国外中学计算思维教育案例及分析，本文主要内容关键词为：思维论文,国外论文,案例论文,中学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
2006年3月，时任美国卡内基·梅隆大学（CMU）计算机科学系主任周以真（Jearmette M.Wing）教授，在美国计算机权威刊物《Communicatons of the ACM》上发表论文，首次提出了“计算思维”的概念。周以真教授将计算思维定义为运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学广度的一系列思维活动[1]。她提出计算思维不仅仅只属于计算机学家和科学家，它是当今社会每一个人应该具备的基本技能。一些发达国家（如美国、澳大利亚、英国、加拿大等）率先开展了计算思维培养与教育，已经发展并形成了一套适应各自国情的计算思维培养模式[2]。本文着重介绍国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学技术教师协会（CSTA）于2011年提出的针对K-12教育的计算思维操作性定义及相关教学案例，以供我国的计算思维教育教学者参考。 二、计算思维操作性定义 ISTE和CSTA提出了计算思维的操作性定义：计算思维是一个问题解决过程，涉及问题的阐述，数据的组织、分析和呈现，解决方案的制订、识别、分析和实施以及问题解决过程的迁移[3]。他们将学龄前到12年级（K-12）学生分成了学龄前到2年级（Grades PK to 2）、3年级到5年级（Grades 3 to 5）、6年级到8年级（Grades 6 to 8）、9年级到12年级（Grades 9 to 12）四个阶段，并给出了各个阶段计算思维培养层次。计算思维的操作性定义可细分为数据收集、数据分析、数据呈现、问题分解、抽象、算法和步骤、自动化、模拟、并行化9个方面，针对不同年龄层次的学生有不同的能力培养要求，高层次的能力建立在低层次的能力的基础上，随着学生学龄增加要求越来越高。 三、计算思维教学案例 本文主要介绍ISTE和CSTA提出的培养中学生计算思维的教学案例，这些教学案例是根据上文所述的K-12计算思维教育操作性定义设计的[4]。美国没有专门的信息技术课程，它将计算思维的培养融入各个学科的教学中，因此本文所讨论的教学案例并非是针对信息技术学科，而是对语文、数学等各个学科均有指导意义。 （一）案例一：预算伙伴 【适用对象】 社会学，6-8年级学生 1.学生通过电子表格展示出有逻辑地组织和分析金融数据的能力，从而为一个筹集资金的项目做预算； 2.学生展示出运用电子表格创建财政计划或金融模型的能力； 3.学生能够通过改变项目中的变量解决“如果问题”，从而应对项目实施过程中可能遇到的各种突发情况； 4.学生能够通过直观、恰当的方式呈现数据； 5.学生运用计算思维的概念和词汇表描述他们具有的能力和最终得出的电子表格。 1.伊利诺伊州社会学学习标准 2.美国教育技术标准 【活动设计】 1.教师引导学生讨论筹集资金活动，比如通过洗车筹集资金、售卖杂志等筹集资金。学生针对活动的可行性和效益等方面进行讨论确定最终的筹集资金方式。这个活动是整个课堂的导入，教师提出一个话题，引导学生针对这个话题发表自己的看法，通过讨论达成一致。 2.教师引导学生进行头脑风暴制订预算。在学生制定预算的过程中教师介绍一些与此相关的专业术语让学生讨论，包括固定成本、可变成本、收入、总利润、净利润等。学生在活动设计的过程中学习专业术语，能够了解这些专业术语适用的场景和情境，加深对专业术语的理解和掌握。学生学习完专业术语后运用这些专业术语简要并系统地描述接下来要进行的活动。 3.学生创建电子表格，进行恰当的归类。 4.学生标记和组织类别、创建单元格公式，使之后的计算工作简单高效。 5.学生创建不同的电子表格来创造性地应对“如果”情境，应对活动开展过程中可能发生的各种情况。 6.学生通过数据的图形表示法呈现数据以展示项目的可行性，在课堂上讨论各种直观的展示方式的效果，这涉及不同的计量单位、细致程度、颜色等，通过讨论使学生加深对数据的理解。 【拓展活动】 学生在这门课程中习得的技巧可以应用于个人财政管理，也有助于他们为一些更大的组织（比如企业或政府机构）制定更加复杂的财政预算。 【术语解释】 1.制定预算：学生创建商业活动的金融模式就是通过抽象的方法呈现数据。抽象能够减小定义主要问题时的复杂程度。 2.电子表格：讨论如何使用电子数据表中的公式和工具使计算自动化。自动化是运用计算机或机器做重复单调的任务。 3.标记和组织类别、创建单元格公式：学生组织并以恰当的公式呈现数据，填写在单元格中促使量化或可视化分析。学生应当以恰当的图形、图表、图像、文字描述和组织数据。 4.“如果”情境：这种模式包含多种变量，模拟了决策的决定过程。模拟是过程的展示或模型。模拟也包括运用模型进行实验。 5.数据的图形表示法：学生选择和创建恰当的可视化方式呈现数据。 【计算思维能力】 本节课包含的计算思维能力包括以下5个方面，与各个教学活动相对应，具体对应关系详如表1。
以下的证据可以证明这节课达到了预设的教学目标： 1.学生以一种有逻辑的、恰当的方式（创建电子表格）组织和分析财政数据，创建一种商业模型，生成数据图表，通过控制数据应对项目实施时有可能出现的各种情况。 2.学生运用“展示”、“抽象”、“模式”、“模拟”等计算思维词汇描述他们的活动。 【教学策略】 本节课中教师使用的教学策略如下： 1.本节课的教学对象为6-8年级学生，对很多社会事物已经有了初步认识，教师可通过提前收集数据和提供一些例子作为课堂的引入。 2.本节课是通过一个具体的筹集资金的项目为学生设置学习场景，使学生产生代入感。由此可见本节课完全是以学生为中心的，能够激发学生的学习动机，提高学习效率。 3.本课程主要的活动都是在课外进行的，而非在课堂上，课堂上教师通过引导帮助学生建立了活动框架。学生通过协作发展形成最终的评价量表。 【相关资源】金钱管理游戏Money Game http://senseanddollars.thinkport.org/games/ （二）案例二：交通堵塞 【适用对象】 人文学、社会学、环境科学、数学等交叉学科，9-12年级学生 1.学生能够呈现真实世界中各个变量之间的联系 2.学生能够通过改变变量改变结果 1.核心英语语言写作标准 2.核心数学标准 3.纽约科学社会学标准 【活动设计】 1.学生以小组为单位开展活动。学生提出所在社区存在的一个涉及交通的复杂问题。这个问题可能是学校走廊上的障碍物，社区汽车造成的交通拥堵问题，或是当地航班经常延误的问题。本文中讨论的案例是当地高中的汽车拥堵问题。这个活动可以被迁移到很多场景中。问题场景为当地只有一个入口通向学校前门。早上家长送孩子上学时所有汽车都需要通过这条路。这个学校有1200个学生，大部分学生都是父母开车送往学校并且一辆车里一般只有一个学生。车子从两个方向行驶到这里，形成了一个T字形，车子左转或右转进入学校的车道，但是学校的车道上没有交通指示灯、交通标志、交通指挥员。这在高峰时期造成了严重的拥堵和安全问题。 2.学生分小组讨论造成交通拥堵的原因，原因有以下几种猜测：（1）学校学生人数众多；（2）学校所在区域缺少大众交通；（3）学校的入口太少；（4）学生行为；（5）社区文化；（6）城镇规划问题；（7）行政决定；（8）法律问题；（9）学校日程安排。 这些原因中可选取一些作为变量，方便后续问题的探究。 3.学生制作地图或图表阐述问题中各个变量。用先前定义好的各个变量标记地图。 4.学生针对各个变量收集统计数据。 5.学生通过分析数据得出各个变量之间的关系。每个小组创建一个模型展示变量的内在关系。这个模型的方式多种多样，包括图表、地图、表格或3D模型，要求这个模型是计算机生成的。 6.学生将变量关系模型放在一个文件夹中，方便使用。 7.学生通过量表评估每个变量的影响。该系统中的变量有：学生人数和汽车数量，司机年龄，交通拥堵的时间，日程表，入口数量，当地交通法规。 8.学生分小组展示和描述当变量改变时模型如何改变。 9.学生调查研究哪些变量是可以改变的，改变的难易程度。他们要得出假设，即变量改变时会出现哪些结果。这个过程能够帮助学生理解变量之间的内在联系。 10.分小组展示各自的收获。 【拓展活动】 1.学生在课堂上达成共识，选择一种最佳解决方式，同时也理解这可能并不是最佳的解决方式。 2.学生向学校管理者或董事会汇报并提出建议，从而使学校的交通环境得到改善。 【术语解释】 1.确定变量：通过确定变量学生能够系统地阐述问题。 2.创建地图或图表：学生通过创建地图或图表展示收集到的数据。数据收集是指将恰当的信息收集的过程，展示数据要求以恰当的图形、图表、图像和文字描述和组织数据。 3.建立模型：模型是对变量和收集到的数据的抽象。抽象能够减小定义主要问题时的复杂程度。 4.评估影响：通过具体的数据分析来挖掘数据的意义，发现模式，得出结论并评估影响。 5.改变变量：学生通过改变变量应对“如果”情境，这就是模拟。模拟指过程的表示或模型。模拟涉及运用模型操作实验。 6.选择最佳解决方案：这是学生分析问题和解决问题后得到的一个阶段性成果。 【计算思维能力】 本节课包含的计算思维能力包括以下5个方面，与各个教学活动相对应，具体对应关系详如下页表2。
以下的证据可以证明这节课达到了预设的教学目标： 1.学生展示如何操作概念模型，揭示影响问题的各个变量之间的关系。学生能够解释创建模型的过程和从中得到的感悟。 2.学生展示如何辨别系统中相互依存的各个部分，能够鉴别特殊的例子和数据异常值，说明异常值出现的原因。 【教学策略】 本节课中教师使用的教学策略如下： 1.教师需要给学生提供为了解决问题进行头脑风暴的框架，问题涉及手头资源、利益相关者、起因、结果。 2.教师需要教会学生用一种可视化的方式直观地组织信息，如图表、实物关系图、曲线图、地图、流程图。 3.教师需要提供将本节课习得的概念和技巧迁移运用于别的问题的例子。 4.教师应强调解决问题的技巧和小组合作。 教师应引导学生总结归纳解决问题的思维过程和运用的技巧，促使学生意识到即使计算机技术改变，这种思维的过程仍然是类似的。学生的学习要紧紧围绕着“变量，模型，数据收集，数据分析，关联性和独立性”。讨论应当偏重于这种思维过程和技巧还可以运用于哪些情境。 【相关资源】 1.谷歌地图http://www.google.cn/maps 2.谷歌文档Google docs 四、结束语 周以真教授提出计算思维概念以来，世界各国针对如何培养计算思维展开了一系列的研究[5]。本文讨论的两个案例是针对美国K-12教育的，对我国中小学计算思维教育的开展有一定的指导意义，但不一定完全适合我国国情。我国关于计算思维教育的研究主要集中在高校的计算机相关学科，关于中小学计算思维教育的研究很少。目前广州市的中小学正在信息技术课程中推广计算思维的培养，越来越多的信息技术教师尝试利用Scratch，App Inventor等可视化的编程工具开展信息技术课程，当学生被要求设计并制作出需要理解并应用知识的作品时，他们会更深入地学习，潜移默化中学生的计算思维素养得到了提高。计算思维正在引起我国越来越多研究者和教育教学者的关注，希望随着研究和实践的不断加深，我国能形成一套日趋完善的中小学生的计算思维培养体系，使每个学生都成为受益者。
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