本文系北京市教育科学“十四五”规划2021年度一般课题“基于计算思维以问题为导向的程序教学的研究”（立项编号：CDDB21387）研究成果

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计算思维是在人们应用信息科技手段解决实际问题的过程中逐渐发展起来的，将知识内容直接传授给学生不利于学生计算思维的培养。这就需要我们在教学中设计真实的任务情境，将教学内容融于学习案例中，将知识的学习过程融入到问题解决的过程中。在本人承担的北京市教育科学“十四五”规划课题“基于计算思维以问题为导向的程序教学的研究”中提出通过“五E教学模式”培养学生的计算思维。其中第一个“E” 是Emerge，即“呈现”。教师依据指向计算思维培养的核心目标，设计问题情境设计呈现真实的学习案例。引领学生分析、提炼获取解决问题的必要信息，分解核心问题，明确具体的学习任务。问题情境是核心目标的学习载体，它的解决过程是学生计算思维发展的过程。因此创设真实的问题情境对于培养学生计算思维具有非常重要的意义。

一、问题呈现的原则

呈现问题是“5E”教学模式的第一环，也是至关重要的一环。对于问题情境的创设要有利于激发学习动机，体现信息科技学习的价值，提升计算思维发展的可持续性；要有利于调整学生的认知结构，保障计算思维发展的进阶性；要有利于计算思维发展的连贯性，多个课时的问题情境相关联，学习内容不断递进，拓展计算思维发展的深度和广度。因此要遵循以下三个原则。

一是基于学生认知水平呈现问题的原则。基于问题求解的教学设计，问题求解过程中学生所需要的知识与能力应满足最近发展区原则，让已有的认识结构顺应新的问题情境，引发认知结构的重组与改变。在纵向上衔接本单元已学和未学的知识模块，体现学生计算思维的深化。在横向上合理关联本学科或相关学科的学习经验，关注应用知识解决问题能力的发展。

二是基于学生生活经验呈现问题的原则。信息科技是解决人们学习、工作、生活问题的重要手段，在研究中我们把解决问题作为学习的目的。因此问题设计只有贴近学生生活才能意义，才容易被学生接受激发更大的学习愿望，学习的过程才更有价值。真实的问题可以来源于学生的社会生活环境，例如对智能生活设施的探索与理解；可以来源于学生的跨学科学习需要，例如与其他学科知识融合开展跨学科实践性学习。

三是基于学生的思维意向呈现问题的原则。在基于问题求解的教学过程中，学生思维的发展始终处于一个进阶的过程。在解决新问题的过程中，学生在算理、算法的设计上前置学习建立较强的衔接关系，关注应用知识解决问题能力的发展。在新的问题解决过程中启发新的思考，开展新的实践探究。例如在“功能多样的开关电路”单元中，在设计不同功能的开关电路时，逐步理解逻辑与或非的逻辑关系。

二、问题设计的教学策略

（一）生活实践的情境化呈现

信息时代智能电器已经成为社会生活不可或缺的组成部分。学生对应用各种智能电器有着丰富的实践经验，把这些生活场景移植到课堂上，引导学生思考智能电器设计原理，模拟出智能电器的程序结构，结合实际需求，提出智能电器的改进意见。把学生的生活实践变为科技探究的支架，支持他们更形象的理解抽象的数学模型。同时又赋予学习更深刻的意义与价值，有利于学习兴趣的激发与保持，有利于计算思维的可持续发展。

例如《自动开关灯》的教学中，教师介绍电灯的发展过程，启发学生观察与思考生活中智能开关灯的场景，归纳不同场景开关灯的条件。发现自动开关灯系统需要对外界环境进行侦测，并根据侦测数据进行条件判断，实现开关控制。进而引导学生思考自动开关电灯的程序设计原理。引导学生小组合作制定“通过光敏传感器控制电灯的开启与关闭”的解决方案。

（二）生活问题的程序化解决方案

在真实的生活情境，可以提炼出许多能够用信息科技手段处理的问题；对这些问题合理分析、大胆设计，可以巧妙的把学习内容融入到解决问题的方案中。这种以解决现实问题为导向的研究性学习，能够增强学生对社会生活的理解与体验，学习意义更大，研究价值更高。学生作为研究项目的主要承担者是学习活动的中心，成果意识更浓，参与意识更强，容易激发学习动机。

例如：在《噪声监控问题》的学习中，教师捕捉并呈现噪声影响生活、学习的场景？学生对问题情境进行分析，产生测量噪声等级，维护自身权益的学习需求。在学习过程中，学生分组了解声音等级分类标准，学习用传感器对噪声进行测定的方法，设计用提示灯提示声音等级的程序，尝试寻求解决噪音问题的方案。

（三）基于已有经验的游戏设计

在学生时代游戏和动画总量具有很强的吸引力，自己设计游戏并与同伴一起分享是一件很酷的事情。游戏设计要借助学生前拥的知识与经验，在形象化的理解与抽象化的模型之间搭建台阶。这就需要从问题情境出发调动学生即有的游戏经验和生活经验开展合理想象设计游戏规则。还要基于已具备的知识能力和要学习内容，指导学生适当取舍，设计方案具有可行性，提升培养计算思维的学习价值。

例如，在执教《迷宫游戏》一课，教师播放了一些PC机、手机上，学生曾经玩过的《迷宫游戏》场景，勾起学生对此类游戏玩法的回忆。然后提出问题学生分析迷宫游戏的构成元素有哪些？引导学生从迷宫地图与角色设置的关系入手思考游戏的可玩性和耐玩性。提出如何设计游戏的规则，思考胜负条件是什么？从程序结构和学习内容入手思考游戏规则的可行性和趣味性。逐步实现对算理的理解和对算法的学习，深化计算思维的培养。

（四）跨越学科的思维跃升

信息科术是人工智能的重要组成部分，为现代化生活提供技术和服务支撑。将信息科技知识与其他学科知识有效融合解决学习中的实际问题开展主题实践活动，可以提升综合运用知识解决问题的能力。例如在图形化编程的学习中可以利用画图模块、逻辑计算模块，绘制几何图形、编写计算公式、解答典型问题。既有利于突破信息科技学科学习的难点，又加深了对数学基本概念、基础知识理解，两个学科彼此支撑实现共赢。

例如用循环语句《画正方形》一课，教师出示图形，提问：正方形有哪些特征？强调正方形有四条边都相等，有四个角都是90度。紧接着教师又提出如何画一条边？画4条边要旋转几次，每次旋转多少度？观察程序，你能发现什么特点？你还有什么想法？……那么后续的问题都是基于对正方形认识提出的，以数学知识为起点，以程序设计为手段，实现学生思维的跃升。

（五）单元问题的结构化分解

一个学习主题可以由多个问题构成，对这些问题的理解、设计、实施、改进，往往需要几节课来实现，这就需要我们从单元的角度，结构化的分解程序问题，使每节课都能在一个可以实现的具有一定挑战性的问题引领下，进行学习。

例如在单片机“交通信号灯”单元，共分为三课时，第一课时《信号灯亮起来》，核心问题是：怎样让“一盏灯”亮起来，学习“亮灯”。第二课时《闪烁的彩灯》，核心问题是：怎样让“多盏灯”亮起来，学习“关灯”和“延时”。第三课时《红绿灯》，核心问题是：研究“红绿灯”亮灯的规律，模拟“红绿灯”指挥交通。学习组合使用“亮灯、关灯、延时”等命令，控制彩灯闪烁的方法。

（六）新旧问题的进阶式呈现

在程序教学中，每节课都有一个具有挑战性的核心问题。在相关联的学习情境下，后一课时的核心问题是在前一问题的基础上进阶式呈现的。解决后一问题建立，在解决前一问题所产生的学习需求。两节课的学习过程环环相扣，思维水平在相同维度上向纵深发展，体现思维水平的深刻性。这就需要教师整体构建两节课的核心问题，要在问题实现的过程中留白。让学生在解决前一问题时发现“遗憾”，产生的学习需求受制于已有认知和现有问题的矛盾，引发新的学习。

例如：在设计智能电风扇的学习中，第一课时，是使用触控传感器设计《电风扇》。第二课时是改进程序设计《智能电风扇》，学生思考智能电风扇应该是什么样的？很快就得出可以根据温度来触发电风扇开关并控制电风扇转速档位的解决方案。在课后延伸环节学生又提出当温度>26度且人与电风扇的距离<80CM时启动电风扇，根据人与电风扇的距离线性调整电扇转速，当电机转速大于60%时启动过载保护关闭电风扇的设计。 

三、问题分解的路径

（一）确定核心目标

“双新”落地以来，教学目标作为课堂教学的出发点和落脚点，从三维目标转变为注重学科素养的达成。教学过程更关注教的过程有没有激发学生的思考；学的过程学生是否积极思考、充分表达观点，在学科素养上是否有所提升。更加强调思维水平的深度，因此教师在教学前要明确学生学习的核心目标。在程序教学中核心目标往往是学生解决实际问题过程中在计算思维层面要达成的学习目的。核心目标要基于整节课的学习目标和问题情境进行高度凝练。

例如：《噪声监控问题》一课学习目标是：1.学会通过读取和显示传感器数值测定环境参数。2.能够通过设置阈值对传感器数据进行判断。3.会使用LED灯和屏幕输出信息。核心素养的落脚点为“借助阈值的触发和判断执行” 感知临界点算法模型。基于上述认识，我将本课核心的学习目设定为：对测定的环境音参数进行调试，设置阈值判断并输出环境音级别。感知阈值的作用。

（二）确定进阶要点

问题求解是一个过程，需要将核心目标分解为学习进阶的要点，多个进阶要点沿着同一维度向上发展，搭建达成核心目标的台阶。进阶要点需要在解决子问题的过程中落实，要与学习任务一一对应。这样就需要依据进阶要点合理分解核心问题，形成问题子集。

基于这种认识，我们可以把《噪声监控问题》的核心目标分解为3个进阶要点。1.了解噪声监控器的功能，理解算理。2.学习测试环境音测试方法，确定适当的阈值。3. 设置阈值判断并提示环境噪声等级，设计算法。

（三）设置学习任务

依据进阶要点对核心问题进行分解就形成了学习实践的问题链，对于每个子问题的求解，要设计好学习情境、任务要求、任务规则，这样就构成了学习任务。

《噪声监控问题》可以分解为如下三个任务。

任务一：设计噪声监控器

任务要求：想一想噪声监控器需要具备什么功能？可能通过什么器件实现？

任务规则：1.小组讨论“噪声监控器”应具备什么功能。2.分析实现这些功能要使用什么器件。3.小组汇报“噪声监控器”设计思路。

任务二：测试环境音

任务要求：学习测试教室环境音的方法，设置适当的噪声等级阈值。

任务规则：1.小组合作使用传感器多次测试教室环境音。2.确定安静、喧闹、噪音三个声音等级的阈值。

任务三：编写噪声监测器程序

任务要求：读取并显示传感器数值，判断噪声等级范围进行相应提示。

任务规则：1.学习显示、读取传感器数值的命令模块，独立编写相应语句。2.判断传感器数值与阈值的逻辑关系，显示噪声等级。3.完成噪声监测器程序设计。

周以真教授说“计算思维是与形式化问题及其解决方案相关的思维过程，其解决问题的表示形式应该能有效地被信息处理代理执行。”由此可见计算思维需要在学生利用信息科技手段解决问题的过程中有效培养。挖掘真实的符合学生认知结构的问题具有非常大的价值，同时还要合理分解核心问题形成符合最近发展区、操作性较强的学习任务。学习任务既要有挑战性，让学生跳一跳才能够到，又不能因为过难而无法达成。在实际教学中，教师要根据学生的实际情况和学习需求进行合理设计、灵活调整，必要时要对学生前拥的知识能力进行前测，以适应学生计算思维发展的需要。