本站原创摘 要：通过不插电的计算机科学教学来培养和训练学生的计算思维能力,综合运用文献研究法、教育实验法和行动研究法,结合不插电的计算机科学在宁夏某学校课堂的具体应用,展示了信息技术课程中应用不插电计算机科学训练学生计算思维能力的有效性,以“玩中学、做中学”的信息技术教学理念和方法,实现了不用实体计算机同样能达到学习好“计算机科学”的目的,对教学应用中的问题进行了反思并提出了建议.
关 键 词：计算思维；信息技术；不插电计算机科学
中图分类号：G434
文献标识码：A文章编号：1672-7800（2014）003-0187-03
1不插电计算机科学
不插电的计算机科学（ComputerScienceUnplugged）是面向世界的信息科学技术训练项目,它透过一些既有趣又容易的活动和游戏,采用开放和自主学习方式把培养计算思维能力融入青少年的信息技术课程学习中,其创新点是不使用任何实体计算机就能达到学习“计算机科学”的目的,这也是不插电计算机科学的魅力和有趣之处.不插电计算机科学的教学设计活动原创于新西兰Canterbury大学的教授和两位中小学教师,他们依据实际教学经验,组织设计了丰富的教学活动来提升思维能力.该项目已在全世界范围得到应用,具有特色的新颖案例不断充实进来.这种“玩中学,做中学”（learningbyplaying,learningbydoing）的信息技术学习方法目前在全世界已经产生了巨大的影响[1].
1.1不插电的计算机科学教学设计
不插电计算机科学教学活动的设计生动、有效而富有趣味性,对小学生的知识、能力和逻辑思维的培养和训练非常适用.不插电计算机科学的教学在所有的游戏活动中进行,设计了大量的问题和练习,用来测验学生的学习水平,考察学生的学习思维能力.教学中所涉及的数学能力内容包括二进制数、使用信息编码表示字母和图像、数据的搜索和排序、构建网络等,学生有更多的机会运用已掌握的计算能力和数学能力解决现实问题,学生也可以参与讨论,得到解决问题的方法.其中涉及一些计算机的基本概念看似复杂,但相比单纯的阅读或只听教师讲解概念要好得多.学生的合作和交流能力、解决问题的思维和意识、知识建构和创新能力等都得到了训练.
不插电的计算机科学不同于传统课堂讲授“如何学习和使用计算机”,它更侧重各种计算机技术原理的应用,展示真实发生在计算机内部世界中的过程,让学生学习和理解新技术新方法是如何被设计和应用的,开发学生的“计算思维”,从而提高其解决问题的意识和能力.
1.2计算思维
计算思维反映的是计算机学科最本质的特征和最核心的方法.不插电的计算机科学由麻省理工学院SeymourPapert教授于1996年提出[2],之后美国卡内基梅隆大学周以真（JeanteM.Wing）教授对其进行了发展和应用.计算思维是一种新思维和新方法,它利用计算机科学的基本概念解决问题、进行系统设计并理解人类的行为活动.计算思维不仅仅是计算机的操作技能,它是继阅读、写作和算术之后,21世纪每个人必须具备的新的学习技能[3].计算思维在中小学信息技术课堂教学中能够发挥巨大的影响和效益.
2信息技术课程中不插电计算机的学习
从学习心理学理论分析,人类思维的发展是一种情境化的过程,脱离了真实情境的说教式教育很难实现学生思维能力的迁移和提升.为促进计算思维的迁移和提升,教学活动就不能只停留在知识的讲解和技能的操练上,更需要创设隐含计算方法的、与学生生活学习相类似的学习情景,引导学生从中发现计算问题,应用计算方法解决问题.将计算思维迁移到真实的问题情景中,并逐步完善这种学习和思维方式.中小学信息技术课程在强调用信息技术工具解决实际问题的学习过程中,一直没有很好地解决对信息技术核心工具即计算机的理解.事实上,计算机作为一种信息自动处理工具,不仅是工具应用,更多的是工具处理信息的思想和方法,而且后者比前者更为重要.
加涅在认知心理学研究中将认知领域的学习结果分为三大类,即言语信息、智慧技能和认知策略.其中认知策略是指学生学习后形成的对内控制能力以及调控认知活动的特殊认知技能,是学生内在价值的学习结果.就信息技术课程而言,其认知领域的教育意义既体现在外显的知识与技术学习方面,也反映在内隐的认识策略学习上[4].在信息技术课堂,缺少了信息技术解决问题的设计方法,也就失去了其内在的真正价值.计算思维作为信息技术课程的一种内在价值,在教学内容的组织上与学生的认识水平相符合.而不插电的计算机科学学习内容的设计符合中小学生的认知思维阶段能力,是培养其计算思维、问题解决能力、创新能力等思维能力的有效途径.
笔者在银川市实验小学进行了不插电计算机科学教学实践,将这种新方法应用于小学信息技术课堂,通过课程中的各种活动和游戏激发了学生的学习兴趣,明显提高了学生的课堂参与度.即使没有计算机实体,学生的动手能力和思维能力同样得到了很大的提升,特别是对一些复杂的计算机概念的理解和掌握,学生不仅积极解决教师提出的问题,还能自己发现问题并解决.笔者在教学实践中还进行了微课程的制作演示,与专业课教师进行了探讨,收到了很好的教学效果.
3不插电计算机科学课堂案例
不插电计算机科学教学法采用开放式学习模式,教师提出问题,学生是课堂上的主体,使学生的思维能力、应用能力得到训练和提高.课堂探索实践活动以“认识二进制数”为主题,请看以下案例.
3.1引入主题
计算机能够存储信息、计算数字,展示各种媒体信息,如文档、照片、音乐、视频、网站等,看起来是一个很复杂的过程.事实上,计算机上所有的数据,都是采用一系列0和1的形式存储和传送的.那么只有0和1这两个数字,怎样展示形式各异的信息?我们设计活动来展示如何只用数字0和1来表示和计算所有的数字.3.2选定学习活动项目——认识二进制数
（1）在进行这项学习活动前,每个学生准备5张卡片,每张卡片上的黑色园点图案依次是16、8、4、2、1,也可以用数字替换圆点.
（2）从左到右以数字的降序依次排列卡片,放在桌子上.
问题：①大家留意到卡片上的圆点图案有怎样的规律?②如果在这些卡片的左侧增加一张卡片,这张卡片上需要画几个圆点?③如果向左侧继续再增加一张卡片,这张新的卡片上需要画几个圆点?
（3）熟悉卡片应用,每个卡片上的圆点数依次是16、8、4、2、1,如果要表示数字3,就需要用到卡片2和卡片1（最右边的两张）.
问题：①要表示数字12,需要用到哪几张卡片?②是否可以找到另一种方式来获得数字12?③所表示的数字组合是否只有一种方式?例如,你能用两种不同方法来表示数字12吗?
讨论：①表示哪个数字用到的卡片数最多?②表示哪个数字用到的卡片数最少?通常1会被给出,正确答案是0；③在规定的最大数和最小的数之间,有没有不能被卡片表示出的数?
（4）规定有数字（画了圆点）的一面为卡片正面,则另一面就是反面,使用0和1表示卡片的正反两面,1为正面,0为反面.数字6需要哪几张正面朝上的卡片,其它卡片为反面,用0和1表示出来就是00110.
4课堂交互活动
（1）活动要5位学生参与,教师准备好卡片,5位学生合作完成,发挥各自算数能力和快速反应能力.5位学生站在讲台面向其他学生,所拿卡片从左到右依次按降序排列（16,8,4,2,1）,开始时全部显示反面（即00000）,5位学生需要记住自己手里所拿卡片的数字.
（2）要表示数字10时,从左到右,第2个学生先翻转自己的卡片8,为什么是第2个学生?因为16>10,而8<10,所以先翻开8的卡片,现在只剩下2了,所以再把第4个学生的卡片2翻过来.同样,5位学生合作可以依次完成数字10～20,而下面的学生来回答怎样用0和1表示并且记录下来.
问题：①这些卡片一共 2452;成了多少比特?②用卡片摆出二进制数01101,对应的十进制数是多少?③用手指表示大数字.通常小学生用双手数数可以数到10,但如果让每个指头代表一个比特,就能数到更大的数字.
案例小结：十进制数是人们最熟悉的数制,十进制位上的数值范围从0～9,每位上都有10个不同数值,运算规则是满10则增加新的位数.以上展示的卡片游戏活动,利用了二进制数原理.二进制只有两个数0和1,如以上使用的卡片,背面代表0,正面代表1,因为只有0和1两个数值,就称为二进制数,运算规则是满二则增加新的位数.5张卡片可以表示一个5位的二进制数.例如,二进制数01001共5位,用翻转卡片表示时,每个位上对应卡片的点数相加,就能得到十进制数9,而每张卡片则代表一个二进制位.用这个方法直观地实现了二进制数与十进制数的转换,根本不用复杂的计算.
5结语
不插电计算机科学应用于信息技术课堂,使学生在完成游戏活动过程中学习了计算机的原理和内容,在“玩中学,做中学”.这里提问内容和时机非常重要,要求教师课前用充足的时间设计教学,更有效地激发学生的求知欲,主动探索和积极思维,从而训练计算思维能力.每堂课学习任务设计要紧密联系实际,培养学生解决实际问题的能力.通过教学实践,笔者发现教师要有能力控制教学活动.学生对于以往的传统课堂比较熟悉,自主学习和合作活动刚开始不太适应,教师要做好充分准备,在教学应用中不断提高新媒体、新技术和新方法的掌控能力.不插电计算机科学学习活动方式变得多样,讲授时间变少了,从以教师讲为中心转向了以学生学为中心,这对教师的教学技能要求更高,教师更要提高教学策略.相信通过不插电的计算机科学的学习,学生能更好地理解计算机科学知识,拓展创造力和计算思维能力,进而掌握和运用计算思维.