通达计算思维的问题驱动教学模式研究
王卫全 郭苗苗 王晨
随着信息技术尤其是人工智能技术的发展，未来社会对人才培养需求已发生根本变化，“知识工人”已无法适应未来，唯有具备问题解决、沟通协作、批判性思维和创新变革等能力的学生才具有竞争力，这必然催生教育变革。信息素养已成为未来科技创新的重要助推力，信息技术课程是促进学生信息素养养成的基本途径，《高中信息技术课程标准（2017年版）》最突出的变化就是将计算思维确定为信息技术课程的学科核心素养。在信息技术课程的实际教学中，培育计算思维必须师生共同参与才能实现，因此需要一套师生教学行为的导航系统来建立深度学习与计算思维的关联。通过研究笔者发现，问题驱动教学模式是通達计算思维的有效路径。
● 通达计算思维的问题驱动教学模式的概念
问题驱动式教学（PDT，Problem-driven teaching），也称基于问题的学习（PBL，Problem-Based Learning），源于杜威的“反省思维与解决问题过程说”，20世纪60年代由加拿大医学者Barrows、Tamblyn等正式提出后，其概念内涵不断丰富和发展。Barrows等人将PBL视为一种学习过程，认为它是学习者在了解与解决问题的过程中进行学习，由学习者自己掌控学习活动，并通过解决问题来整合相关知识的方法。Colleen Brown认为基于问题的学习是通过引入“现实生活”情境或案例学习，使学生参与学习过程的一种方法。这种“现实生活”情境或案例学习要求学生运用现有主题的内容和方法去探究问题的答案。
笔者通过对相关文献、案例的研究分析，结合信息技术学科特点，最终提出通达计算思维的问题驱动教学模式，认为通达计算思维的问题驱动教学模式是以问题解决为主线展开，在特定的问题情境下，引导学生经历发现问题、分解问题、解决问题和回顾问题等教学活动过程，促进学生掌握知识与技能，内化编程相关的思想与方法，形成信息技术学科计算思维。
● 通达计算思维的问题驱动教学模式的构建
1.通达计算思维的问题驱动教学模式的环节
从问题解决的视角分析，问题驱动教学环节可分为创设情境、发现问题，分解问题、解决问题，回顾问题、知识建构三个环节。
（1）创设情境、发现问题。该教学环节是回答为什么的问题，即本课教学有何意义，可以借助计算思维解决生活中的什么问题。其中，情境的创设需要在深度分析教材内容和学生学情的基础上，联系学生的生活实际、知识基础、思维特点和学习风格等情况，从激发学生兴趣的角度出发，使学生产生强烈的求知欲。情境可以是新生事物、时政热点、生活热点、观念情怀或者模拟活动。
（2）分解问题、解决问题。该教学环节教师需要在整体把握核心问题的基础上，帮助学生找到问题域，根据核心问题以及学生学习的认知心理、思维方式，分析新知识的知识序列和联结，对核心问题进行分解，形成系列的子问题，搭建问题学习“脚手架”，引导学生通过抽象特征、建立模型、组织数据等过程，设计解决方案（算法），从而解决核心问题。
本研究借鉴苏联心理学家维果茨基的“最近发展区”理论（“最近发展区”就是学习者已经达到的解决问题的现有水平与可能达到的解决问题的水平之间的潜力范围），认为教师可将问题分解为以下三个层次：基础问题——基于学生现有的水平设计问题，激活学生已有的知识与经验;提高问题——基于学生可能达到的解决问题的水平，围绕教学目标设计问题，引导学生学习新的知识经验，并解决问题;拓展问题——基于学生新达到的水平设计问题，鼓励学生将新的知识经验进行迁移与运用，激发学生创新。
（3）回顾问题、知识建构。该教学环节教师需要引导学生回顾一系列的问题解决过程，联系原有的知识经验，整合新的知识技能，以绘制流程图、思维导图等方式建构和完善自我的知识体系，形成使用计算思维解决问题的思维方法与能力，并以融会贯通的方式将其迁移和运用到相应问题的解决过程中，甚至产生创造性的思考和方案。
2.通达计算思维的问题驱动教学模式的要素
从通达计算思维的问题驱动教学环节中，进一步提炼出相关要素，即情境场、问题群、活动串、思维桥和知识树。情境场：通过创设真实的问题情境，让人与环境进行互动，从而产生认知冲突;问题群：在问题情境中发现核心问题及其分解和引发的一系列问题;活动串：基于自主、合作、探究等一系列的学习活动解决问题;思维桥：在认知冲突下，对新旧知识与技能进行意义联接;知识树：在联接新旧知识与技能后，学生形成完善的知识体系，具备计算思维解决问题的能力，实现知识的迁移与运用。
3.通达计算思维的问题驱动教学实践模型
综上所述，本研究在借鉴专家学者观点的基础上，结合培育学生计算思维的要求和教育教学实践，构建了通达计算思维的问题驱动教学实践模型，如下图所示。
从问题驱动的视角看，深度分析教材和学情是问题驱动教学的基础，问题情境和问题群是问题驱动教学的关键，活动串是分解与解决问题的重要载体，思维桥是知识建构的思维过程，知识树是问题驱动教学的必然结果，计算思维形成于知识的深度建构之后。
● 通达计算思维的问题驱动教学模式的优势
通达计算思维的问题驱动教学模式促进学生达到深度的学习样态。基于比较的视角，从学习动机、学习内容、学习过程、学习结果等四个维度将传统教学模式（以知识与技能作为教学主线）与通达计算思维的问题驱动教学模式对比（如下页表1）。
通过比较发现，通达计算思维的问题驱动教学模式具有深度动机、深度体验、高阶思维、深度协作和深度建构五大优势。
（1）在通达计算思维的问题驱动教学模式中，情境场的创设、问题的驱动等激发了学生基于内在情感需求的深度动机，学生以问题解决为目标，在认知、自我提高等需求的驱动下，感到“非学不可、非做不可”，从而积极主动地开展学习。
（2）通过让学生置身于真实的问题情境中，体验将所学知识与技能运用于问题解决的过程，来帮助学生加深对知识的理解并形成问题解决过程中所涉及的能力和品格。
（3）通达计算思维的问题驱动教学模式在关注知识技能的同时，更注重高阶思维能力的学习，并将其贯彻在学习目标、内容、过程以及结果中。
（4）学生在互动交流和协作探究的过程中发挥集体的智慧共同解决问题，参与合作过程，享受合作成果，养成合作习惯。
（5）学生在问题解决的过程中，能够基于自身的理解，将新旧知识技能相互联系与整合，完成知识个性化和系统化的建构，使自身即使面临新的问题情境，也能灵活地迁移和运用所学知识解决问题，达到举一反三的效果。
● 问题驱动教学模式的应用案例分析
虽然计算思维是高中信息技术课程标准提出的概念，但在小学信息技术课程教学中，计算思维也是学生信息素养的核心要素，笔者选用苏科版小学信息技术教材可视化积木编程模块内容，以《花朵缤纷》一课为例，阐释问题驱动教学模式的前端分析、教学过程分析和教学实践反思。
1.前端分析
（1）教材分析。教材分析解决五个问题：知识在哪里？知识重要吗？有哪些知识？知识点之间的关系如何？知识如何转化为问题？本课选自苏科版五年级教材第六课，是可视化积木编程模块中的重要内容之一，让学生了解“重复”控件和“随机函数”控件的作用。通过服饰的花朵缤纷，引入到编程中的花朵缤纷。通过动手实验、直观的感受，探究一朵花瓣变成五瓣花的过程，然后由每一步的动作对应到编程中的控件，最终在软件中实现一片花瓣变成一朵花，进而引到花的数量的变化、位置的变化和数量的变化等，最终用掌握的花朵缤纷编程技巧美化生活。
（2）学情分析。学情分析解决五个问题：学生已有哪些经验？学生已有哪些知识？学生思维特点如何？学生的学习风格如何？学生在分析和解决问题的过程中可能会遇到哪些问题？本课教学对象是小学五年级学生，通过学习，他们已经了解了可视化积木编程的思考方式与操作方法，具备一定的思维能力、问题分析能力，并具有一定的学习热情以及合作探究的意识。学生在学习过程中对花朵的形成过程和花朵缤纷的循环嵌套难以抽象理解，在问题设计时，需要由简单到复杂，层层递进、环环相扣。
（3）教学目标分析。本课借鉴三层架构思想，将教学目标设定为：①知识与技能：掌握旋转中心、旋转角度、图章、随机函数等控件指令的使用。②问题解决：如何将一片花瓣变成一朵花？一朵花如何出现花朵缤纷的效果？如何用花朵缤纷来美化生活？③计算思维：通过实现花朵缤纷的效果，了解循环执行包括里面循环、外面循环的循环嵌套，感受可视化积木编程的一般步骤，用程序美化生活。
2.教学过程分析
本课教学过程如下页表2所示。
3.教学实践反思
第一，问题驱动教学经历梳理核心知识、发现核心问题、提炼核心思维和形成计算思维等过程。教师通过前端分析，梳理出《花朵缤纷》一课的核心知识“循环嵌套”，创设绘制服饰花纹的情境，提炼出核心问题即如何绘制这样的图案。在图案绘制的教学过程中，一步一步引导学生分解问题，抽象出一朵花的形成特征，构建花朵缤纷的循环嵌套模型，最终形成使用循环实现重复效果的思想，并迁移运用，创造性地解决日常生活中的相关问题。
第二，问题驱动课堂是以学生为中心的生成性课堂。教师要相信学生，给予学生充分的思考时间和实践机会，鼓励学生保持对问题的好奇心，学生能将想法、疑问描述与表达出来，有困难时通过彼此平等的协作和交流来探索解决问题的方法，形成计算思维。
第三，教学评价是验证教学模式的教学效果的重要指标。问题驱动课堂更注重学生在学习活动中所获得的高阶思维能力，因此需要思考一套与之对应的以过程性评价为主的评价标准。
● 结语
通过研究笔者发现，从深度学习的视角看，深度學习是深入知识内核的学习，深度学习是触及学生心灵深处的学习，深度学习是展开问题解决的学习。应该说，学生计算思维培育对师生都提出了较高的要求，计算思维培育是师生共生互促的过程，唯有建立理论—模式—案例—反思一体化的研究范式，本研究才能不断走向深入。
本文系2016年度江苏省教育科学“十三五”规划重点资助课题“区域推进创客教育的实践研究”（课题编号：B-a/2016/02/43）的研究成果。
