面向計(jì)算思維培養(yǎng)的初中信息技術(shù)教學(xué)實(shí)踐研究

【摘要】隨著我國(guó)新版高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，作為信息技術(shù)課程四大核心素養(yǎng)之一的計(jì)算思維，不僅對(duì)學(xué)生邏輯思維的培養(yǎng)有幫助，而且對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力也有著重要的推動(dòng)作用。計(jì)算思維的培養(yǎng)在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)智慧化時(shí)代至關(guān)重要，如何開(kāi)展學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)也成為當(dāng)今教育界最熱門(mén)的話題之一。本文依據(jù)SelbyCynthia和WoollardJohn兩位博士提出的計(jì)算思維五要素，結(jié)合初中信息技術(shù)學(xué)科特點(diǎn)和初中學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，以“3D創(chuàng)意花盆制作”教學(xué)為例，闡述了在初中信息技術(shù)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的做法?！娟P(guān)鍵詞】計(jì)算思維;信息技術(shù);3D創(chuàng)意設(shè)計(jì);教學(xué)研究案例背景計(jì)算思維近年來(lái)日益受到重視并開(kāi)始進(jìn)入大眾的視野。國(guó)內(nèi)外教育部門(mén)紛紛將計(jì)算思維納入國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)中，通過(guò)相關(guān)課程的開(kāi)展，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，從而提高國(guó)家核心產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。在我國(guó)新發(fā)布的高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)以及2017年的基礎(chǔ)教育版《地平線報(bào)告》中也明確將計(jì)算思維作為學(xué)生最核心的能力素養(yǎng)之一[1]，學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者最關(guān)注的問(wèn)題。但是，隨著各類新型教育模式的出現(xiàn)，計(jì)算思維的培養(yǎng)同樣也面臨著教師認(rèn)識(shí)不足，教學(xué)過(guò)程中過(guò)分關(guān)注編程工具的使用而忽視了問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)，缺乏對(duì)跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的關(guān)注等方面的挑戰(zhàn)。這也是目前許多一線教師計(jì)算思維培養(yǎng)無(wú)法取得明顯成效的原因。為此，本案例將依據(jù)SelbyCynthia和WoollardJohn兩位博士提出的計(jì)算思維五要素[2]，以川教版初中信息技術(shù)八年級(jí)下冊(cè)“文創(chuàng)作品”單元中的“3D創(chuàng)意花盆制作”一課為例，通過(guò)情境創(chuàng)設(shè)（確定問(wèn)題）—頭腦風(fēng)暴（分解問(wèn)題）—抽象建模（原型制作）—優(yōu)化評(píng)估（評(píng)估作品）—分享匯報(bào)（總結(jié)概括）五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施，詳細(xì)闡述在初中信息技術(shù)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的步驟和方法，為當(dāng)前的教學(xué)改革提供些許參考。案例描述1.創(chuàng)設(shè)情境，確定問(wèn)題在導(dǎo)入環(huán)節(jié)，首先告訴學(xué)生這是一堂有趣的課，從一個(gè)有趣的視頻開(kāi)始，進(jìn)而去激發(fā)學(xué)生的好奇心，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。然后，引導(dǎo)學(xué)生觀看3D打印創(chuàng)意視頻，讓學(xué)生邊看邊觀察視頻當(dāng)中3D打印運(yùn)用到了哪些行業(yè)？學(xué)生會(huì)認(rèn)真觀看視頻并回答3D打印的運(yùn)用，如：航空航天、汽車、制造業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)。這個(gè)環(huán)節(jié)就將3D打印與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系起來(lái)了，讓學(xué)生們認(rèn)識(shí)到3D打印已經(jīng)走進(jìn)了我們的生活。然后給出一段材料讓學(xué)生們?nèi)シ治?，去看看故事里的主人翁遇到了什么?wèn)題（材料：為了給班級(jí)營(yíng)造一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，老師組織班集體買(mǎi)了一些綠植裝進(jìn)塑料花盆中。但是，由于國(guó)慶節(jié)后，綠植在室外經(jīng)歷了一周的風(fēng)吹雨打，塑料花盆已經(jīng)變形。如果我們能設(shè)計(jì)打印出3D花盆，就可以達(dá)到既環(huán)保輕便又經(jīng)濟(jì)耐用的效果）？通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析材料中的問(wèn)題，讓學(xué)生感知問(wèn)題情境，快速融入課堂教學(xué)，明白本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)是3D創(chuàng)意花盆制作。通過(guò)分組的方式，讓小組討論并選定一種植物，進(jìn)行相應(yīng)的花盆設(shè)計(jì)，完成項(xiàng)目選題及小組分工。2.頭腦風(fēng)暴，分解問(wèn)題當(dāng)學(xué)生明確問(wèn)題之后，第二個(gè)環(huán)節(jié)就是引導(dǎo)學(xué)生思考如何進(jìn)行3D創(chuàng)意花盆的設(shè)計(jì)。該環(huán)節(jié)的重點(diǎn)就是學(xué)生對(duì)問(wèn)題的分解以及對(duì)方案的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。為此，要讓學(xué)生思考在設(shè)計(jì)花盆時(shí)需要考慮哪些因素，引導(dǎo)小組圍繞要設(shè)計(jì)的花盆開(kāi)展頭腦風(fēng)暴。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析花盆的基本構(gòu)造，如花盆有一個(gè)開(kāi)放面，可以平穩(wěn)放置，底部有排水孔等。組員也暫時(shí)不對(duì)這些看法做出對(duì)錯(cuò)評(píng)價(jià)，然后將這些想法用思維導(dǎo)圖進(jìn)行梳理。有的學(xué)生直接利用老師發(fā)的素材包，有的學(xué)生上網(wǎng)收集素材，每個(gè)人都發(fā)表了相應(yīng)的意見(jiàn)，并完成思維導(dǎo)圖的繪制，最后形成了各自小組的思維導(dǎo)圖（圖1）。在此環(huán)節(jié)，組織學(xué)生進(jìn)行3D創(chuàng)意花盆草圖的繪制，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)3D創(chuàng)意花盆制作過(guò)程的了解，這對(duì)學(xué)生分解問(wèn)題的能力可以起到一個(gè)很好的培養(yǎng)作用。最后，利用項(xiàng)目設(shè)計(jì)手冊(cè)記錄過(guò)程，這有助于幫助學(xué)生整理思路，分解3D創(chuàng)意花盆制作所需的步驟和方案，清楚小組進(jìn)度，更好地完成任務(wù)。3.抽象建模，作品制作在學(xué)生繪制好草圖之后，學(xué)生頭腦中對(duì)3D創(chuàng)意花盆有了初步的框架。此時(shí)，向?qū)W生發(fā)問(wèn)“那我們剛才所畫(huà)的草圖怎樣才能變成像老師手里這樣一個(gè)實(shí)際的花盆呢？”（出示已利用3D打印制作好的花盆）。通過(guò)實(shí)物的呈現(xiàn)與對(duì)比讓學(xué)生明白3D打印花盆與普通花盆的區(qū)別，如果想要將草圖變成實(shí)物需要通過(guò)計(jì)算機(jī)完成建模，并通過(guò)3D打印來(lái)完成。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生回顧之前學(xué)的三維建模知識(shí)，包括三維建模的基本原理、三維建模軟件3DOne的基本使用方法，以及如何將平面圖形變成立體圖形，怎么對(duì)實(shí)物進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、放樣、抽殼等（圖2），啟發(fā)學(xué)生思考如何在3DOne軟件中實(shí)現(xiàn)花盆的制作。學(xué)生則利用剛才所回顧的知識(shí)進(jìn)行遷移，完成3D創(chuàng)意花盆的原形制作。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，最主要的目的在于讓學(xué)生明白可以通過(guò)問(wèn)題分解、抽象建模的方式將實(shí)際生活中花盆制作的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以解決的步驟來(lái)完成。為了幫助學(xué)生更好地完成對(duì)3D花盆的抽象與建模，通過(guò)讓學(xué)生對(duì)比3D花盆與現(xiàn)實(shí)花盆的區(qū)別，讓學(xué)生頭腦中形成對(duì)3D花盆的創(chuàng)意思考與結(jié)構(gòu)模型，再通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生回顧三維建模知識(shí)，順理成章地將三維建模知識(shí)很好地遷移到3D創(chuàng)意花盆制作中來(lái)，對(duì)學(xué)生起到一個(gè)鋪墊作用，幫助學(xué)生更好地完成3D創(chuàng)意花盆的抽象與建模。將草圖在3DOne軟件中轉(zhuǎn)化為實(shí)際模型，極大地提高了學(xué)生的興趣。同時(shí)，由于小組想法不同，完成方式不同，又實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)。在學(xué)生完成花盆建模的同時(shí)，他們的抽象建模能力也得到了很好地培養(yǎng)。4.優(yōu)化評(píng)估，完善作品在完成創(chuàng)意花盆的原型制作之后，第四個(gè)環(huán)節(jié)就是組織學(xué)生對(duì)作品進(jìn)行評(píng)估以及修改完善。此時(shí)，我們給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)量表，讓學(xué)生根據(jù)這個(gè)評(píng)價(jià)量表對(duì)所在小組的項(xiàng)目做初步評(píng)估，然后對(duì)作品進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。對(duì)已經(jīng)完成的小組，讓他們形成一個(gè)書(shū)面的評(píng)估報(bào)告，詳細(xì)介紹他們的項(xiàng)目是怎么完成的，經(jīng)歷了哪些步驟，后續(xù)還可以怎樣優(yōu)化。在這個(gè)環(huán)節(jié)，其實(shí)就是讓學(xué)生通過(guò)對(duì)作品的初步評(píng)估，來(lái)判斷哪些地方還可以進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)再優(yōu)化的過(guò)程培養(yǎng)他們對(duì)于計(jì)算思維的理解能力。5.分享匯報(bào)，總結(jié)交流最后一個(gè)環(huán)節(jié)是分享匯報(bào)、總結(jié)交流。我們組織學(xué)生以小組為單位利用希沃展臺(tái)展示小組的項(xiàng)目設(shè)計(jì)手冊(cè)，并進(jìn)行作品的展示與交流。此外，我們還要求學(xué)生在匯報(bào)時(shí)分角色介紹小組的設(shè)計(jì)方案與實(shí)施流程，包括最初的設(shè)想與規(guī)劃，具體的實(shí)施流程，實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題，如何來(lái)解決等。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，通過(guò)小組匯報(bào)交流的方式，學(xué)生可以歸納和總結(jié)出項(xiàng)目完成的具體過(guò)程，找到問(wèn)題解決的一般規(guī)律，以便后續(xù)在開(kāi)展類似項(xiàng)目活動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行能力的遷移。同時(shí)，也對(duì)學(xué)生的概括、總結(jié)、歸納能力起到了一個(gè)很好地培養(yǎng)和鍛煉作用。教學(xué)反思本節(jié)課教學(xué)是一個(gè)在初中信息技術(shù)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的案例。我們嘗試將計(jì)算思維培養(yǎng)的五要素與3D創(chuàng)意作品項(xiàng)目相整合，讓學(xué)生在完成3D創(chuàng)意花盆作品制作的過(guò)程中，歷經(jīng)分解、抽象、建模、評(píng)估、概括幾個(gè)環(huán)節(jié)。讓學(xué)生明白計(jì)算思維在問(wèn)題解決的過(guò)程中起到的作用，運(yùn)用計(jì)算思維可以使問(wèn)題解決更有效。結(jié)合本案例的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，有以下體會(huì)。1.以學(xué)生認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)為基礎(chǔ)選取合適的計(jì)算思維能力要素進(jìn)行培養(yǎng)首先，計(jì)算思維的培養(yǎng)需要我們以學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和學(xué)段特點(diǎn)為基礎(chǔ)。因此，我們需要篩選出他們這個(gè)階段能掌握的一些計(jì)算思維能力要素，如抽象、分解、算法、評(píng)估、遷移等。然后將這些篩選出來(lái)的計(jì)算思維能力要素與項(xiàng)目問(wèn)題進(jìn)行整合，通過(guò)項(xiàng)目活動(dòng)的開(kāi)展，讓學(xué)生在解決問(wèn)題項(xiàng)目的過(guò)程中歷經(jīng)計(jì)算思維能力要素的滲透，體驗(yàn)用計(jì)算思維能力要素解決問(wèn)題的便利性與高效性，養(yǎng)成用計(jì)算思維能力要素解決問(wèn)題的習(xí)慣。2.以學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)設(shè)定與教學(xué)內(nèi)容選擇在教學(xué)過(guò)程中，需要以計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)。通過(guò)將計(jì)算思維的要素融入到教學(xué)目標(biāo)中，讓計(jì)算思維的過(guò)程要素、技能方法與教學(xué)目標(biāo)相融合，再結(jié)合初中生認(rèn)知特點(diǎn)、思維發(fā)展特點(diǎn)，確定合適的教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，要與計(jì)算思維的內(nèi)涵有一定的映射關(guān)系，需要有明確的培養(yǎng)主題、明確的培養(yǎng)目標(biāo)。讓學(xué)生在案例學(xué)習(xí)過(guò)程中隨著教學(xué)內(nèi)容的不斷深入逐步完善知識(shí)與能力，讓計(jì)算思維隨著問(wèn)題的深入推進(jìn)與解決而得到一個(gè)很好地提升。3.以學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)為核心開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)學(xué)生計(jì)算思維能力的提升離不開(kāi)教學(xué)活動(dòng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)。項(xiàng)目活動(dòng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@關(guān)系到我們?cè)鯓訉⒂?jì)算思維能力要素整合進(jìn)項(xiàng)目活動(dòng)中，怎樣通過(guò)一些活動(dòng)的開(kāi)展讓學(xué)生計(jì)算思維能力得到培養(yǎng)和鍛煉。教師提前將計(jì)算思維能力要素分解到教學(xué)任務(wù)中，可以很清楚地知道學(xué)生需要掌握的知識(shí)、技能，以及最后學(xué)生獲得哪些方面能力的提升。而學(xué)生則可以根據(jù)教師設(shè)計(jì)的任務(wù)活動(dòng)展開(kāi)任務(wù)分解、抽象建模、算法設(shè)計(jì)、評(píng)估迭代、小組合作、問(wèn)題解決等，循序漸進(jìn)地提高計(jì)算思維能力。4.以學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)為抓手及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法與教學(xué)策略教師制定好教學(xué)目標(biāo)后，需要以學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)為抓手選擇教學(xué)方法，并根據(jù)教學(xué)的具體內(nèi)容動(dòng)態(tài)地調(diào)整教