基于计算思维的小学不插电计算机教学模式实践

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　　目前，人们普遍认为计算思维的培养在课堂教学中主要通过计算机编程及其相关的教学活动来实现，其中小学多以Scratch编程、机器人、开源芯片创客等活动为主。尽管计算机编程教学对培养学生计算思维有直接效果，但在实际教学活动中教师仍需要面对许多问题。例如，编程教学对计算机和相关硬件设备有着强大的依赖性，硬件资源往往无法满足大量学生同时使用的需求;又如，信息技术学科还包含大量非编程的学科知识，教师仍需要在规定课时内完成这部分教学内容。面对这些矛盾，笔者认为可以运用不插电计算机的教学活动，弥补原有课堂教学活动的不足，提升计算思维的培养效果。
　　不插电计算机的教学特点
　　不插电计算机（Computer Science Unplugged）的概念最初是由新西兰坎特伯雷大学的Tim Bell教授和Ian H. Written、Mike Fellows两位教师共同发起的一个研究项目。他们认为，传统课程所授的计算机编程是人们将自己的想法付诸现实的工具和方法，但是这门学科更重要的是让学习者认识计算机实现功能的过程。不插电计算机教学的目的并非是让学生精准地掌握计算机的某一项知识，而是通过认识计算机解决问题的过程，理解其中的原理概念，感受这门学科所涵盖的创意和趣味。由于不插电计算机教學具有不受时间和地点限制的特点以及适合低年段学生学习计算机科学知识的优势，该项目得到全球计算机科学学科研究者的认可，并对信息技术学科的教学产生巨大影响。
　　由于在不插电计算机的教学活动中不需要学生直接操作计算机或者其他媒体设备，所以这种教学活动可以面向没有计算机学习基础的学生开展，对学习者的能力门槛较低，适合小学阶段学生参与学习。尽管如此，不插电计算机教学的内容仍然始终围绕计算机科学的核心知识。这种教学方式对于帮助学生理解计算机的运行原理、编程的逻辑规律、算法的执行过程等学生难以直观看到的学科知识有着自己独特的教学效果。
　　传统的信息技术教学往往关注学生应用技术解决生活问题的操作和思维方面的培养，但实际上学生学到的本领常常与生活实际面对的环境有着巨大差异。不插电计算机的教学一般从二进制数概念、人工智能原理、算法流程等计算机科学的核心知识出发，通过运用贴近生活情景的互动游戏的方式呈现这些知识概念和规律，从而使学生在掌握知识的同时提升其在信息技术环境中的自适应能力。
　　不插电计算机的教学形式一般以师生之间和生生之间的交互游戏和实践活动为主，注重学生在整个活动过程中的体验和思考。通过开展围绕计算机科学知识的互动游戏，组织一系列具有趣味性和挑战性的活动，实现对计算机科学的概念、知识和技术的解释。学生在活动的过程中不仅认识计算机科学的相关知识，培育学科思维能力，更能体验计算机科学的魅力，产生学习兴趣和探索欲望，最终真正实现“玩中学”的教学效果。
　　基于计算思维培养的不插电计算机教学模式设计
　　基于计算思维培养的不插电计算机教学是以让学生在掌握学科知识的同时提升计算思维为目标，将计算思维培育的要素渗透于不插电计算机的教学活动。结合不插电计算机教学的活动特点，随着教学的深入，将生活案例、学科知识以及互动游戏相结合，使学生能够主动参与学习，并在深度体验的过程中培育计算思维。
　　结合不插电计算机教学的特点，围绕计算思维培育的相关概念，笔者认为，以培育小学生计算思维为目标的不插电计算机教学活动主要包含“情境互动”“明确问题”“体验探究”“归纳现象”“应用实践”“总结推广”六个主要阶段（如图1）。
　　①情境互动阶段，创设任务情境，激发学习兴趣。不插电计算机的教学活动一般以包含计算机科学的现象、问题或游戏为主。通过情境互动，将学科知识与学生的生活情境产生联系，用“可参与”的互动方式使学生体验计算机科学知识的趣味，充分调动学生参与活动的欲望和学习兴趣。
　　②明确问题阶段，分析问题现象，确定教学内容。本阶段是将生活中的现象或问题抽象为学科性的问题，在生活现象和学科知识间起到承上启下的作用。通过组织学生对第一阶段所观察到的现象进行分析，逐步抽象出其中与计算机科学以及信息技术学科相关的知识内容。面对比较复杂的问题和现象，教师可以通过引导使学生将复杂问题分解成若干子问题并形成问题集，在之后的教学活动中逐一解决或解释这些问题和现象。
　　③体验探究阶段，开展探究体验，领略学科知识。本阶段是教学活动的主体，也是解释和解决学科知识的重要阶段。在这个阶段中，学科知识并不是通过教师讲授来传授，而是组织学生开展一系列互动游戏和实验，使学生通过体验来领悟其中的规律。在活动过程中，教师可以运用生活中的道具组织学生开展活动，学生通过两人或多人一组的方式合作进行，体验计算机的学科知识或执行过程。教师设计的活动应具有趣味性、交互性、科学性，使学生能够参与、乐于参与，充分调动学生的学习积极性。
　　④归纳现象阶段，归纳学科知识，形成一般模式。本阶段是学生根据现象归纳知识的重要阶段，不仅需要引导学生掌握相关知识概念，更应该关注学生形成概念的思维过程。教师可以组织学生综合活动过程中的经验和感受，分析并归纳其中的现象规律，抽象出与计算机科学和信息技术学科相关的知识原理，并对相关的学科概念和执行流程形成模式概括。
　　⑤应用实践阶段，运用学科知识，解决实际问题。本阶段需要学生综合运用学科知识开展实践活动，是对学生学习效果的阶段性评估。应用实践的活动内容可以是教学活动最初的情景任务，也可以是基于所学知识的拓展型问题，其本质是为学生提供运用知识解决问题的模拟场景。通过实践活动，帮助学生梳理运用知识解决实际问题的过程和方法，并在此过程中养成执行步骤的条理性，使算法思维得到提升。
　　⑥总结推广阶段，总结学科知识，拓展学科思维。本阶段是教学活动的收尾，既是对教学内容的总结阶段，也是拓展学生学科思维的重要阶段。在此过程中，教师可以以学科知识为核心拓展其在生活中的应用场景，通过与学生开展互动的方式，使学生能够对已学知识的应用场景有所评估，深入理解运用所学知识解决问题的方法。教师可以设计一些开放性的趣味问题，鼓励学生开展课后研究，激发学生深度学习的兴趣和积极性。 　　基于计算思维培养的不插电计算机教学实施案例
　　下面，笔者以《生活中的二进制数》一课的不插电计算机教学活动为例，介绍基于计算思维培养的不插电计算机的教学设计和实施过程。本节课的教学内容是让学生通过不插电教学活动，了解二进制现象，知道二进制数的概念，并能根据二进制数和十进制数的规律进行简单换算。根据基于计算思维培养的不插电计算机的教学流程，笔者将这节课设计成以下几个活动环节。
　　1.生肖猜谜魔术
　　为了使学生对原本可能略显枯燥的二进制数产生浓厚的学习兴趣，这节课的开始，笔者与学生开展了一个互动游戏，运用了“生肖猜谜魔术”的方式引入。这个魔术运用二进制数与十进制数转换的规律，实现一个读心术的效果。通过这个有趣的互动魔术，使学生直观感受二进制数在生活中的趣味应用，充分激发学生深入探究的兴趣，为后续学习做好铺垫。
　　活动内容：
　　将每个生肖的十进制数排序编号并转化为4位二进制编码，例如，位列第6的生肖蛇的编码为0110，位列第9的生肖猴的编码为1001。准备4张卡片分别对应二进制编码的每个位，根据生肖的二进制编码，从左至右逐位判断，将数值为1的生肖填入对应的卡片中，最终形成4张生肖魔术卡片（如图2）。
　　在互动魔术的过程中，邀请一位学生首先在心中默念一个生肖，然后依次向学生展示生肖卡片，并请学生描述在卡片中是否具有心中所想的生肖，最后由教师根据回答判断学生心中所想的生肖，完成魔术。
　　2.身边的二进制现象
　　相较于常见的十进制数，小学生对二进制数的概念还是比较陌生的。然而，学生的身边实际上充满着许多具有二进制元素的事物，如电灯的开关、问题的对错等。在这个环节中，主要组织学生交流生活中的二进制现象，帮助其认识二进制数的概念，将原本复杂的生活环境抽象成计算机及信息技术学科的知识内容，使学生理解所学知识与实际生活的关系。同时，通过介绍生肖魔术的原理与二进制数有关，以揭秘魔术为驱动任务，进一步激发学生深入学习的兴趣。
　　活动内容：
　　头脑风暴生活中的二进制现象，初步构建二进制数的概念。通过观看微视频和科普阅读的方式，使学生知道计算机中的数据和信息都是以0和1的形式存储的，同时生活中也存在许多具有二进制现象的事物。教师简单介绍生肖魔术的原理，使学生意识到生肖魔术也是运用二进制数的规律实现的。
　　3.探究二进制数的规律
　　本环节是教学的核心阶段，由于二进制数运算对小学生而言比较陌生，所以学生学习和理解相关概念是具有一定的难度和挑战的。笔者将学习活动分为两个子活动，通过问题引导学生参与，使学生在体验活动的过程中逐步加深知识内容，帮助学生更好地理解其中的学科原理。这个环节对培养学生计算思维具有直接的效果，活动中笔者不仅关注学生对学科知识的学习，同时更关注学生对问题现象的抽象、归纳和概括的过程。以问题为指向引导学生思考，鼓励学生根据体验的过程综合自己的感受归纳并描述其中的规律，概括学科相关的知识，最终形成正确且学生能够理解的模式。
　　活动内容：
　　活动1：给每组学生发放5张卡片，其中4张卡片上分别标有1、2、4、8四个数字，要求学生根据卡片上数字的规律思考第5张卡片上的数字，并将数字从左至右、从大到小排列，组成5张数字卡片。
　　活動2：卡片有数字的一面为正面，无数字的一面为反面。教师随机给出数字，学生尝试用卡片上的数字累加出教师所给的数字，用到的卡片记为1，未用到的卡片记为0，从左至右记录1和0的二进制状态。例如，教师给出25，则卡片最终给出的二进制状态为11001。
　　4.运用所学开展魔术
　　本环节是学生运用已经掌握的二进制数的规律在生活情景中解决实际问题的阶段。为呼应本课的任务主题，同时也为满足学生的好奇心，笔者在这个教学环节中引导学生彻底揭秘生肖魔术的原理，组织学生运用所学知识与同伴开展生肖魔术，在体验魔术的同时也感受应用知识解决问题的乐趣。与此同时，笔者也鼓励学生尝试在此基础上自主创编更多有趣的魔术游戏，与同伴分享和展示。
　　活动内容：
　　活动1：根据十二生肖的编号，运用手中的卡片计算出各个生肖的二进制数。思考描述十二个生肖使用几张数字卡片最合适，描述其中的理由。
　　活动2：观察十二生肖编号及其二进制数的规律，揭秘生肖魔术的原理并与同伴重现生肖魔术。尝试运用生肖魔术的原理和技巧设计一个新的魔术活动。
　　5.课堂总结与拓展问题
　　在本节课的总结环节中，笔者不仅组织学生回顾课堂所学的知识内容，同时将一个拓展开放的问题抛给学生，使学生在课后延续对二进制数概念的兴趣，同时引导学生运用所学知识开展更多拓展性的思考。通过二进制生日蜡烛的问题，鼓励学生进一步运用课堂所学的二进制数的知识思考身边的问题，同时使学生的表达、评估等高阶思维能力得到提升。
　　研究问题：
　　生日蛋糕上通常会插上与年龄数字相同数量的蜡烛，但随着年龄的增长，蜡烛数量会越来越多。有人认为可以分别使用点燃和熄灭的蜡烛表示1和0，运用二进制数的规律表达年龄的数字。你觉得这个方法可行吗？请描述你的理由。
　　基于计算思维培养的不插电计算机教学实施反思
　　不插电计算机的教学特点在于弱化媒体技术在教学活动中的影响，使学生通过互动游戏的方式直接感受学科知识的特点和规律，有助于学生理解计算机科学的知识概念和解决问题的过程，对学生计算思维的培养能够起到较为直接的效果。
　　在课堂上开展基于计算思维培养的不插电计算机教学活动后，学生对课堂所讲的学科知识产生了浓厚兴趣，同时他们在课堂上的行为表现也产生喜人的变化，学生对通过互动游戏学习计算机科学知识的方式表现出强烈欲望。得益于不插电计算机教学参与活动门槛低的特点，课堂上那些原本因为操作不熟练而无法参与互动的学生逐渐从抗拒学习变得乐于学习。在教学过程中，几乎每一位学生都能够主动参与每个活动环节，他们在学习过程中变得更加主动，即使已经下课，学生仍会围绕课上所学的知识以及拓展的问题开展自发性的讨论。
　　总结
　　不插电计算机教学是对常规信息技术学科的补充和完善，对学生计算思维的提升也有其特有的教学效果。但是不插电计算机这种教学方式同样有其不足之处，这种教学方式适合面向低年龄段学生普及学科理论知识，但是操作实践仍是信息技术和计算机科学中必不可少的重要能力。因此，在实际教学活动中，不插电计算机教学应以调味剂的形式存在于整个信息技术学科的教学活动中，帮助学生更好地理解学科的理论知识，调剂学生学习的心理状态。相信合理运用不插电计算机教学，不仅能够有效培养学生的计算思维，更能令信息技术学科的教学效果更佳出色。
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