李晶

目前，人們普遍認(rèn)為計算思維的培養(yǎng)在課堂教學(xué)中主要通過計算機編程及其相關(guān)的教學(xué)活動來實現(xiàn)，其中小學(xué)多以Scratch編程、機器人、開源芯片創(chuàng)客等活動為主。盡管計算機編程教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生計算思維有直接效果，但在實際教學(xué)活動中教師仍需要面對許多問題。例如，編程教學(xué)對計算機和相關(guān)硬件設(shè)備有著強大的依賴性，硬件資源往往無法滿足大量學(xué)生同時使用的需求;又如，信息技術(shù)學(xué)科還包含大量非編程的學(xué)科知識，教師仍需要在規(guī)定課時內(nèi)完成這部分教學(xué)內(nèi)容。面對這些矛盾，筆者認(rèn)為可以運用不插電計算機的教學(xué)活動，彌補原有課堂教學(xué)活動的不足，提升計算思維的培養(yǎng)效果。

不插電計算機的教學(xué)特點

不插電計算機（Computer Science Unplugged）的概念最初是由新西蘭坎特伯雷大學(xué)的Tim Bell教授和Ian H. Written、Mike Fellows兩位教師共同發(fā)起的一個研究項目。他們認(rèn)為，傳統(tǒng)課程所授的計算機編程是人們將自己的想法付諸現(xiàn)實的工具和方法，但是這門學(xué)科更重要的是讓學(xué)習(xí)者認(rèn)識計算機實現(xiàn)功能的過程。不插電計算機教學(xué)的目的并非是讓學(xué)生精準(zhǔn)地掌握計算機的某一項知識，而是通過認(rèn)識計算機解決問題的過程，理解其中的原理概念，感受這門學(xué)科所涵蓋的創(chuàng)意和趣味。由于不插電計算機教學(xué)具有不受時間和地點限制的特點以及適合低年段學(xué)生學(xué)習(xí)計算機科學(xué)知識的優(yōu)勢，該項目得到全球計算機科學(xué)學(xué)科研究者的認(rèn)可，并對信息技術(shù)學(xué)科的教學(xué)產(chǎn)生巨大影響。

由于在不插電計算機的教學(xué)活動中不需要學(xué)生直接操作計算機或者其他媒體設(shè)備，所以這種教學(xué)活動可以面向沒有計算機學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的學(xué)生開展，對學(xué)習(xí)者的能力門檻較低，適合小學(xué)階段學(xué)生參與學(xué)習(xí)。盡管如此，不插電計算機教學(xué)的內(nèi)容仍然始終圍繞計算機科學(xué)的核心知識。這種教學(xué)方式對于幫助學(xué)生理解計算機的運行原理、編程的邏輯規(guī)律、算法的執(zhí)行過程等學(xué)生難以直觀看到的學(xué)科知識有著自己獨特的教學(xué)效果。

傳統(tǒng)的信息技術(shù)教學(xué)往往關(guān)注學(xué)生應(yīng)用技術(shù)解決生活問題的操作和思維方面的培養(yǎng)，但實際上學(xué)生學(xué)到的本領(lǐng)常常與生活實際面對的環(huán)境有著巨大差異。不插電計算機的教學(xué)一般從二進制數(shù)概念、人工智能原理、算法流程等計算機科學(xué)的核心知識出發(fā)，通過運用貼近生活情景的互動游戲的方式呈現(xiàn)這些知識概念和規(guī)律，從而使學(xué)生在掌握知識的同時提升其在信息技術(shù)環(huán)境中的自適應(yīng)能力。

不插電計算機的教學(xué)形式一般以師生之間和生生之間的交互游戲和實踐活動為主，注重學(xué)生在整個活動過程中的體驗和思考。通過開展圍繞計算機科學(xué)知識的互動游戲，組織一系列具有趣味性和挑戰(zhàn)性的活動，實現(xiàn)對計算機科學(xué)的概念、知識和技術(shù)的解釋。學(xué)生在活動的過程中不僅認(rèn)識計算機科學(xué)的相關(guān)知識，培育學(xué)科思維能力，更能體驗計算機科學(xué)的魅力，產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣和探索欲望，最終真正實現(xiàn)“玩中學(xué)”的教學(xué)效果。

基于計算思維培養(yǎng)的不插電計算機教學(xué)模式設(shè)計

基于計算思維培養(yǎng)的不插電計算機教學(xué)是以讓學(xué)生在掌握學(xué)科知識的同時提升計算思維為目標(biāo)，將計算思維培育的要素滲透于不插電計算機的教學(xué)活動。結(jié)合不插電計算機教學(xué)的活動特點，隨著教學(xué)的深入，將生活案例、學(xué)科知識以及互動游戲相結(jié)合，使學(xué)生能夠主動參與學(xué)習(xí)，并在深度體驗的過程中培育計算思維。

結(jié)合不插電計算機教學(xué)的特點，圍繞計算思維培育的相關(guān)概念，筆者認(rèn)為，以培育小學(xué)生計算思維為目標(biāo)的不插電計算機教學(xué)活動主要包含“情境互動”“明確問題”“體驗探究”“歸納現(xiàn)象”“應(yīng)用實踐”“總結(jié)推廣”六個主要階段（如圖1）。

①情境互動階段，創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。不插電計算機的教學(xué)活動一般以包含計算機科學(xué)的現(xiàn)象、問題或游戲為主。通過情境互動，將學(xué)科知識與學(xué)生的生活情境產(chǎn)生聯(lián)系，用“可參與”的互動方式使學(xué)生體驗計算機科學(xué)知識的趣味，充分調(diào)動學(xué)生參與活動的欲望和學(xué)習(xí)興趣。

②明確問題階段，分析問題現(xiàn)象，確定教學(xué)內(nèi)容。本階段是將生活中的現(xiàn)象或問題抽象為學(xué)科性的問題，在生活現(xiàn)象和學(xué)科知識間起到承上啟下的作用。通過組織學(xué)生對第一階段所觀察到的現(xiàn)象進行分析，逐步抽象出其中與計算機科學(xué)以及信息技術(shù)學(xué)科相關(guān)的知識內(nèi)容。面對比較復(fù)雜的問題和現(xiàn)象，教師可以通過引導(dǎo)使學(xué)生將復(fù)雜問題分解成若干子問題并形成問題集，在之后的教學(xué)活動中逐一解決或解釋這些問題和現(xiàn)象。

③體驗探究階段，開展探究體驗，領(lǐng)略學(xué)科知識。本階段是教學(xué)活動的主體，也是解釋和解決學(xué)科知識的重要階段。在這個階段中，學(xué)科知識并不是通過教師講授來傳授，而是組織學(xué)生開展一系列互動游戲和實驗，使學(xué)生通過體驗來領(lǐng)悟其中的規(guī)律。在活動過程中，教師可以運用生活中的道具組織學(xué)生開展活動，學(xué)生通過兩人或多人一組的方式合作進行，體驗計算機的學(xué)科知識或執(zhí)行過程。教師設(shè)計的活動應(yīng)具有趣味性、交互性、科學(xué)性，使學(xué)生能夠參與、樂于參與，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

④歸納現(xiàn)象階段，歸納學(xué)科知識，形成一般模式。本階段是學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象歸納知識的重要階段，不僅需要引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)知識概念，更應(yīng)該關(guān)注學(xué)生形成概念的思維過程。教師可以組織學(xué)生綜合活動過程中的經(jīng)驗和感受，分析并歸納其中的現(xiàn)象規(guī)律，抽象出與計算機科學(xué)和信息技術(shù)學(xué)科相關(guān)的知識原理，并對相關(guān)的學(xué)科概念和執(zhí)行流程形成模式概括。

⑤應(yīng)用實踐階段，運用學(xué)科知識，解決實際問題。本階段需要學(xué)生綜合運用學(xué)科知識開展實踐活動，是對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的階段性評估。應(yīng)用實踐的活動內(nèi)容可以是教學(xué)活動最初的情景任務(wù)，也可以是基于所學(xué)知識的拓展型問題，其本質(zhì)是為學(xué)生提供運用知識解決問題的模擬場景。通過實踐活動，幫助學(xué)生梳理運用知識解決實際問題的過程和方法，并在此過程中養(yǎng)成執(zhí)行步驟的條理性，使算法思維得到提升。

⑥總結(jié)推廣階段，總結(jié)學(xué)科知識，拓展學(xué)科思維。本階段是教學(xué)活動的收尾，既是對教學(xué)內(nèi)容的總結(jié)階段，也是拓展學(xué)生學(xué)科思維的重要階段。在此過程中，教師可以以學(xué)科知識為核心拓展其在生活中的應(yīng)用場景，通過與學(xué)生開展互動的方式，使學(xué)生能夠?qū)σ褜W(xué)知識的應(yīng)用場景有所評估，深入理解運用所學(xué)知識解決問題的方法。教師可以設(shè)計一些開放性的趣味問題，鼓勵學(xué)生開展課后研究，激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

基于計算思維培養(yǎng)的不插電計算機教學(xué)實施案例

下面，筆者以《生活中的二進制數(shù)》一課的不插電計算機教學(xué)活動為例，介紹基于計算思維培養(yǎng)的不插電計算機的教學(xué)設(shè)計和實施過程。本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容是讓學(xué)生通過不插電教學(xué)活動，了解二進制現(xiàn)象，知道二進制數(shù)的概念，并能根據(jù)二進制數(shù)和十進制數(shù)的規(guī)律進行簡單換算。根據(jù)基于計算思維培養(yǎng)的不插電計算機的教學(xué)流程，筆者將這節(jié)課設(shè)計成以下幾個活動環(huán)節(jié)。

1.生肖猜謎魔術(shù)

為了使學(xué)生對原本可能略顯枯燥的二進制數(shù)產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，這節(jié)課的開始，筆者與學(xué)生開展了一個互動游戲，運用了“生肖猜謎魔術(shù)”的方式引入。這個魔術(shù)運用二進制數(shù)與十進制數(shù)轉(zhuǎn)換的規(guī)律，實現(xiàn)一個讀心術(shù)的效果。通過這個有趣的互動魔術(shù)，使學(xué)生直觀感受二進制數(shù)在生活中的趣味應(yīng)用，充分激發(fā)學(xué)生深入探究的興趣，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好鋪墊。

活動內(nèi)容：

將每個生肖的十進制數(shù)排序編號并轉(zhuǎn)化為4位二進制編碼，例如，位列第6的生肖蛇的編碼為0110，位列第9的生肖猴的編碼為1001。準(zhǔn)備4張卡片分別對應(yīng)二進制編碼的每個位，根據(jù)生肖的二進制編碼，從左至右逐位判斷，將數(shù)值為1的生肖填入對應(yīng)的卡片中，最終形成4張生肖魔術(shù)卡片（如圖2）。

在互動魔術(shù)的過程中，邀請一位學(xué)生首先在心中默念一個生肖，然后依次向?qū)W生展示生肖卡片，并請學(xué)生描述在卡片中是否具有心中所想的生肖，最后由教師根據(jù)回答判斷學(xué)生心中所想的生肖，完成魔術(shù)。

2.身邊的二進制現(xiàn)象

相較于常見的十進制數(shù)，小學(xué)生對二進制數(shù)的概念還是比較陌生的。然而，學(xué)生的身邊實際上充滿著許多具有二進制元素的事物，如電燈的開關(guān)、問題的對錯等。在這個環(huán)節(jié)中，主要組織學(xué)生交流生活中的二進制現(xiàn)象，幫助其認(rèn)識二進制數(shù)的概念，將原本復(fù)雜的生活環(huán)境抽象成計算機及信息技術(shù)學(xué)科的知識內(nèi)容，使學(xué)生理解所學(xué)知識與實際生活的關(guān)系。同時，通過介紹生肖魔術(shù)的原理與二進制數(shù)有關(guān)，以揭秘魔術(shù)為驅(qū)動任務(wù)，進一步激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的興趣。

活動內(nèi)容：

頭腦風(fēng)暴生活中的二進制現(xiàn)象，初步構(gòu)建二進制數(shù)的概念。通過觀看微視頻和科普閱讀的方式，使學(xué)生知道計算機中的數(shù)據(jù)和信息都是以0和1的形式存儲的，同時生活中也存在許多具有二進制現(xiàn)象的事物。教師簡單介紹生肖魔術(shù)的原理，使學(xué)生意識到生肖魔術(shù)也是運用二進制數(shù)的規(guī)律實現(xiàn)的。

3.探究二進制數(shù)的規(guī)律

本環(huán)節(jié)是教學(xué)的核心階段，由于二進制數(shù)運算對小學(xué)生而言比較陌生，所以學(xué)生學(xué)習(xí)和理解相關(guān)概念是具有一定的難度和挑戰(zhàn)的。筆者將學(xué)習(xí)活動分為兩個子活動，通過問題引導(dǎo)學(xué)生參與，使學(xué)生在體驗活動的過程中逐步加深知識內(nèi)容，幫助學(xué)生更好地理解其中的學(xué)科原理。這個環(huán)節(jié)對培養(yǎng)學(xué)生計算思維具有直接的效果，活動中筆者不僅關(guān)注學(xué)生對學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，同時更關(guān)注學(xué)生對問題現(xiàn)象的抽象、歸納和概括的過程。以問題為指向引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵學(xué)生根據(jù)體驗的過程綜合自己的感受歸納并描述其中的規(guī)律，概括學(xué)科相關(guān)的知識，最終形成正確且學(xué)生能夠理解的模式。

活動內(nèi)容：

活動1：給每組學(xué)生發(fā)放5張卡片，其中4張卡片上分別標(biāo)有1、2、4、8四個數(shù)字，要求學(xué)生根據(jù)卡片上數(shù)字的規(guī)律思考第5張卡片上的數(shù)字，并將數(shù)字從左至右、從大到小排列，組成5張數(shù)字卡片。

活動2：卡片有數(shù)字的一面為正面，無數(shù)字的一面為反面。教師隨機給出數(shù)字，學(xué)生嘗試用卡片上的數(shù)字累加出教師所給的數(shù)字，用到的卡片記為1，未用到的卡片記為0，從左至右記錄1和0的二進制狀態(tài)。例如，教師給出25，則卡片最終給出的二進制狀態(tài)為11001。

4.運用所學(xué)開展魔術(shù)

本環(huán)節(jié)是學(xué)生運用已經(jīng)掌握的二進制數(shù)的規(guī)律在生活情景中解決實際問題的階段。為呼應(yīng)本課的任務(wù)主題，同時也為滿足學(xué)生的好奇心，筆者在這個教學(xué)環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生徹底揭秘生肖魔術(shù)的原理，組織學(xué)生運用所學(xué)知識與同伴開展生肖魔術(shù)，在體驗?zāi)g(shù)的同時也感受應(yīng)用知識解決問題的樂趣。與此同時，筆者也鼓勵學(xué)生嘗試在此基礎(chǔ)上自主創(chuàng)編更多有趣的魔術(shù)游戲，與同伴分享和展示。

活動內(nèi)容：

活動1：根據(jù)十二生肖的編號，運用手中的卡片計算出各個生肖的二進制數(shù)。思考描述十二個生肖使用幾張數(shù)字卡片最合適，描述其中的理由。

活動2：觀察十二生肖編號及其二進制數(shù)的規(guī)律，揭秘生肖魔術(shù)的原理并與同伴重現(xiàn)生肖魔術(shù)。嘗試運用生肖魔術(shù)的原理和技巧設(shè)計一個新的魔術(shù)活動。

5.課堂總結(jié)與拓展問題

在本節(jié)課的總結(jié)環(huán)節(jié)中，筆者不僅組織學(xué)生回顧課堂所學(xué)的知識內(nèi)容，同時將一個拓展開放的問題拋給學(xué)生，使學(xué)生在課后延續(xù)對二進制數(shù)概念的興趣，同時引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識開展更多拓展性的思考。通過二進制生日蠟燭的問題，鼓勵學(xué)生進一步運用課堂所學(xué)的二進制數(shù)的知識思考身邊的問題，同時使學(xué)生的表達、評估等高階思維能力得到提升。

研究問題：

生日蛋糕上通常會插上與年齡數(shù)字相同數(shù)量的蠟燭，但隨著年齡的增長，蠟燭數(shù)量會越來越多。有人認(rèn)為可以分別使用點燃和熄滅的蠟燭表示1和0，運用二進制數(shù)的規(guī)律表達年齡的數(shù)字。你覺得這個方法可行嗎？請描述你的理由。

基于計算思維培養(yǎng)的不插電計算機教學(xué)實施反思

不插電計算機的教學(xué)特點在于弱化媒體技術(shù)在教學(xué)活動中的影響，使學(xué)生通過互動游戲的方式直接感受學(xué)科知識的特點和規(guī)律，有助于學(xué)生理解計算機科學(xué)的知識概念和解決問題的過程，對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)能夠起到較為直接的效果。

在課堂上開展基于計算思維培養(yǎng)的不插電計算機教學(xué)活動后，學(xué)生對課堂所講的學(xué)科知識產(chǎn)生了濃厚興趣，同時他們在課堂上的行為表現(xiàn)也產(chǎn)生喜人的變化，學(xué)生對通過互動游戲?qū)W習(xí)計算機科學(xué)知識的方式表現(xiàn)出強烈欲望。得益于不插電計算機教學(xué)參與活動門檻低的特點，課堂上那些原本因為操作不熟練而無法參與互動的學(xué)生逐漸從抗拒學(xué)習(xí)變得樂于學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程中，幾乎每一位學(xué)生都能夠主動參與每個活動環(huán)節(jié)，他們在學(xué)習(xí)過程中變得更加主動，即使已經(jīng)下課，學(xué)生仍會圍繞課上所學(xué)的知識以及拓展的問題開展自發(fā)性的討論。

總結(jié)

不插電計算機教學(xué)是對常規(guī)信息技術(shù)學(xué)科的補充和完善，對學(xué)生計算思維的提升也有其特有的教學(xué)效果。但是不插電計算機這種教學(xué)方式同樣有其不足之處，這種教學(xué)方式適合面向低年齡段學(xué)生普及學(xué)科理論知識，但是操作實踐仍是信息技術(shù)和計算機科學(xué)中必不可少的重要能力。因此，在實際教學(xué)活動中，不插電計算機教學(xué)應(yīng)以調(diào)味劑的形式存在于整個信息技術(shù)學(xué)科的教學(xué)活動中，幫助學(xué)生更好地理解學(xué)科的理論知識，調(diào)劑學(xué)生學(xué)習(xí)的心理狀態(tài)。相信合理運用不插電計算機教學(xué)，不僅能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，更能令信息技術(shù)學(xué)科的教學(xué)效果更佳出色。