指向计算思维的信息科技学习支架设计与实施

中图分类号：G434文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2025）09-0068-04

随着《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）的实施，计算思维成为信息科技课程的核心素养之一。信息科技课程需要通过实践性学习培养学生的计算思维，使其具备“分解问题、抽象建模、算法设计、系统优化”的能力。然而，当前的教学仍存在以下问题： ① 知识呈现较为碎片化，缺少完整的问题情境和问题链，学生难以形成完整的思维链条； ② 实践任务缺乏阶梯性支持，缺乏策略的指导及资源的支持，导致学生在面对复杂问题时无从下手； ③ 协作反思薄弱，导致学生难以将知识内化为思维素养。2因此，设计有效的学习支架，帮助学生逐步掌握计算思维的方法和策略，成为信息科技教学的重要任务。下面，笔者结合“机器人巡线系统设计”项目案例，从支架设计原则、实施路径及评价机制三方面展开论述，探讨如何通过结构化支持系统促进学生计算思维的培养。

指向计算思维的信息科技学习支架内涵

新课标指出：“计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动。”构建指向计算思维的信息科技学习支架，需要为学生搭建知识桥梁，通过建立新旧知识联结机制，帮助学生降低复杂概念的认知负荷。4在知识建构的基础上，教师应进一步引导学生运用系统化的思维方法，针对具体问题开展抽象建模、结构化分解及算法设计，形成完整的计算思维解决方案体系。通过层次化的实践支持，如模拟、仿真、验证等渐进式的实践环节，帮助学生实现思维能力的具象化发展。同时，学习支架的设计应注重多样性，既要激发学生的主体意识，通过自主探究培养其自主思考问题的能力，又要构建协作空间，提高其团队合作能力。

指向计算思维的信息科技学习支架设计

1.情境型支架：真实问题驱动思维发散

情境型支架强调将抽象的计算概念转化为学生可感知的实践任务，关键在于创设真实具体的问题情境。在设计情境支架时，教师可以选择一些与学生生活经验相契合的场景，如利用“机器人沿黑线前行”这一模拟物流公司分拣、无人驾驶等真实情境中的机器人任务，通过实体动态展示引导学生设计一个可以沿轨迹移动并运送快递的机器人，从而有效激发学生的探究兴趣。在教学实践中，教师可以设置与主题相关的梯度化问题引发学生思考，如机器人是如何辨认黑线的、如何控制电动机的速度从而让机器人转弯、如何对线路进行优化问题等，最后可以将项目主题设定为“设计校园快递机器人”。学生在解决问题的同时要对一个系统进行多层次的分析，从而完成从具象思维到建立模型并形成抽象思维的提升。

2.策略型支架：分步引导思维 进阶

策略型支架通过提供有效的思考方法等策略推动学生的学习迁移和思维转化。教师可在从分析问题到解决问题的过程中，采用层次化的思维策略启发学生将一个抽象的问题分解成若干简单易解决的问题。以巡线算法设计为例，教师通过表格工具分阶段进行指导：首先，分析灰度传感器数值与阈值的关系，建立“高于阈值检测黑线”的基础认知；其次，将具体现象转化为条件判断语句（如“灰度值高于阈值时左转”），运用流程图梳理程序运行逻辑；最后，通过反复调试电机功率参数，在动态实践中理解程序优化的必要性。这种分层递进的策略体系，实现了阶梯式的知识、能力迁移，从而有助于突破难点。

3.资源型支架：软硬件协同支持实践

资源型支架整合数字化工具与物理设备，有助于降低学生的学习门槛，满足学生从技术实践中形成科学理论的学习需求。例如，在巡线机器人项目中，为学生配备标准化硬件与示例代码库，学生可以亲身体验搭建与调试机器的完整过程，深度体验如何优化阈值和各项参数等，在真实的问题解决中，实现思维与能力的提升。

4.交流型支架：协作反思深化理解

交流型支架通过学生之间的协作与互助促进知识的建构，关键在于构建多层次的协作与反思机制。例如，学生两人组成团队，合作完成硬件搭建、数据记录、算法设计、编程调试等环节，小组成员及时对实践中遇到的问题进行反思与总结，在实践中达成元认知的形成。在小组之间，进行层级交叉协作互助，在中期汇报时，各小组展示各自的算法和思路，并相互答辩问题，如某小组学生在调试过程中发现由判断逻辑的问题导致的机器人在巡线过程中产生偏差的问题，引发全班学生的热烈讨论，其他小组提出通过优化巡线控制算法进行改进的策略等。层层深入的交互支架既引发了学生之间的知识共享，也促进了学生计算思维的发展。

指向计算思维的信息科技学习支架实施

下面，笔者以“机器人巡线系统设计”项目为例，利用四维支架贯穿问题发现、方案构建、实践验证和优化拓展的整个学习过程。在该项目中，四类学习支架相互配合：情境型支架关注全过程，保证情境的真实性和任务的指向性；策略型支架指向解决策略与方法，帮助解决思维难度较高的问题；资源型支架提供相关技术支持，使实践操作得以顺利开展；交流型支架促进社会化学习活动的开展，深化理解与反思。

1.问题发现阶段：情境锚定与需求分析

教师运用情境型学习支架导入真实场景，如播放物流分拣中心或校园快递机器人视频，展示机器人沿黑线自动导航的场景，从而引出核心问题：如何让机器人精准、高效地沿黑线移动？同时，教师结合学生生活经验，引导学生观察校园内快递配送路线，讨论现有配送方式的不足，如效率低、易出错等，激发设计需求。通过真实问题确定学习目标，将抽象的计算思维转化为具体可感知的任务。此外，教师运用策略型学习支架为学生提供结构化问题分析表（如表1），指导学生将复杂任务分解为子问题。

教师为学生提供思维导图工具，如使用XMind等工具绘制“机器人巡线需求分析图”，帮助学生梳理功能模块，明确任务的关键环节，进行系统化思考。同时，运用资源型学习支架为学生提供案例库，分享成熟的巡线机器人项目代码，并提供基础巡线机器人套件，让学生初步组装并观察基础功能，以此降低技术门槛，帮助学生建立初步认知。

2.方案构建阶段：逻辑设计与算法建模

教师运用情境型学习支架设置场景复杂度分级，提供不同难度的巡线场景（如直线、S型弯道、交叉路口）让学生选择。运用策略型学习支架提供标准流程图符号库，引导学生用图形化方式描述巡线逻辑，还可以提供分步设计指南，降低巡线算法设计难度。同时，运用资源型学习支架提供传感器初始化函数、电机控制函数等部分代码片段。另外，教师可以组织跨组互相评价，在小组的“评价量表”中（如表2）评析其他小组的方案，并反馈改进建议。

3.实践验证阶段：原型开发与调试优化

教师运用情境型学习支架可以提供真实的环境测试。例如，设计限时挑战作业（3分钟内完成任务），调试S型路线巡线竞赛，并利用各种真实环境的影响因素来暴露问题，如光照强弱导致机器人巡线出现异常的状况等。同时，运用策略型学习支架提供调试检查清单，为学生提供常见问题的排查指南（如表3），还提供迭代日志模板，让学生记录每次迭代的参数以及相应结果的改变，这样有助于培养学生规范调试的习惯。此外，资源型学习支架可以为学生提供不同形式的学习资源，如视频资料、交互文档、硬件扩展包等，满足多样化的学习需求，学生可以对这些技术进行深度学习。而技术答辩会、专家指导等交流式学习型支架，有助于扩展学生技术视野，激发学生创造性思维。

4.优化拓展阶段：迁移应用与 反思升华

通过前几个阶段的学习，学生已经了解了机器人巡线的基本原理，实现了机器人巡线等具体应用，此时加入跨场景迁移任务，提出如何在颜色区别较小的地面上完成巡线的挑战任务，要求学生完成环境适应性设计。还可以展开社会问题讨论，如“自动巡线系统会让人类失业吗”“在使用自动机器人扫地时，机器人是否会触碰人、损坏家具”“如何保障机器人的安全性和使用者的安全”等，关注技术伦理，从技术走向价值层面的反思。在学习策略上，可给予系统性优化路径，如设计算法优化、流程控制优化、硬件优化等多个优化途径，培养学生工程化的学习思维。在该阶段，学生已经完成了较完善的程序，教师可通过提供云平台等资源支持，让学生将巡线机器人的控制程序存储于云端，让程序可以随时调取。在项目后期，可进行成果展览，如举办校园科技节，让家长、教师前来参观，学生担任讲解员等，通过公开表达、反思，进一步内化学生计算思维、社会责任。

实施成效分析

本项目以一学期的教学实践为基础，从课堂观察、项目作品和师生访谈等方面收集和处理数据，以印证指向计算思维的信息科技学习支架的应用效果。

1.兴趣激发：信息科技理论与实践结合应用

情境支架的运用和实施激发了学生兴趣，学生对“把设想变成现实”的过程充满兴趣，学习积极性提高。完整的项目情境帮助学生经历“问题发现一方案构建一实践验证一优化拓展”的完整思维链条，使其在解决问题的过程中提高了学习自主性和成就感。

2.思维升级：强化计算思维与创新能力提升

通过对学生的任务完成情况和算法设计程序的采集和观察来看，学生在抽象建模、算法设计、结构设计、问题解决能力等方面，都有明显提升。在项目实践的过程中，学生在“设计—测试—优化”循环模式中，逐步建立了基于计算思维的思考模式。

3.原理深化：实现充分原理探究与深入理解

有层次有梯度的教学支架能帮助学生从基础概念学习逐步深入到核心原理的探究。这些支架通过由浅入深、循序渐进的引导方式，使学生在理解基础知识的同时，逐步掌握人工智能技术的核心原理和机制。同时，教师利用实验案例、在线资源等多种教学手段，让学生在实践中探索和验证原理，增强了对信息科技的深人理解和实际应用。

结语

本文提出的四维支架，以真实项目为载体，为学生提供了较为清晰的问题解决路径。通过设计和实施情境型学习支架、策略型学习支架、资源型学习支架、交流型学习支架，能够有效促进学生计算思维的发展。当然，学习支架的设计和实施仍需进一步优化，如在资源支持方面可以提供多样化的学习资源，在交流反馈方面可以引入更多的量化评价指标。未来的研究将进一步探索学习支架在信息科技其他教学内容中的应用，以期为培养学生的核心素养提供更多的支持。

参考文献：

[1中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]钟志贤.信息化教学模式M.北京：教育科学出版社，2005

[3]魏雄鹰.加强信息科技实验教学，发挥信息科技育人价值[DB/OLJ.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_2082/2023/2023zl24/202311/t20231123_1091836.html.

[4]洪优萍.指向原理探究的信息科技实验教学设计与实施[J.中小学数字化教学，2025（02）.35-38.

[5]李泽，李伟，毛顿，等.计算思维教育实践框架研究[J].中小学信息技术教育，2021（09）.4-8.[王旭卿.面向三维目标的计算思维培养策略[J].中国电化教育，2015（06）：45-50.

[7]杭乐杨.初中信息科技学科计算思维培养的“四化”策略[JI.中国信息技术教育，2024（23）.72-75.e