学习支架,引导其概括出画正多边形的语句基本模式,培养正确的程序设计思维方式。最后再帮助学生完善和评估解决方案,让学生体验成功的喜悦。

1.抽象思维培养的课堂活动

抽象是指把现实中的事物或解决问题的过程,通过化简等方式,抓住其关键特征,降低其复杂度,变为计算设备可以处理的模型,也是计算思维能力培养的关键。

活动1:

师:同学们,小海龟想到湖边去走一走。请打开课堂练习纸,仔细听老师的描述,把小海龟的走法用Logo命令写下来,猜一猜,小湖是什么形状的。

下面,我们一起前进100步,然后向右转90度;再前进100步,然后向右转90度;再前进100步,然后向右转90度;再前进100步,然后向右转90度。

学生一边听一边书写。

在该教学过程中,教师引导学生将小海龟的行走抽象成计算机可以理解的动作,用计算机能接受的形式符号记录学生的设计,然后运行实施,从而理解程序设计的本质。

2.算法思维培养的课堂活动

算法是一种求解问题的思维方式,研究和学习算法能锻炼学生的思维,使学生的思维变得更加清晰,更有逻辑。[5]

活动2:

师:这就是画正四边形的命令,请大家仔细观察这段程序,看看它有什么特点?有什么办法可以简化重复的命令?

生:使用Repeat命令。

师:有谁能把这四行重复的命令缩写成Repeat命令?

生:REPEAT 4[FD 100 RT 90]

师:这里的“4”指什么呢?中括号里又是什么内容呢?

生:4指要重复的次数,中括号里是要重复的命令。

通过该部分内容的学习,让学生领悟到,循环作为一种基本控制结构,可以简化较为复杂的算法。此外,该算法必须是有穷的(如上例中,循环次数为4),且具有确定性(如上例中,前进100步和右转90度)。

3.分解思维培养的课堂活动

分解思维是将一个大问题拆解成许多小的部分。这些小部分更容易理解,让问题更加容易解决。

活动3:

师:同学们能不能试着用重复命令画一个长边100的正三角形呢?为了方便起见,这个正三角形在放置时一条边垂直向上(如图1)。

当小海龟走完第几条边时,需要向右旋转了多少度?(有学生举手说120度)

师:你们怎么知道画三角形应该转角120度的呢?

学生以小组形式进行讨论。

师生通过讨论,得出如下结论(如上页图2):没有旋转,小海龟走平角,也就是180度(会一直走下去),而正三角形的内角是60度,所以小海龟必须旋转180度-60度=120度。也就是FD 100 RT 120。

师:我们再进行后续两组动作,还需要把这个语句再写两遍吗?

生:不需要,可以用repeat命令:REPEAT 3[FD 100 RT 120]。

该部分的教学活动,让学生通过分解,理清每个动作,将难点进行分解并突破,从而找到解决问题的关键点。

4.概括思维培养的课堂活动

“概括”是基于先前已经解决的问题从而解决新问题的方式,我们可以对一些算法进行改造,使其能解决类似问题,当遇到一个新问题时,我们可以应用这个通用的解决方案。

活动4:

步骤一:

师:正方形画完后,小海龟的头部朝向屏幕的哪里?

生:朝向屏幕的上方。

师:那知道小海龟一共旋转了多少度吗?是怎么知道的?可以讨论。

由于正方形内角都为90度,所以学生很容易得出以下结论:

小海龟一共进行了四次相同的旋转,共旋转了360度,那么每次旋转的角度就是360度/4度。

步骤二:

师:我们再来看正三角形的画法,说说你发现了什么?

生:开始和结束时,小海龟的头也都是朝着屏幕的上方,同样也旋转了360度。

师:对,小海龟画完一条边后就转一个角度,转了三个相同的角度,共旋转了360度,轉一个角度的度数就是360度/3度,你能想象一下这个“3”代表什么吗?(如图3)

生:360度分三次完成。

步骤三:

师:那画一个正五边形是不是也有这个规律呢?(提醒写成360度/5度,而不是72度)

学生尝试。

步骤四:

概括总结:大家在共同分析的过程中找出了这些规律,根据这些规律利用重复命令的格式就能总结出画正多边形的命令格式。

如果画六边形,应该转多少度?七边形呢?八边形呢?N边形呢?

N边形需要重复多少次?

REPEAT N[FD步长 RT 360/N]

该部分的教学内容从正多边形中的几个特例入手,建立结构模型,探索可执行的解决方案。在把问题转换为信息处理的流程、推导画正N边形的基本命令的过程中,教师帮助学生搭建思维的“脚手架”,提升学生的概括思维能力。

5.评估思维培养的课堂活动

“评估”的目的是确保一个算法的解决方案是最佳方法:答案是否正确?是否方便人们使用?是否能促进合理经验的产生?需要综合考虑这些指标对算法进行整体评估。

活动5:

师:今天我们通过学习,利用LOGO语言成功地画出了正三边形、正四边形和正五边形,这个公式是通过实践推导出来的,到了中学,我们还可以用更严谨的数学方法来证明。下面来看一组练习,你们能利用今天学到的知识完成剩下的图形吗(如图4)?

学生练习。

师:我们还发现,当正多边形的边数越来越多时,看起来就像什么形状了呢?其实,计算机就是用这样的办法来画圆的。多边形的边数越多,圆就越精细。当然并非边数越多越好,这样只会白白增加计算机的负担,只要满足显示效果就行。通过实验,我们发现,当正多边形超过36条边时,在我们的显示器上就看不出和圆有什么差别了。

活动6:

师:老师现在又有了一个想法,如果小海龟每前进一次,不是向右转360/36度,而是向左转360/36度?会是什么样呢(如图5)?我们来试一试吧!注意画前不要清屏,这样便于比较。

总结:看来LT是有效的。

REPEAT 36 [FD 20 RT 360/36]

REPEAT 36 [FD 20 LT 360/36]

活动7:

师:我们再回到刚才的正36边形,小海龟前进并右拐了36次,现在的图形看起来是一个正圆。你能把这个命令改造成一个半圆吗(如图6)?

学生讨论得出,画半圆的Logo命令为如下:

REPEAT N/2 [FD 步长 RT或LT 360/N]  (N足够大)

该部分的教学,不仅验证了画正多边形的一般语句,而且利用变式不断完善,建立的数学模型更严谨,更具有通用性。

结束语

周以真教授指出,“计算思维是每个人的基本技能,不仅仅属于计算机科学家。我们应当使每个孩子在培养解析能力时不仅掌握阅读、写作和算术,还要学会计算思维”。本课立足于培养学生的计算思维,在课堂教学中挖掘出能培养学生对应相关能力的课堂活动,帮助学生理解并掌握信息技术基本知识和基础技能,增强发现和解决问题的能力,提升学科思维,从而让学生在未来的信息化社会中更好地生存、创新和发展。

参考文献:

[1]任友群,隋丰蔚,李锋.数字土著何以可能?——也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育,2016(7):4-5.

[2]李艺,钟柏昌.谈“核心素养”[J].教育研究,2015(9):17-23.

[3]陈丽婷,徐晓东.基于计算思维教育的国外小学教学案例研究[J].教育信息技术,2015(9).

[4]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.

[5]唐培和,徐奕奕.计算思维:计算学科导论[M].北京:电子工业出版社,2015.

作者简介:周旺纯(1972.11—),高级教师,工学学士学位,主要研究信息技术教育、教育信息化。

基金项目:江苏省教育科学“十三五”规划2016年度课题“小学信息技术学科学生计算思维培养的实践研究”(2016-GH01010-00119)。