面向计算思维培养的初中信息技术教学实践研究

【摘要】随着我国新版高中信息技术课程标准的发布，作为信息技术课程四大核心素养之一的计算思维，不仅对学生逻辑思维的培养有帮助，而且对学生创新意识和创新能力也有着重要的推动作用。计算思维的培养在当今网络智慧化时代至关重要，如何开展学生计算思维的培养也成为当今教育界最热门的话题之一。本文依据SelbyCynthia和WoollardJohn两位博士提出的计算思维五要素，结合初中信息技术学科特点和初中学生认知特点，以“3D创意花盆制作”教学为例，阐述了在初中信息技术课程教学中培养学生计算思维的做法。【关键词】计算思维;信息技术;3D创意设计;教学研究案例背景计算思维近年来日益受到重视并开始进入大众的视野。国内外教育部门纷纷将计算思维纳入国家课程标准中，通过相关课程的开展，培养学生的计算思维，从而提高国家核心产业竞争力。在我国新发布的高中信息技术课程标准以及2017年的基础教育版《地平线报告》中也明确将计算思维作为学生最核心的能力素养之一[1]，学生计算思维的培养成为了国内外学者最关注的问题。但是，随着各类新型教育模式的出现，计算思维的培养同样也面临着教师认识不足，教学过程中过分关注编程工具的使用而忽视了问题解决能力的培养，缺乏对跨学科实践活动的关注等方面的挑战。这也是目前许多一线教师计算思维培养无法取得明显成效的原因。为此，本案例将依据SelbyCynthia和WoollardJohn两位博士提出的计算思维五要素[2]，以川教版初中信息技术八年级下册“文创作品”单元中的“3D创意花盆制作”一课为例，通过情境创设（确定问题）—头脑风暴（分解问题）—抽象建模（原型制作）—优化评估（评估作品）—分享汇报（总结概括）五个教学环节的实施，详细阐述在初中信息技术课程教学中培养学生计算思维的步骤和方法，为当前的教学改革提供些许参考。案例描述1.創设情境，确定问题在导入环节，首先告诉学生这是一堂有趣的课，从一个有趣的视频开始，进而去激发学生的好奇心，调动学生学习的热情。然后，引导学生观看3D打印创意视频，让学生边看边观察视频当中3D打印运用到了哪些行业？学生会认真观看视频并回答3D打印的运用，如：航空航天、汽车、制造业、医疗等行业。这个环节就将3D打印与现实生活联系起来了，让学生们认识到3D打印已经走进了我们的生活。然后给出一段材料让学生们去分析，去看看故事里的主人翁遇到了什么问题（材料：为了给班级营造一个良好的学习环境，老师组织班集体买了一些绿植装进塑料花盆中。但是，由于国庆节后，绿植在室外经历了一周的风吹雨打，塑料花盆已经变形。如果我们能设计打印出3D花盆，就可以达到既环保轻便又经济耐用的效果）？通过引导学生分析材料中的问题，让学生感知问题情境，快速融入课堂教学，明白本节课的学习任务是3D创意花盆制作。通过分组的方式，让小组讨论并选定一种植物，进行相应的花盆设计，完成项目选题及小组分工。2.头脑风暴，分解问题当学生明确问题之后，第二个环节就是引导学生思考如何进行3D创意花盆的设计。该环节的重点就是学生对问题的分解以及对方案的设计与规划。为此，要让学生思考在设计花盆时需要考虑哪些因素，引导小组围绕要设计的花盆开展头脑风暴。通过引导学生分析花盆的基本构造，如花盆有一个开放面，可以平稳放置，底部有排水孔等。组员也暂时不对这些看法做出对错评价，然后将这些想法用思维导图进行梳理。有的学生直接利用老师发的素材包，有的学生上网收集素材，每个人都发表了相应的意见，并完成思维导图的绘制，最后形成了各自小组的思维导图（图1）。在此环节，组织学生进行3D创意花盆草图的绘制，使学生实现对3D创意花盆制作过程的了解，这对学生分解问题的能力可以起到一个很好的培养作用。最后，利用项目设计手册记录过程，这有助于帮助学生整理思路，分解3D创意花盆制作所需的步骤和方案，清楚小组进度，更好地完成任务。3.抽象建模，作品制作在学生绘制好草图之后，学生头脑中对3D创意花盆有了初步的框架。此时，向学生发问“那我们刚才所画的草图怎样才能变成像老师手里这样一个实际的花盆呢？”（出示已利用3D打印制作好的花盆）。通过实物的呈现与对比让学生明白3D打印花盆与普通花盆的区别，如果想要将草图变成实物需要通过计算机完成建模，并通过3D打印来完成。进一步引导学生回顾之前学的三维建模知识，包括三维建模的基本原理、三维建模软件3DOne的基本使用方法，以及如何将平面图形变成立体图形，怎么对实物进行拉伸、旋转、扫掠、放样、抽壳等（图2），启发学生思考如何在3DOne软件中实现花盆的制作。学生则利用刚才所回顾的知识进行迁移，完成3D创意花盆的原形制作。在这个环节中，最主要的目的在于让学生明白可以通过问题分解、抽象建模的方式将实际生活中花盆制作的问题转化成计算机可以解决的步骤来完成。为了帮助学生更好地完成对3D花盆的抽象与建模，通过让学生对比3D花盆与现实花盆的区别，让学生头脑中形成对3D花盆的创意思考与结构模型，再通过引导学生回顾三维建模知识，顺理成章地将三维建模知识很好地迁移到3D创意花盆制作中来，对学生起到一个铺垫作用，帮助学生更好地完成3D创意花盆的抽象与建模。将草图在3DOne软件中转化为实际模型，极大地提高了学生的兴趣。同时，由于小组想法不同，完成方式不同，又实现了学生的个性化学习。在学生完成花盆建模的同时，他们的抽象建模能力也得到了很好地培养。4.优化评估，完善作品在完成创意花盆的原型制作之后，第四个环节就是组织学生对作品进行评估以及修改完善。此时，我们给出了一个简单的评价量表，让学生根据这个评价量表对所在小组的项目做初步评估，然后对作品进行改进和优化。对已经完成的小组，让他们形成一个书面的评估报告，详细介绍他们的项目是怎么完成的，经历了哪些步骤，后续还可以怎样优化。在这个环节，其实就是让学生通过对作品的初步评估，来判断哪些地方还可以进行优化改进，通过再优化的过程培养他们对于计算思维的理解能力。5.分享汇报，总结交流最后一个环节是分享汇报、总结交流。我们组织学生以小组为单位利用希沃展台展示小组的项目设计手册，并进行作品的展示与交流。此外，我们还要求学生在汇报时分角色介绍小组的设计方案与实施流程，包括最初的设想与规划，具体的实施流程，实施过程中遇到的问题，如何来解决等。在这个环节中，通过小组汇报交流的方式，学生可以归纳和总结出项目完成的具体过程，找到问题解决的一般规律，以便后续在开展类似项目活动过程中进行能力的迁移。同时，也对学生的概括、总结、归纳能力起到了一个很好地培养和锻炼作用。教学反思本节课教学是一个在初中信息技术课程教学中培养学生计算思维的案例。我们尝试将计算思维培养的五要素与3D创意作品项目相整合，让学生在完成3D创意花盆作品制作的过程中，历经分解、抽象、建模、评估、概括几个环节。让学生明白计算思维在问题解决的过程中起到的作用，运用计算思维可以使问题解决更有效。结合本案例的设计与实践，有以下体会。1.以学生认知发展特点为基础选取合适的计算思维能力要素进行培养首先，计算思维的培养需要我们以学生的认知特点和学段特点为基础。因此，我们需要筛选出他们这个阶段能掌握的一些计算思维能力要素，如抽象、分解、算法、评估、迁移等。然后将这些筛选出来的计算思维能力要素与项目问题进行整合，通过项目活动的开展，让学生在解决问题项目的过程中历经计算思维能力要素的渗透，体验用计算思维能力要素解决问题的便利性与高效性，养成用计算思维能力要素解决问题的习惯。2.以学生计算思维培养为导向进行教学目标设定与教学内容选择在教学过程中，需要以计算思维培养为导向进行教学目标设计。通过将计算思维的要素融入到教学目标中，让计算思维的过程要素、技能方法与教学目标相融合，再结合初中生认知特点、思维发展特点，确定合适的教学内容。在教学内容的选择上，要与计算思维的内涵有一定的映射关系，需要有明确的培养主题、明确的培养目标。让学生在案例学习过程中随着教学内容的不断深入逐步完善知识与能力，让计算思维随着问题的深入推进与解决而得到一个很好地提升。3.以学生计算思维培养为核心开展教学活动的设计学生计算思维能力的提升离不开教学活动的精细化设计。项目活动的设计是至关重要的，因为这关系到我们怎样将计算思维能力要素整合进项目活动中，怎样通过一些活动的开展让学生计算思维能力得到培养和锻炼。教师提前将计算思维能力要素分解到教学任务中，可以很清楚地知道学生需要掌握的知识、技能，以及最后学生获得哪些方面能力的提升。而学生则可以根据教师设计的任务活动展开任务分解、抽象建模、算法设计、评估迭代、小组合作、问题解决等，循序渐进地提高计算思维能力。4.以学生计算思维培养为抓手及时调整教学方法与教学策略教师制定好教学目标后，需要以学生计算思维培养为抓手选择教学方法，并根据教学的具体内容动态地调整教