摘要：計(jì)算思維是智能社會(huì)必備的思維方式，其并非計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域獨(dú)有，而是存在于各個(gè)學(xué)科。計(jì)算思維教育應(yīng)從低齡兒童抓起，并以編程教育為錨點(diǎn)展開，然而很多國家及地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)條件限制，無法在學(xué)校開展編程教育?；谏鲜鰡栴}，本研究采用案例分析法，以選擇排序和二分查找算法為教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)主題“尋覓幸運(yùn)兒”，繼而實(shí)施、評(píng)價(jià)與優(yōu)化教學(xué)，以期尋得低成本的計(jì)算思維教學(xué)模式。通過前、后測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，本研究發(fā)現(xiàn)，以算法原理為根基的小學(xué)體育游戲教學(xué)可以有效促進(jìn)學(xué)生理解并掌握算法概念，進(jìn)而提升學(xué)生的計(jì)算思維水平。因此，在小學(xué)體育游戲中融合算法原理是發(fā)展低齡兒童計(jì)算思維的行之有效的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：算法；計(jì)算思維；小學(xué)低年級(jí)；跨學(xué)科；體育游戲

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）14-0039-06

引言

計(jì)算思維伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展已然成為人類不可或缺的思維方式。它指向計(jì)算機(jī)解決問題的指令與流程，同時(shí)也指向人類利用計(jì)算機(jī)解決問題的意識(shí)與過程。[1]然而，它并不獨(dú)屬于計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域，而是隨著計(jì)算機(jī)的普及，逐漸滲透到其他學(xué)科領(lǐng)域。因此，計(jì)算思維具有顯而易見的跨學(xué)科屬性。

教育部2022年頒布的義務(wù)教育階段各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)打破了學(xué)科間的壁壘，如《義務(wù)教育體育與健康課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）均有一定比例的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)要求，但鮮有研究表明如何跨學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

編程學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的載體，并且逐漸走向低齡化。皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論認(rèn)為小學(xué)低年級(jí)學(xué)生思維凸顯表象性，需借助具象事物學(xué)習(xí)抽象概念。因而，學(xué)生借助體育游戲，以肢體為媒介學(xué)習(xí)計(jì)算思維具有一定的可行性。此外，由于教學(xué)條件的限制，國內(nèi)很多小學(xué)并未開展編程教育，而體育游戲無疑是簡單易懂、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的編程學(xué)習(xí)方式。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，并結(jié)合學(xué)生生理特點(diǎn)及學(xué)習(xí)起點(diǎn)，本研究以選擇排序算法及二分查找算法為學(xué)習(xí)內(nèi)容，采用案例分析法，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)主題“尋覓幸運(yùn)兒”，以驗(yàn)證在小學(xué)體育游戲教學(xué)中滲透算法原理教學(xué)能否有效促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。

文獻(xiàn)綜述

1.計(jì)算思維

計(jì)算思維是指采用計(jì)算機(jī)的概念及原理處理問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、理解人類行為的方法[2]，其與數(shù)學(xué)思維、工程思維、科學(xué)思維息息相關(guān)。在分析、解決問題的過程方面，它與數(shù)學(xué)思維有共通之處，在設(shè)計(jì)、驗(yàn)證系統(tǒng)等方面，它囊括了工程思維，在可計(jì)算性、人類智慧與行為方面，它體現(xiàn)了科學(xué)思維。[3]此外，計(jì)算思維也被視為一種利用計(jì)算機(jī)處理思維活動(dòng)的能力[4]，包含編程涉及的計(jì)算概念、解決問題的計(jì)算步驟、了解世界的計(jì)算視角。[5]

在本研究中，計(jì)算思維指人類運(yùn)用及模擬計(jì)算機(jī)處理問題的算法機(jī)制，即分析及分解問題，抽象及符號(hào)化問題，轉(zhuǎn)化為可供計(jì)算機(jī)處理的計(jì)算模型，最終自動(dòng)化處理問題。

2.編程教育

（1）編程是計(jì)算思維的載體

編程教育逐漸面向低齡兒童，我國面向小學(xué)生的編程教育最早出現(xiàn)在2000年，隨著2017年《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[6]的發(fā)布，編程教育被正式納入中小學(xué)教育大綱。編程是培育學(xué)生計(jì)算思維的重要載體，學(xué)生通過編程學(xué)習(xí)理解計(jì)算機(jī)工作的底層原理，最終在計(jì)算機(jī)的助力下解決問題。[7]

傳統(tǒng)編程教育依托顯示器與計(jì)算機(jī)CPU互動(dòng)完成編程學(xué)習(xí)，然而計(jì)算機(jī)屏幕嚴(yán)重傷害兒童視力。因此，越來越多的學(xué)者投入到無屏幕編程教育的研究中，從研究結(jié)果看，無屏幕編程可以有效促進(jìn)兒童計(jì)算思維的發(fā)展。[8]無屏幕編程教育指不依托電子顯示屏的編程教育教學(xué)活動(dòng)，也可稱之為不插電或玩具化編程教育[9]，提議學(xué)生通過物理活動(dòng)或設(shè)備開展編程學(xué)習(xí)。物理活動(dòng)以積木、卡片等任意有形物體表現(xiàn)編程邏輯。物理設(shè)備共有兩類，一類是編程機(jī)器人，如Bee-Bot Robot，另一類則是物理機(jī)械設(shè)備，如Code Monkey Island。物理設(shè)備往往造價(jià)高昂，物理活動(dòng)則成本極低。[10]體育游戲是一種以身體為載體的特殊編程學(xué)習(xí)物理活動(dòng)，技術(shù)學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)遵循具身性，還原學(xué)習(xí)本質(zhì)，充分發(fā)揮肢體的介質(zhì)性，關(guān)注學(xué)生自身體驗(yàn)，加強(qiáng)技術(shù)與身體的鏈接與耦合。[11]

所以，本研究以體育游戲?yàn)榫幊虒W(xué)習(xí)的載體，讓學(xué)生用肢體動(dòng)作模擬算法原理，達(dá)到體驗(yàn)及學(xué)習(xí)編程的目的。

（2）算法是編程學(xué)習(xí)的核心

計(jì)算思維涉及概念和策略兩個(gè)維度的內(nèi)容，工具、數(shù)據(jù)、算法、系統(tǒng)是計(jì)算概念中的關(guān)鍵學(xué)習(xí)對(duì)象。算法是人為設(shè)定的計(jì)算機(jī)重復(fù)加工及計(jì)算的邏輯與規(guī)則，是計(jì)算機(jī)處理問題的核心機(jī)制。[12]計(jì)算機(jī)程序的底層原理是算法，編程教育在返璞歸真后，應(yīng)當(dāng)以“算法”為核心學(xué)習(xí)內(nèi)容。[13]

世界萬物本無序，當(dāng)萬物抽象為符號(hào)與數(shù)字后，誕生了林林總總的數(shù)據(jù)與信息，這便為算法提供了可執(zhí)行對(duì)象。計(jì)算機(jī)利用排序算法變無序?yàn)橛行?，再使用查找算法在有序的信息中鎖定目標(biāo)對(duì)象。

本研究的學(xué)習(xí)主題“尋覓幸運(yùn)兒”將選擇排序和二分查找算法作為教學(xué)內(nèi)容，以算法的體驗(yàn)與學(xué)習(xí)代替編程技能教育。

3.跨學(xué)科學(xué)習(xí)

計(jì)算機(jī)的信息加工以及計(jì)算能力使其具備學(xué)科普適性，這使得許多學(xué)科越發(fā)依賴計(jì)算機(jī)解決學(xué)科問題，面臨計(jì)算機(jī)化的挑戰(zhàn)。古語道，“道無處不在”，在科學(xué)領(lǐng)域，“道”指本質(zhì)屬性和底層規(guī)律，所有的學(xué)科均有其“道”，經(jīng)過抽象處理后表現(xiàn)為“計(jì)算模型”。

（1）探索低成本培育途徑的必要性

新課標(biāo)規(guī)定，小學(xué)低年級(jí)學(xué)生通過使用數(shù)字設(shè)備，體驗(yàn)設(shè)備操作步驟學(xué)習(xí)計(jì)算思維。[14]但由于我國教育資源分配不均，大多數(shù)學(xué)校無法支持學(xué)生體驗(yàn)數(shù)字設(shè)備，因此有必要探尋計(jì)算思維的低成本培育途徑。

（2）組織跨學(xué)科學(xué)習(xí)主題的必然性

新課標(biāo)提倡打破學(xué)科邊界，實(shí)現(xiàn)全學(xué)科育人，且規(guī)定須組織跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)。[15]跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性、真實(shí)性和綜合性，可立足于任務(wù)實(shí)踐，在情境中習(xí)得學(xué)科概念。[16]跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)有助于改善學(xué)科知識(shí)互相獨(dú)立的現(xiàn)狀，讓學(xué)生學(xué)會(huì)綜合應(yīng)用全學(xué)科知識(shí)。計(jì)算思維天然的跨學(xué)科屬性使其滿足跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)內(nèi)容要求。[17]

（3）構(gòu)建具身性編程教育的可行性

體育游戲教學(xué)符合小學(xué)低年級(jí)學(xué)生心理及生理認(rèn)知特點(diǎn)，體育課標(biāo)將其設(shè)置為重要教學(xué)內(nèi)容，以提高學(xué)生參與學(xué)科學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性。[18]而在學(xué)科融合育人的背景下，適當(dāng)改編體育游戲能使其符合新時(shí)代的育人要求。[19]所以，在具身性編程教育中，可以基礎(chǔ)體育技能模擬算法原理，使學(xué)生身臨其境體驗(yàn)算法邏輯。例如，摒棄單一的技能訓(xùn)練，以走、跑、跳等基礎(chǔ)體育技能模擬循環(huán)算法原理，當(dāng)學(xué)生聽到教師的指令后需做出動(dòng)作回應(yīng)。指令如“一直往前跳，聽到口令則結(jié)束”“當(dāng)聽到口令時(shí)往前走1步”，分別對(duì)應(yīng)循環(huán)算法中的“直到型循環(huán)結(jié)構(gòu)”“當(dāng)型循環(huán)結(jié)構(gòu)”。

研究設(shè)計(jì)

1.研究對(duì)象

W小學(xué)數(shù)字教學(xué)設(shè)備老舊，無法為學(xué)生提供數(shù)學(xué)體驗(yàn)設(shè)備。本研究經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)最終確定以W小學(xué)201班全體學(xué)生（共30名）為研究對(duì)象。

2.研究方法

本研究采用案例研究法，分三步進(jìn)行。首先，根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施教學(xué)；其次，基于上課數(shù)據(jù)分析教學(xué)過程；最后，形成教學(xué)結(jié)論反向促進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

3.教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）教學(xué)內(nèi)容

本研究以“尋覓幸運(yùn)兒”為學(xué)習(xí)主題，基于體育基本技能“隊(duì)列隊(duì)形”及計(jì)算科學(xué)概念“選擇排序和二分查找算法”展開教學(xué)活動(dòng)。

（2）學(xué)生特征

根據(jù)皮亞杰認(rèn)知理論，小學(xué)低年級(jí)學(xué)生的思維還未發(fā)展到具體運(yùn)算階段，表5/Vyv/KdMPFE6mL/7jjqvA==象性思維突出，抽象思維剛開始形成，需借助具象事物理解抽象性概念。同時(shí)，學(xué)生在該階段精力旺盛，因此該階段是學(xué)習(xí)體育技能和發(fā)展體能的敏感期，是培養(yǎng)體育愛好、養(yǎng)成堅(jiān)韌品格和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的關(guān)鍵期。

（3）教學(xué)目標(biāo)

體育與健康學(xué)科教學(xué)目標(biāo)：理解并掌握隊(duì)列隊(duì)形的運(yùn)動(dòng)技能，養(yǎng)成遵守紀(jì)律、聽從指令的好習(xí)慣。

小學(xué)信息科技學(xué)科教學(xué)目標(biāo)：通過體育游戲模擬算法原理，在游戲中體驗(yàn)并理解選擇排序和二分查找算法的底層邏輯，進(jìn)而發(fā)展計(jì)算思維。

（4）教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：隊(duì)列隊(duì)形的游戲規(guī)則的講解與實(shí)踐。

難點(diǎn)：讓學(xué)生在游戲過程中沉浸體驗(yàn)算法的底層原理。

（5）課時(shí)安排

共3個(gè)課時(shí)：第1課時(shí)采集學(xué)生前測(cè)結(jié)果，再以動(dòng)畫的形式介紹游戲規(guī)則。第2課時(shí)完成案例一教學(xué)。第3課時(shí)完成案例二教學(xué)，并完成學(xué)生后測(cè)數(shù)據(jù)收集。

（6）教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)主題“尋覓幸運(yùn)兒”的教學(xué)活動(dòng)過程如上頁表1所示，兩個(gè)案例的教學(xué)環(huán)節(jié)均由開始、準(zhǔn)備、基本、結(jié)束四個(gè)部分組成。

（7）教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

本研究根據(jù)三段式測(cè)試原理，將每一道教學(xué)測(cè)評(píng)題細(xì)分為答案、依據(jù)、信心三個(gè)維度[20]，并且根據(jù)學(xué)生的得分，將測(cè)試結(jié)果分為掌握牢固、含糊不清、基礎(chǔ)薄弱、知識(shí)欠缺四個(gè)水平。

如表2所示，每道題對(duì)應(yīng)的三個(gè)維度全部答對(duì)表明學(xué)生牢固掌握知識(shí)，得3分。答案、依據(jù)兩個(gè)維度均答對(duì)，但最后一個(gè)維度答錯(cuò)，表明學(xué)生知識(shí)含糊不清，得2分。答案和依據(jù)兩個(gè)維度僅答對(duì)其中之一，表明學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)薄弱，得1分。學(xué)生三個(gè)維度均答錯(cuò)則表明欠缺相關(guān)知識(shí)，得0分。

如表3所示，本研究將評(píng)價(jià)內(nèi)容分為序數(shù)與排序、選擇排序算法、二分查找算法三個(gè)部分。序數(shù)與排序是排序算法的基礎(chǔ)概念，Q1用于測(cè)試學(xué)生序數(shù)與排序的概念掌握程度，Q2、Q3用于測(cè)試學(xué)生選擇排序算法掌握水平，Q4、Q5用于測(cè)試學(xué)生二分查找算法理解水平。

研究結(jié)果與討論

本研究使用教學(xué)測(cè)評(píng)題（如表3）測(cè)試學(xué)生選擇排序和二分查找算法原理的認(rèn)知起點(diǎn)，并且在研究實(shí)施后讓學(xué)生再一次完成表3內(nèi)容，兩份數(shù)據(jù)被作為研究的前測(cè)以及后測(cè)數(shù)據(jù)。二年級(jí)學(xué)生閱讀能力薄弱，因此在測(cè)試過程中，需要給學(xué)生提供相應(yīng)的協(xié)助。學(xué)生前測(cè)和后測(cè)均發(fā)放30份測(cè)評(píng)題，回收30份，回收率100%。

本研究樣本量僅有30，因此采用夏皮洛-威爾克法進(jìn)行正態(tài)性分布檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。由表4可知，學(xué)生前、后測(cè)數(shù)據(jù)的夏皮洛-威爾克檢驗(yàn)顯著性水平均大于0.05，說明前、后測(cè)得分符合正態(tài)分布，可進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。

學(xué)生樣本配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果，如表5所示，sig（雙尾）=0.000，說明學(xué)生體育游戲教學(xué)實(shí)施前、后分?jǐn)?shù)間具有極顯著差異。

由表6結(jié)果可知，學(xué)生前測(cè)分?jǐn)?shù)平均值低于2，算法原理維度的測(cè)驗(yàn)分?jǐn)?shù)甚至低于1。學(xué)生后測(cè)分?jǐn)?shù)顯著高于前測(cè)，其中序數(shù)與排序維度的得分均值甚至接近3，選擇排序算法維度得分接近2.5，二分查找算法維度則大于2。

依據(jù)測(cè)試題計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)（如表2）可知，學(xué)生在前測(cè)階段對(duì)選擇排序和二分查找算法的概念與原理幾乎一無所知，后測(cè)階段則基本理解了兩種算法的底層邏輯。

綜上所述，算法原理植根于體育游戲教學(xué)可有效促進(jìn)小學(xué)低年級(jí)學(xué)生理解與掌握算法概念與邏輯，推動(dòng)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。小學(xué)體育與健康學(xué)科跨學(xué)科培養(yǎng)小學(xué)低年級(jí)學(xué)生的計(jì)算思維具有可行性。

結(jié)語

算法是計(jì)算機(jī)科學(xué)家設(shè)計(jì)的可供計(jì)算機(jī)運(yùn)算的指令，是計(jì)算機(jī)處理問題能力的核心。由此可見，計(jì)算思維教育的關(guān)鍵在于讓學(xué)生感悟和理解算法概念與原理。目前，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)大多以編程教育為基石，然而由于教育資源分配不均，發(fā)展滯后的國家或地區(qū)無法為學(xué)生提供編程學(xué)習(xí)的硬件設(shè)施。體育游戲的趣味性與易學(xué)性符合小學(xué)低年級(jí)學(xué)生的生理及心理認(rèn)知特征。在游戲過程中，學(xué)生以身體為媒介，解密算法概念與邏輯。此外，以體育游戲培養(yǎng)小學(xué)低年級(jí)學(xué)生計(jì)算思維的經(jīng)濟(jì)成本微乎其微，為欠發(fā)達(dá)地區(qū)低齡兒童計(jì)算思維的培養(yǎng)提供更多可能性。

后續(xù)研究將持續(xù)豐富體育游戲跨學(xué)科培養(yǎng)低齡兒童計(jì)算思維的相關(guān)教學(xué)案例，探索其他算法概念融入小學(xué)體育游戲教學(xué)的途徑，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維教育的低齡化、高效化與低成本化。

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