基于计算思维的小学程序设计教学研究与实践

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1、基于计算思维的小学程序设计教学研究与实践　　【摘要】计算思维起源于计算科学，程序设计是理解计算思维的最佳途径。基于计算思维的小学程序设计教学，从学科思维层面重新建构了以Scratch和Logo为基础，以机器人和FreeBASIC为拓展的小学程序设计课程体系，归纳和优选了关注点分离、计算参与、案例教学、模式建构等系列化的程序设计教学策略与方法，希望学生能够像计算机科学家一样去思考和解决问题，提高发现和解决问题的能力。　　【关键词】计算思维；程序设计；教学研究；教学实践　　【中图分类号】G434【文献标识码】B　

2、　【论文编号】1671-7384（2016）12-0039-04　　研究缘起　　长期以来，我国的中小学程序设计教学更多定位于程序设计语言的学习，学生无法形成计算科学特有的理解问题和分析问题的思维方式，存在问题如下。　　1.乏味的形式化教材体系，泯灭了学习的兴趣　　计算机诞生于西方，因此程序设计语言都明显带有西方文化的演绎思维特征，如使用巴科斯范式或语法图等形式化的方式描述语法规则，并影响到了教材的编写。这种抽象的向学生灌输程序设计语言语法知识的教材编写方式，脱离了具体的生活情境，忽视了学生自身的学习特点，容易

3、使他们丧失学习的兴趣。[1]11　　2.单一的演绎式教学策略，消磨了学习的能力　　受教材的影响，无论是BASIC，还是Logo，中小学程序设计教学都是采用讲授式的教学方式，教师“灌”，学生“听”，学生只能处于被动接受的状态，几乎没有动手实践的机会，课堂上大多数时间都掌控在教师的手中。这种演绎式教学策略，让学生能够在较短的时间内掌握所学的知识，却不能使学生掌握获取知识的方法，以及进一步学习的能力。　　3.文本的专业化编程环境，阻碍了学习的进程　　程序设计离不开编程环境的支持，然而，各种专业的编程环境，包括面向儿

4、童的编程语言Logo，都是基于文本和符号的编程方式，学生必须自己输入指令，各种各样的语法错误往往导致学生寸步难行，大大延长了程序设计学习的时间，影响了程序设计能力的提高。　　思想的源泉　　近年来，从学科思维层面构建课程结构和内容逐渐成为人们的共识[2]。这里所说的思维，是指科学思维，主要分为逻辑思维、实证思维和计算思维三类[3]。计算思维起源于计算科学，2006年，卡内基?梅隆大学周以真教授在计算机科学协会（ACM）年会报告中，首次明确提出计算思维的概念：“计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系

5、统和理解人类的行为。它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。”她认为：“计算思维就是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看起来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题。”[4]11　　计算思维不是今天才有的，只是计算机出现后，计算思维才逐渐被认识和强化。当前，计算思维已经超越了传统的计算机环境，适用于信息技术渗透的每一个角落，但是程序设计仍然是理解计算思维的最佳途径。在设计问题求解方法时，会用到递推法、迭代法、递归法等；用计算机语言描述求解过程时，会涉及顺序、分支和循环三种基本结构；考虑如何响

6、应和处理各种意外情况时，就要用到冗余、容错、纠错的方法；在维护和修正程序的过程中，要用到测试和调试的技术。这些技术都是计算思维中的核心概念[5]。　　实践的历程　　1.建设程序设计教学课程资源　　现有的程序设计书籍都是基于演绎思维编写的，更多适用于成人学习。从2008年起，我们着手编写适合青少年需要的《程序设计应用》校本教材，努力使其成为小学生爱看、好读、易懂的程序设计书籍。主要从以下几个方面进行了尝试。　　一是从教学出发选择工具，突破复杂编程环境的壁垒。从计算思维的角度看，程序设计语言是描述问题的工具，在设

7、计程序之前，首先要选好工具。通过多年的探索与实践，我们认为BASIC语言仍然是适合小学生学习的程序设计语言。FreeBASIC（简称FB）既保持了BASIC语言简单易学的传统，也提供了程序设计开发工具所应具备的输入、编辑和调试功能，菜单简洁、清晰，可以较好地突破复杂编程环境造成的学习壁垒。11　　二是将演绎与归纳相结合，促进知识的主动建构。人类的思维方式一般有两种：归纳与演绎。归纳是指从各种特殊事例中抽象概括出一般规律；而演绎则是从一般原理出发，通过推导得出个别结论。演绎法是西方文化的内涵，而归纳法反映了东方

8、文化的内涵。受西方演绎思维框架的影响，目前的程序设计教材都是直接从语句的基本格式出发，展开到各个局部细节知识。这对一直接受东方文化熏陶的中国学生来说，理解上有一定的困难。为此，我们从两个方面采取措施，融合两种文化差异所带来的问题：一是用自然语言的体系结构类比程序设计语言的体系结构，首先让学生从整体上把握程序设计语言的结构，并由此过渡到具体内容的学习[6]；二是对于基本语句，先通过一个学生学习和生活中