陳 潔,陳 麗
(深圳市華強(qiáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)校,廣東深圳,518034)
為了順應(yīng)信息社會(huì)對(duì)信息人才的需求,培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力逐漸成為各國(guó)培養(yǎng)未來(lái)人才的重要目標(biāo)之一。“計(jì)算思維”這一術(shù)語(yǔ)最早由西蒙·派珀特(Seymour Papert)提出,后經(jīng)周以真教授界定,得到全世界范圍內(nèi)眾多教育工作者的認(rèn)同及進(jìn)一步研究。[1]周以真教授及其合作伙伴將計(jì)算思維定義為一種思維過(guò)程,這種思維過(guò)程有助于確切表達(dá)實(shí)際問(wèn)題及其解決方案,這種解決方案的表達(dá)形式有利于信息處理設(shè)備(通常情況下指計(jì)算機(jī))的高效執(zhí)行。我國(guó)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中明確定義:計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法,在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。[2]計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一,但其作用范圍并不只限于信息技術(shù)領(lǐng)域,而是一種可以為大眾應(yīng)用于其他各領(lǐng)域的思維工具。
綜合新課標(biāo)和周以真教授對(duì)計(jì)算思維的定義,我們可以將使用計(jì)算思維解決問(wèn)題的思維過(guò)程歸納為:界定問(wèn)題—抽象特征—分解問(wèn)題—組合形成問(wèn)題解決方案—總結(jié)過(guò)程方法—遷移解決其他問(wèn)題。其中,關(guān)鍵的步驟是抽象特征、分解問(wèn)題和組合形成問(wèn)題解決方案。抽象特征可以理解為:從具體事物的多種特征中忽略一些與解決問(wèn)題無(wú)關(guān)的特征,保留一些與解決問(wèn)題相關(guān)的特征的思維活動(dòng)。[3]分解問(wèn)題是將一個(gè)大而復(fù)雜的問(wèn)題分解成一個(gè)個(gè)適合由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的小問(wèn)題。組合形成解決問(wèn)題的方案是將每個(gè)小問(wèn)題的解決方案組合起來(lái),最終形成解決大問(wèn)題的整體方案。
根據(jù)發(fā)展心理學(xué)的信息加工理論,3—7歲學(xué)齡前期兒童關(guān)于熟悉事件的記憶常常以腳本的方式進(jìn)行組織,即事件及其發(fā)生順序在兒童的記憶中被概括地進(jìn)行表征。[4]例如,兒童對(duì)于“去餐廳吃飯”這件事情的記憶可能是以下幾個(gè)步驟:開(kāi)車(chē)去餐廳—點(diǎn)餐—等待—吃飯—結(jié)賬—回家。這種記憶過(guò)程與計(jì)算思維過(guò)程中對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分解是一致的。
根據(jù)皮亞杰的觀點(diǎn),學(xué)齡前期兒童可以用象征符號(hào)表征行為,例如用“汽車(chē)”圖像代表真正的汽車(chē),并進(jìn)一步與“坐車(chē)”這個(gè)行為相連接。[4]這使得處于這一發(fā)展階段的兒童可以使用符號(hào)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述和表達(dá)。
學(xué)齡前期兒童的精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能也正在進(jìn)步:他們能夠?qū)⒑?jiǎn)單的拼圖拼到一起,能夠?qū)⒉煌螤畹哪緣K放入相應(yīng)的孔中。但他們的動(dòng)作還未達(dá)到精確和完美,因而更精細(xì)的鼠標(biāo)定位與點(diǎn)擊操作及鍵盤(pán)操作并不適合這個(gè)年齡段的兒童。
6—12歲兒童中期的兒童開(kāi)始具備具體運(yùn)算思維[4],他們能夠?qū)⑦壿嬤\(yùn)算用于解決與具體的物理事實(shí)相關(guān)的問(wèn)題。具體運(yùn)算思維使兒童能夠理解類(lèi)似時(shí)間與速度之間的關(guān)系這樣的概念。同時(shí),這個(gè)年齡段的兒童已經(jīng)可以通過(guò)文字對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述和表達(dá)。
6—12歲兒童中期的兒童的精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能進(jìn)一步發(fā)展,已經(jīng)可以完成在計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)上打字、用筆寫(xiě)字這樣的精細(xì)動(dòng)作。特別是處于這個(gè)發(fā)展階段后期,即11—12歲的兒童操控物體的能力幾乎與成人無(wú)異。
考察這兩個(gè)年齡階段兒童的身心發(fā)展特征和計(jì)算思維的思維過(guò)程,我們可以發(fā)現(xiàn),對(duì)學(xué)齡前期兒童和兒童中期兒童,培養(yǎng)他們的具象問(wèn)題界定、簡(jiǎn)單特征抽象、問(wèn)題分解、問(wèn)題解決方案的組合等能力是符合兒童身心發(fā)展規(guī)律的。
抽象思維是一種高階思維能力,是未來(lái)人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)之一。它可以分成不同層次的抽象程度。例如,11—12歲的兒童在理解如自由意志、形式邏輯等高度抽象內(nèi)容時(shí)還會(huì)遇到一定困難。因此,我們?cè)谔暨x交給兒童解決的問(wèn)題時(shí),需要辨別其抽象程度是否符合兒童身心發(fā)展水平。
編程教育是培養(yǎng)計(jì)算思維的重要載體。如今,小學(xué)高年級(jí)信息技術(shù)課程普遍引入圖形化編程教育。然而,學(xué)齡前期兒童受精細(xì)動(dòng)作的發(fā)展水平制約,尚不能精確完成圖形化編程所必需的鼠標(biāo)定位及拖拽、鍵盤(pán)輸入等動(dòng)作。處于兒童中期的兒童,雖然理論上精細(xì)動(dòng)作的發(fā)展水平足以完成圖形化編程所需要的鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作,但實(shí)踐中,兒童個(gè)體精細(xì)動(dòng)作發(fā)展水平參差不齊,在接受圖形化編程教育時(shí),可能會(huì)影響計(jì)算思維的訓(xùn)練效果。
世界衛(wèi)生組織在2019年提出,為了孩子們的健康,應(yīng)該限制5歲以下兒童使用電子屏幕;5歲以上兒童使用電子屏幕的時(shí)間也應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)。因此,教育低齡兒童時(shí)應(yīng)盡量回避電子屏幕的使用是教育界的主流共識(shí)和大部分家長(zhǎng)的期望。如此一來(lái),常見(jiàn)的在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的圖形化編程教育并不適用于學(xué)齡前期及剛進(jìn)入兒童中期的兒童。因此,在盡量減少使用電子屏幕的前提下,我們要通過(guò)編程教育培養(yǎng)兒童計(jì)算思維,實(shí)物編程是較好的解決方案。
實(shí)物編程是一種特殊的編程方式,它的交互界面以實(shí)物形式出現(xiàn),讓低、幼齡兒童得以直接將實(shí)物編程工具抓握在手中,通過(guò)選擇、組合程序積木塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。兒童可以從簡(jiǎn)單的編程活動(dòng)中習(xí)得粗淺的編程經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題的能力。
通常,實(shí)物編程工具的設(shè)計(jì)符合低幼兒童的精細(xì)運(yùn)動(dòng)發(fā)展水平。各程序模塊均具有體積較大、易于拾取、便于安裝且色彩鮮艷的特點(diǎn)。實(shí)物編程具有操作直接,編程簡(jiǎn)單,交互性強(qiáng)等特征。因此,使用實(shí)物編程對(duì)低、幼齡兒童進(jìn)行計(jì)算思維的啟蒙,可以繞開(kāi)精細(xì)動(dòng)作發(fā)展水平對(duì)兒童的制約,專(zhuān)注于對(duì)兒童思維能力的訓(xùn)練。部分實(shí)物編程模塊如圖1所示。
圖1 5歲兒童手中的實(shí)物編程模塊
西蒙·派珀特在他的研究成果中指出:“當(dāng)我們教兒童使用計(jì)算機(jī)解決數(shù)學(xué)問(wèn)題時(shí),應(yīng)將兒童的目標(biāo)從‘解決問(wèn)題’轉(zhuǎn)為‘完成項(xiàng)目’,讓兒童‘沉浸于項(xiàng)目當(dāng)中’?!盵5]這種方式能夠讓兒童解決在傳統(tǒng)學(xué)校數(shù)學(xué)教學(xué)中看似不可能為該年齡段兒童解決的問(wèn)題。
基于上述計(jì)算思維的思維過(guò)程,界定問(wèn)題這個(gè)步驟的存在正是由于先存在一個(gè)具體項(xiàng)目。每個(gè)項(xiàng)目可以由多個(gè)待解決的問(wèn)題構(gòu)成。這些問(wèn)題可以被“解決”,也可以因?yàn)椤盁o(wú)法解決”而被別的問(wèn)題替代。但這些問(wèn)題都從屬于項(xiàng)目,項(xiàng)目?jī)?yōu)先于問(wèn)題。
STEAM教育通過(guò)跨學(xué)科整合科學(xué)(science)、技術(shù)(technology)、工程(engineering)、人文(rrt)和數(shù)學(xué)(math)等內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。不同項(xiàng)目需要用到的學(xué)科知識(shí)可以各不相同,但都需要綜合多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。計(jì)算機(jī)科學(xué)是在數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,其本身也屬于工程類(lèi)學(xué)科,天然具有T、E、M幾個(gè)屬性,故最適合在STEAM教育中扮演“黏合劑”的角色。
我們培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力,并不是要將每名學(xué)生都培養(yǎng)成信息技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)家,而是要培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算思維遷移解決其他領(lǐng)域問(wèn)題的能力。因此,在STEAM教育中融合計(jì)算思維培養(yǎng)符合STEAM教育的目標(biāo)。
兒童天生對(duì)大自然及其中的各種生物感到好奇。根據(jù)動(dòng)物行為學(xué)家卡爾·佛里希對(duì)蜜蜂的交流方法的研究,蜜蜂是通過(guò)圓圈舞和“8”字形舞蹈來(lái)交流蜜源的距離和方位信息的。圓圈舞意味著蜜源離蜂巢較近?!?”字形舞蹈意味著蜜源離蜂巢較遠(yuǎn),蜜蜂需要通過(guò)舞蹈與太陽(yáng)的夾角、舞蹈的速度等將蜜源信息傳達(dá)給同伴。
人工模擬蜂群建立自組織群體是人工智能研究的一個(gè)分支。[6]我們可以通過(guò)在課堂上向兒童展示關(guān)于蜜蜂交流情況的紀(jì)錄片片段,激發(fā)兒童對(duì)蜜蜂交流行為的好奇心,引入本課要完成的項(xiàng)目:用實(shí)物編程機(jī)器人模擬蜜蜂交流行為。
接著,教師與兒童一起將模擬蜜蜂的運(yùn)動(dòng)路線用上、下、左、右箭頭等符號(hào)進(jìn)行表示,即使用低齡兒童可以理解的符號(hào)表達(dá)需要解決的問(wèn)題。
兒童再次仔細(xì)觀看蜜蜂交流情況視頻片段并參照前述跑動(dòng)活動(dòng)的路線,并在教師的引導(dǎo)下,將蜜蜂的行為抽象為圓圈舞和“8”字形舞蹈。
學(xué)齡前期兒童可能存在不認(rèn)識(shí)數(shù)字“8”的情況,則可引導(dǎo)兒童將“8”字形軌跡識(shí)別為兩個(gè)相連的圓形。教師引導(dǎo)學(xué)生將圓圈形軌跡和“8”字形軌跡進(jìn)一步抽象,簡(jiǎn)化為正方形軌跡和兩個(gè)重疊的正方形軌跡。(一般實(shí)物編程機(jī)器人都支持直線前進(jìn)、直線后退、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)這四個(gè)指令。)
兒童中期的兒童已經(jīng)有了具體運(yùn)算思維,并且他們?cè)谛W(xué)五年級(jí)數(shù)學(xué)課上會(huì)學(xué)習(xí)角度與方位等相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。因此,可以將圓圈形軌跡和“8”字形軌跡轉(zhuǎn)為實(shí)物編程模塊所支持的不同角度對(duì)應(yīng)的不同多邊形軌跡。例如,實(shí)物編程機(jī)器人支持旋轉(zhuǎn)15°指令,則可通過(guò)旋轉(zhuǎn)15°、前進(jìn),如此重復(fù)24次,對(duì)應(yīng)于24邊形軌跡。
我們可以將使用實(shí)物編程機(jī)器人模擬蜜蜂這個(gè)問(wèn)題分解為對(duì)蜜蜂的行為模擬和外形模擬兩個(gè)子問(wèn)題。
1.對(duì)蜜蜂的行為模擬
教師引導(dǎo)學(xué)齡前期兒童將正方形軌跡分解為“前進(jìn)”—“左轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”— “左轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”— “左轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”(圖2),并引導(dǎo)兒童自行得出正方形軌跡的另一種分解方法(“前進(jìn)”—“右轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”— “右轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”— “右轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”)。
三要積極參與中國(guó)—中南半島、孟中印緬經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè),創(chuàng)新對(duì)外合作模式,找準(zhǔn)同各國(guó)互利合作的契合點(diǎn),統(tǒng)籌推進(jìn)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、科技、文化、教育、旅游、金融等合作,讓周邊國(guó)家在與云南的合作中實(shí)現(xiàn)互利共贏。
圖2 正方形與“8”字形軌跡的拆分
教師可以引導(dǎo)兒童觀察上述軌跡分解方案,發(fā)現(xiàn)其中的重復(fù)操作,從而將上述運(yùn)動(dòng)方案簡(jiǎn)化為:“前進(jìn)—右轉(zhuǎn)”(重復(fù)3次)—“前進(jìn)”。由于計(jì)算機(jī)程序在進(jìn)行處理時(shí),增加一次“右轉(zhuǎn)”并不會(huì)影響最終結(jié)果,但可以讓程序流程更簡(jiǎn)潔,因此,將運(yùn)動(dòng)方案最終確定為:“前進(jìn)—右轉(zhuǎn)”(重復(fù)4次)。
在對(duì)正方形軌跡進(jìn)行分解的基礎(chǔ)上,教師進(jìn)一步引導(dǎo)兒童將“8”字形軌跡分解為“前進(jìn)”—“左轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”— “左轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”— “左轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”— “右轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”— “右轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”— “右轉(zhuǎn)”—“前進(jìn)”。如同正方形軌跡的處理方法,“8”字形軌跡分解方案也可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為“前進(jìn)”“左轉(zhuǎn)”和“前進(jìn)”“右轉(zhuǎn)”的重復(fù)動(dòng)作。
對(duì)處于兒童中期的兒童,教師可引導(dǎo)他們將圓圈軌跡分解為“前進(jìn)”→“左轉(zhuǎn)30°”(或?qū)嵨锞幊虣C(jī)器人支持的其他角度) →“前進(jìn)”→“左轉(zhuǎn)30°”……“前進(jìn)”。兒童可以自行嘗試要重復(fù)多少次“前進(jìn)”,“左轉(zhuǎn)30°”動(dòng)作,機(jī)器人才能回到起點(diǎn),形成類(lèi)圓軌跡(圖3)。通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡,兒童能夠獲得對(duì)多邊形更直觀的感受。
圖3 將圓圈軌跡分解為繪制正12邊形
“8”字形軌跡的拆分方案則隨著圓圈軌跡的分解方案改變而改變。某些實(shí)物編程機(jī)器人支持多種旋轉(zhuǎn)角度,如15°、45°等,可以引導(dǎo)兒童進(jìn)一步觀察探究:“在改變機(jī)器人單次旋轉(zhuǎn)角度且不改變機(jī)器人單次前進(jìn)距離的情況下,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的大小和形狀、機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間有什么變化?”
在兒童進(jìn)行觀察探究并嘗試改變實(shí)物編程機(jī)器人單次旋轉(zhuǎn)角度時(shí),教師要引導(dǎo)兒童填寫(xiě)指令方案記錄表(表1),培養(yǎng)兒童進(jìn)行科學(xué)觀察和記錄的習(xí)慣。注意表格中的文字可以由符號(hào)代替,以適應(yīng)兒童的認(rèn)知發(fā)展水平。
表1 指令方案記錄表
在兒童接受情況良好的情況下,教師可以帶領(lǐng)兒童更細(xì)致地觀察蜜蜂行為,引導(dǎo)兒童注意蜜蜂擺尾動(dòng)作,并引導(dǎo)兒童在設(shè)計(jì)實(shí)物編程機(jī)器人路線時(shí),自行添加震動(dòng)功能或蜂鳴功能代表蜜蜂快速擺尾動(dòng)作。
2.對(duì)蜜蜂的外形模擬
對(duì)于學(xué)齡前期兒童,可將蜜蜂外形抽象為:觸角、一對(duì)翅膀和尾部的蜇針。(圖4)兒童可以自行將蜜蜂圖像繪制于硬卡紙上,或由教師將蜜蜂圖像打印在硬卡紙上,并由兒童將硬卡紙上的蜜蜂粘貼于實(shí)物模擬機(jī)器人上,模擬蜜蜂的外形。兒童在剪貼的過(guò)程中,可以進(jìn)一步了解并熟悉蜜蜂的特征。
圖4 蜜蜂的身體構(gòu)造示意
對(duì)于處于兒童后期的兒童,可在抽象蜜蜂外形時(shí)增加更多細(xì)節(jié):如3對(duì)足、有條紋的身體等(圖5)。
圖5 較逼真的蜜蜂
上文將使用實(shí)物機(jī)器人模擬蜜蜂這一項(xiàng)目分拆為行為模擬和外觀模擬兩個(gè)子問(wèn)題,然后兒童可分別解決兩個(gè)子問(wèn)題。因此,在解決上述兩個(gè)子問(wèn)題后,教師就要引導(dǎo)兒童將兩個(gè)子問(wèn)題的解決方案合并為一個(gè)最終的方案。
可行的合并策略之一是在調(diào)試完機(jī)器人的動(dòng)作后,再完成實(shí)物機(jī)器人的外觀模擬。這種合并策略的優(yōu)點(diǎn)是在調(diào)試機(jī)器人的動(dòng)作時(shí),兒童得以更清晰地觀察機(jī)器人行為。
其他的合并策略,如分組完成機(jī)器人的外觀模擬和行為模擬等,需要教師根據(jù)兒童的具體人數(shù)、學(xué)習(xí)狀態(tài)等選擇采用。
教師引導(dǎo)兒童回顧完成整個(gè)項(xiàng)目的過(guò)程,進(jìn)一步加深使用計(jì)算思維解決問(wèn)題的過(guò)程給兒童留下的印象。本例中,將對(duì)蜜蜂的模擬分為行為模擬和外形模擬兩部分,然后分別對(duì)蜜蜂的行為和外形抽取特征。抽取特征的原則是這些行為和外形特征能夠在實(shí)物編程機(jī)器人上得到實(shí)現(xiàn)。兒童在了解需要實(shí)現(xiàn)的特征后,再對(duì)實(shí)編程機(jī)器人進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。
本例中, 將對(duì)蜜蜂的模擬拆分為動(dòng)作模擬和外形模擬兩部分的方法,在很多科學(xué)研究領(lǐng)域均可找到類(lèi)似做法。如在設(shè)計(jì)人形機(jī)器人時(shí),機(jī)器人動(dòng)作和外觀的設(shè)計(jì)可以由不同的研究團(tuán)隊(duì)完成;又例如,在設(shè)計(jì)網(wǎng)站時(shí),也可以將其分為后端功能模塊設(shè)計(jì)和前端交互界面設(shè)計(jì)兩部分,這兩部分可以由不同的開(kāi)發(fā)人員分別完成。這種分解問(wèn)題、逐個(gè)解決最后加以組合的計(jì)算思維思考過(guò)程可以遷移解決日常生活中的其他方面。
本例以生物學(xué)科知識(shí),包括蜜蜂的行為和身體結(jié)構(gòu)特征等知識(shí),作為項(xiàng)目的情景導(dǎo)入;通過(guò)繪制蜜蜂外形,將藝術(shù)與生物科學(xué)中的分類(lèi)學(xué)結(jié)合起來(lái),將生物學(xué)的知識(shí)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)槭止ぷ鳂I(yè)中的觀察和模仿;通過(guò)對(duì)蜜蜂行為的模擬,將數(shù)學(xué)上的角度、正多邊形、方向、圓周角等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)綜合運(yùn)用;通過(guò)對(duì)實(shí)物編程機(jī)器人進(jìn)行編程,將不同學(xué)科知識(shí)“黏合”為一個(gè)完整的項(xiàng)目;通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施,直觀地體現(xiàn)了數(shù)學(xué)概念在日常生活中的運(yùn)用。
兒童運(yùn)用自身的知識(shí)儲(chǔ)備并學(xué)習(xí)部分適應(yīng)自身身心發(fā)展水平的知識(shí)技能即能完成具體的項(xiàng)目,有助于培養(yǎng)兒童的學(xué)習(xí)信心、激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)興趣。
STEAM教育和各學(xué)科的核心素養(yǎng)均指向同一個(gè)方向——培養(yǎng)未來(lái)人才。作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一的計(jì)算思維可以而且應(yīng)該成為STEAM教育的有機(jī)組成部分。如果把STEAM教育看成一張網(wǎng),將其中各個(gè)部分——科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)有機(jī)地交織在一起,則可以把計(jì)算思維看成編織這張大網(wǎng)的重要而有效的思維方法之一。送給孩子們一張網(wǎng),不如教給孩子們織網(wǎng)的方法。實(shí)物編程可融合到STEAM教學(xué)中,成為各學(xué)科知識(shí)的“黏合劑”,將各學(xué)科知識(shí)有機(jī)地組織起來(lái),形成綜合的學(xué)習(xí)項(xiàng)目。