基于PBL教學模式的計算思維培養研究

摘 要：計算思維是信息技術學科四大核心素養之一，采用何種教學模式能更有效地培養學生的計算思維是值得我們關注的問題。PBL教學模式以問題為導向，強調學習者的主體地位，通過創設真實的問題情境，引導學習者發現問題并獨立思考分析問題，合作解決問題。在小學信息技術課程尤其是機器人模塊的教學中，PBL教學模式的應用不僅能優化學習者的學習活動，還能培養其計算思維和解決問題的能力。文章以《機器人機械手》一課的教學為例，探討了基于PBL教學模式的計算思維培養路徑。

關鍵詞：PBL教學模式；計算思維；小學信息技術

作者簡介：王柏姣（1994—），女，江蘇省蘇州市昆山開發區世茂蝶湖灣小學。

隨著時代的發展，小學信息技術教學重心逐漸轉變為對學生思維能力的培養，要求讓學生學會學習的方法，能應用知識解決實際問題?！痘A教育課程改革綱要（試行）》提出，要倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手；要培養學生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力以及交流與合作的能力。在小學階段，機器人模塊是新技術類教學內容的重點，其注重提高學生解決問題的能力，培養學生的計算思維和創新精神，這恰好與運用PBL教學模式來培養學生的計算思維的目標相一致。

一、PBL教學模式與計算思維的內涵

（一）PBL教學模式

基于問題的學習（PBL）是一種以問題為基礎的課程教學模式，教學目標是提升學生的問題解決能力［1］。PBL教學模式以學生為主體，以問題為中心，重視創設真實的生活情境，幫助學生轉變學習方法，優化思維方式，讓學生在小組合作解決問題的過程中提高分析問題和解決問題的能力，從而提升信息素養。PBL教學模式的基本流程如下：創設情境，提出問題；劃分小組，分析問題；協作學習，解決問題；展示成果；總結反思；評價反饋［2］。

（二）計算思維

新課程標準指出，計算思維是個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。具備計算思維的學習者，在信息活動中能界定問題，科學地采集數據，分析各種信息資源，進而能運用合理的算法形成解決問題的方案，并遷移到與之相關的其他問題的解決過程中［3］。國內外一些專家針對計算思維的能力要素提出了自己的觀點，而本文主要探討小學生的計算思維培養目標，因此能力要素主要指向分解、抽象、算法設計、調試和遷移。

二、構建基于PBL的計算思維培養教學模型

（一）構建依據

計算思維的培養與問題解決過程具有緊密的聯系。PBL教學模式以學生為中心、問題為導向，促使學習者通過小組合作的形式共同解決一些生活中的實際問題，并讓學習者在探究問題解決方法的過程中培養計算思維。機器人模塊是信息技術學科的重要內容之一，注重學生對問題解決方案的規劃和探究，實現學生思維能力的提升［4］。因此，運用PBL教學模式有利于在機器人教學中培養學生的計算思維，進一步提高學生解決實際問題的能力。

（二）基于PBL的計算思維培養的教學模型

在小學信息技術課程尤其是機器人模塊的教學中，教師要將教師、學習者與問題緊密結合起來，創設真實的貼近學生生活的情境，圍繞計算思維的五大要素來設計學習活動；學生則要運用計算思維的方法合作探究解決問題，以培養自己的計算思維。筆者基于諸多專家、學者的觀點，結合自身教學經驗，將計算思維五要素融入PBL教學模式的教學流程，構建了基于PBL的計算思維培養的教學模型，如圖1。

●PBL流程一：創設情境，提出問題

PBL教學模式中，問題是教學活動的核心。創設情境可以激發學生的興趣和動力，充分調動其學習的積極性。因此，教師應依據教學目標，選擇恰當的情境設計問題，促使學生主動思考。這樣，學生會在問題的引導下積極思考、分析并探究解決方案。

●PBL流程二：劃分小組，分析問題

計算思維要素：分解

PBL教學模式強調以小組協作的方式解決問題。教師在進行分組時，既要尊重學生的意愿，又要考慮學生的個體差異。此外在小組人數方面，教師要根據學習問題的難度，將小組人數控制在三到六人之間。分析問題時，學生要運用計算思維中的分解要素，將復雜問題分解為多個簡單問題后，再規劃解決的方案。

●PBL流程三：協作學習，生成方案

計算思維要素：抽象、算法設計

此環節教師主要發揮引導者的作用，針對問題適時進行提示，提供解決問題的相關信息資源，適時給予個別指導。而學生則要在教師的引導下，將現實生活中的問題抽象表達成計算機可以識別的形式（抽象），進而利用一系列指令或者規則準確完整地描述解決方案（算法），并將解決方案通過編程轉化成計算機可以執行的指令，這也是學生以小組為單位生成方案的過程。

●PBL流程四：自主探究，解決問題

計算思維要素：調試

信息技術課堂上的作品很難一次就能完成，需要經過反復的修改、完善。在這一環節，學生通過調試能發現方案中存在的問題，進而反復修改找到最優方案（調試），最終解決問題。

●PBL流程五：分享交流，總結反思

在總結分享環節，教師應組織學生對作品進行展示，讓各小組匯報探究過程中遇到的問題及解決方法，進行自評和反思，并讓學生在展示成果、欣賞作品的基礎上分享經驗，總結歸納所學知識，構建知識體系，內化知識，拓展思維空間。

●PBL流程六：拓展延伸，發散思維

計算思維要素：遷移

此環節學生要根據實際需求和情境進行合理的個性化作品創作，將所學的知識技能和思維方式進行拓展延伸，解決實際生活問題。這樣，學生能結合整個解決問題的過程，發現、分析和實施有效的解決方案，并將這種解決方案遷移到其他問題中［5］。

三、基于PBL的計算思維培養的教學實踐案例

筆者以蘇科版小學信息技術機器人模塊中的《機器人機械手》一課為例展開實踐研究。本課是一節社團主題活動課，依托樂高機器人設備和Wedo 2.0編程平臺開展。本課的學習目標是了解機器人機械手的工作原理，并通過硬件結構的搭建和相關程序的編寫，實現機械手的抓取活動。

（一）創設情境，提出問題

教師通過多種方式創設真實的、貼近生活的問題情境，符合教學大綱及學生的學習需要。本課教學中，教師結合學生的生活和學習場景，設置了實際生活中的問題——如何幫助手部有缺陷的人重獲運動能力？在引發學生人文關懷的同時，激發學生對機械手的探究興趣。

師：請大家伸出一只手，試一試你的手能做出哪些動作？（教師舉起一只手）

生：抓東西、放東西、做手勢……

師：人手可以做出許多動作（教師做出拿起筆筒、放下筆筒動作），如果一個人無法做出其中一種或多種動作，還能完成某些運動嗎？（播放手部有殘疾的人的視頻片段）那我們如何利用科學技術來幫助他們呢？

生：機器人、智能機械手。

師：隨著科技的發展，機器人機械手可以幫助人們重新獲得相應的運動能力。（播放“仿生機械手”視頻）今天我們就來探究如何利用機械手抓取物體。

（二）劃分小組，分析問題

教師根據學生特點進行分組，分組時注意各組能力均衡。學生之間、學生和教師之間是互相尊重、彼此平等的，教師要積極引導學生思考，大膽提出自己的想法。機器人教學中，每個小組有四名成員：一名小組長，一名操作手，一人主攻搭建，一人負責編寫程序。教師引導學生認真觀察人手的構造和了解生活中機械手應用的實例，并進行分析思考，初步構建任務模型。

（三）協作學習，生成方案

1.抽象模型，制作機械手

教師引導學生簡化問題，將問題進行分解。學生再結合教師分享的多媒體資源，設計機器人機械手，抽象出機器人的主要結構，簡化機器人模型。

師：怎樣搭建機器人機械手結構，實現抓取物體的運動？

學生小組討論，交流想法。

小組1匯報：利用齒輪增加機械手抓取物體的摩擦力。

小組2匯報：通過馬達轉動，帶動皮筋轉動滑輪，進而帶動齒輪張開和閉合。

各小組動手搭建機械手結構模塊。

2.算法設計，編寫程序

在完成結構搭建后，教師引導學生設計機械手運動的算法。此環節中，教師引導學生先完成流程圖，再通過編寫程序代碼實現抓取活動，讓學生逐步明白算法的含義，逐漸形成解決問題的算法思想，培養計算思維。

【基礎任務】控制機械手的張開和握緊動作，抓取花朵并放到終點位置。

小組合作完成流程圖后匯報：使用馬達運行塊，結合順時針方向塊實現張開動作，結合逆時針方向塊實現握緊動作。

學生編程，控制馬達的運轉方向實現機械手抓取物體的運動。

【升級任務】控制機械手連續抓取花朵和插頭并放到終點位置。

師：要連續抓取兩個物體，我們該如何編寫程序呢？

學生小組討論交流，編寫程序，嘗試實踐。

小組匯報：抓取兩個物體，需要進行2次抓取和放下，4次張開和握緊，因此需要8個方向塊。

（四）自主探究，解決問題

機器人機械手制作完成后，學生進行實踐測試。機器人有可能會因為各種問題導致沒有完成任務，例如結構不夠穩定、程序中有語法錯誤等。此時，教師注意引導學生尋找問題所在并修正錯誤。

1.調試程序

師：機械手抓取物體時，遇到了什么問題？沒有成功的原因是什么？

生：機械手在抓取花朵時，張開握緊的速度太快，來不及抓取。

師：怎樣調試修改程序使其順利抓取呢？

學生優化程序后再次嘗試實踐，得出解決方法：增加“等待”程序塊。

2.優化程序

師：我們來看這個小組的程序（如圖2），你有什么想法？

生1：程序太長了，有點煩瑣。

師：有什么解決辦法嗎？其他小組的方法是什么？

生2：用循環簡化，找到相同的程序塊，加一個“重復塊”。如圖3。

學生優化程序并實踐。

（五）分享交流，總結反思

此環節中，在各小組展示成果后，學生進行自評和反思，想想在探究實踐和解決問題的過程中，哪些方面做得好及哪些方面有待改進。學生在反思與思維的碰撞中能有效地歸納總結方法與經驗。

分小組展示各組最終成果。

師：大家已經得出控制機械手抓取物體的方法，有什么收獲？

學生討論交流，匯報想法。

生1：運用方向塊、功率塊、重復塊等程序塊可以實現機械手抓取物體的運動。

生2：編寫程序時，由于搞不清方向塊和功率塊的次數，在實際抓取物體時遇到了問題，重復塊的次數要具體分析。

生3：調試程序時，要注意左右方向塊的順序和次數、等待時間、馬達功率等的設置。

（六）拓展延伸，發散思維

在最后一個環節中，教師要對教學內容進行適當的拓展與延伸，根據本課內容并結合后續的學習，設計拓展性問題，培養學生的問題意識，將此類解決問題的方案遷移到其他類似的問題解決過程中，實現知識的遷移應用，培養學生的發散思維，激發學生的創新意識及創造精神。

【挑戰大比拼】在相同時間內，比賽抓取并放下物體，數量最多的小組獲勝。

各小組編寫并調試程序，計時一分鐘，比賽看哪個小組的機械手抓取物體的數量最多，并匯報情況。

生1：編寫程序要注意馬達的速度和循環塊的次數，修改機械手的馬達功率可以提高抓取能力。

生2：物體的大小和形狀都會影響機械手的抓取效果。

師：通過今天的探究，我們學會了制作機械手完成物體的抓取和放置動作。這只是相當簡單的功能，我們還可以對它進行改造，比如增加更多的傳感器、改造機械手的形狀、拼裝更多部件等，實現更復雜的動作。（延伸機器人機械手的運用）

結語

計算思維在生活中應用廣泛，其注重問題求解的最佳形式，能使復雜問題簡單化，幫助人們解決復雜的問題。因此，計算思維的培養不應局限于課堂，而是要回歸學生的實際生活，提高學生解決問題的能力。

［參考文獻］

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