基于“体验学习圈”的计算思维培养模型研究

Vol.30 No.7 2020

基于“体验学习圈”的计算思维培养模型研究

*

许秋璇 杨文正

[通讯作者]

周琴英

（云南师范大学 信息学院，云南昆明 650500）

摘要：文章首先分析了计算思维与“体验学习圈”的内涵，并将计算思维解构为“定义问题、抽象特征、优选

算法、纠错迭代”四大核心能力。随后，文章根据Scratch体验式教学的“情境体验、反思观察、建立模型、行

动分享”四个环节，构建了基于“体验学习圈”的计算思维培养模型。最后，文章将此模型应用于以“未来智

能教室”为主题的教学活动中，并分析了其具体的教学实施过程和教学成效。基于“体验学习圈”的计算思维

培养模型的提出，为实现计算思维核心能力培养与Scratch体验式教学环节的耦合提供了路径，并可为中小学计

算思维教学实践的有效开展提供参考。

关键词：计算思维；“体验学习圈”；核心能力；Scratch编程教学

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2020）07—0097—08 【DOI】10.3969/.1009-8097.2020.07.013

引言

计算思维是中小学信息技术学科核心素养的重要组成部分。教育部颁发的《普通高中信息

技术课程标准（2017年版2020年修订）》提出学生要“学会运用计算思维识别与分析问题，抽

象、建模与设计系统性解决方案”

[1]

，成为中小学Scratch编程教学的主要培养目标。Scratch形

象直观的积木式编程蕴含抽象和符号化的计算思维，其教学目标是让学生在体验学习中培养编

程兴趣和编程能力，使学生在编程学习过程中“从操作体验内化为认知体验，再升华为情感价

值体验”

[2]

。当前，中小学Scratch编程教学存在体验浅层性、虚假性和随意性等问题。其中，

体验的浅层性是指体验的深度不够，仅停留在“感受”阶段；体验的虚假性是指教师常脱离学

生的实际生活经验创设教学情境，造成“假体验”；而体验的随意性是指编程教学常常是自发的、

零散的，而没有常态化、系统化的目标实现路径。

Kolb

[3]

基于前人的体验学习研究成果，提出了“体验学习圈”理论，将体验学习程序化、科

学化。“体验学习圈”理论强调体验学习是一个非线性的螺旋式上升过程，学生既可以从任意环

节进入学习圈，也可以针对某一问题反复生成多个学习圈，直至问题解决

[4]

——这与Scratch编

程教学强调的不断迭代改进程序设计的教学规律基本一致，能为面向计算思维培养的Scratch编

程教学提供理论框架。基于“体验学习圈”理论，本研究构建了计算思维培养模型并将其应用

于Scratch编程教学实践，以期探索计算思维核心能力培养与Scratch体验式教学环节耦合的实

践路径，为中小学信息技术课程中开展的计算思维教学实践提供参考。

一 计算思维与“体验学习圈”的内涵

1 计算思维的内涵与解构

计算思维（Computational Thinking）由周以真教授于2006年首次提出，她认为“计算思维

是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学领

域的一系列思维活动”

[5]

。Selby等

[6]

认为计算思维包括算法、评估、分解、抽象、概括等五大

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要素。新版《国际教育技术协会（ISTE）学生标准》提出“应从定义问题、数据分析、抽象的

[7]

模型思维、算法思维几个层次将学生培养成计算思维者”。《普通高中信息技术课程标准（2017

年版2020年修订）》指出：“计算思维是以计算机领域的学科方法界定问题、抽象特征、建立结

构模型、合理组织数据，通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题

的方案，总结利用计算机解决问题的过程与方法，并可迁移到与之相关的其它问题解决中的一

种学科思维。”

[8]

基于上述对计算思维内涵的剖析，本研究认为计算思维是一种形式化、模型化、自动化、

系统化解决问题的思维方式，并将计算思维解构为更具显性化操作意义的四大核心能力：①定

义问题，是指学生在教师创设的情境活动中发现问题，并清晰、明确地界定问题的能力；②抽

象特征，是指提取问题的基本特征，抽象出问题求解模型的能力；③优选算法，是指构建执行

效率最高的算法以实现程序功能最优化的能力；④纠错迭代，是指依据程序设计的基本原则进

行全面评估，并采用恰当的方法迭代优化程序设计的能力。这四大核心能力是判断学生能否灵

活运用计算机科学方法解决实际问题的关键。

2 “体验学习圈”的内涵与启示

体验学习的思想源头可以追溯到古希腊的经验主义哲学，亚里士多德认为“人类由经验得

到知识与技术”

[9]

。杜威的经验学习理论让哲学层面的“经验”转向教育学层面的“体验学习”，

认为学生主动尝试获得的经验就是体验

[10]

。皮亚杰认为个体的知识源于感官的经验，体验对个

体认知和智力发展具有重要意义

[11]

。在总结前人研究成果的基础上，Kolb

[12]

创造性地提出了由

“具体体验、反思观察、抽象概括和行动应用”四个基本阶段构成的“体验学习圈”，这是一个

螺旋式上升的完整学习系统。在此系统中，具体体验与抽象概括、反思观察与行动应用是两组

辩证统一的学习领域：一组为理解学习领域，学生通过具体体验与抽象概括，感知或领悟知识；

另一组为转换学习领域，学生通过反思观察与行动应用，内化或迁移知识，学习的关键是在获

取经验和转换经验的过程中促进思维向更高层次发展。

“体验学习圈”可以为面向计算思维培养的Scratch编程教学提供理论指导。基于此，本研

究提出了Scratch体验式教学的四个环节：情境体验、反思观察、建立模型、行动分享。在Scratch

编程教学过程中，教师引导学生经历从“感知、反思、概括、实践再到感知”的学习循环，激

发学生对Scratch编程的兴趣，促成学生对编程的认识从感性向理性飞跃。在具体的编程教学过

程中，教师还需要依据学生“理解”、“转换”编程思维的认知发展特点，搭建培养学生计算思

维和系统化解决问题能力的学习支架。考虑到中小学生的抽象思维、反思能力和迁移能力发展

变化较快的特点，教师要创设具有适度挑战性的问题情境，引发学生的认知冲突，给学生更多

自主探究的机会，以在体验、反思、建模和行动中培养学生的计算思维能力。

二 基于“体验学习圈”的计算思维培养模型构建

1 模型构建

“体验学习圈”强调知识来源于具体经验和抽象概念两个基本阶段的转换过程，这与Scratch

体验式教学过程相吻合。计算思维的四大核心能力与Scratch体验式教学环节相结合，旨在将

Scratch编程教学过程深度化、程序化和显性化：一方面，学生在理解学习领域中的情境体验和

建立模型环节感知和领悟编程知识，而在转换学习领域中的反思观察和行动分享环节将编程知

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识内化为计算思维和系统化解决问题的能力；另一方面，计算思维的四大核心能力为编程教学

提供了一条显性化的目标实现路径，使编程教学不再是目标不明确且难以测量的自发过程，而

是以计算思维培养为导向，具有连续性和灵活性特点的教学过程。为挖掘体验学习在计算思维

培养教学中的独特价值，本研究根据Scratch体验式教学的四个环节，构建了基于“体验学习圈”

的计算思维培养模型，如图1所示。

图1 基于‚体验学习圈‛的计算思维培养模型

基于“体验学习圈”的计算思维培养模型采用环型嵌套的层次结构，以计算思维为内核，

衍生出计算思维的四大核心能力，然后继续向四周扩展，辐射出Scratch体验式教学的四个环节。

此模型展示了计算思维核心能力与Scratch体验式教学环节之间的耦合关系：在图1中，两条带

箭头的交叉线条将计算思维的四大核心能力与Scratch体验式教学的四个环节纵向关联起来，而

两条环形线分别将计算思维的四大核心能力、Scratch体验式教学的四个环节横向连接起来，表

明教师可以从任意一点进入Scratch体验式教学环节并开展教学，以此培养学生的计算思维四大

核心能力。

2 模型阐释

根据上述基于“体验学习圈”的计算思维培养模型的层次结构分析，本研究从计算思维的

四大核心能力出发，来深度剖析计算思维核心能力培养与Scratch体验式教学耦合的路径。

①定义问题。此能力的培养主要在情境体验阶段进行，教师创设贴近学生生活经验的真实

问题情境，用以激发学生的好奇心，调动学生的内在学习动机和情感参与，驱使学生去发现问

题。此外，在反思观察阶段，学生经过一段时间的独立思考和小组头脑风暴，思考如何对原始

问题进行抽象概括和任务分解；在建立模型阶段，学生在思考构建何种算法才能高效解决问题

的过程中，再次运用定义问题能力；而在行动分享阶段，学生在进行程序设计和交流展示的过

程中，通过不断发现问题、重新定义问题，来调试、改进编程作品。

②抽象特征。此能力的培养主要在反思观察阶段进行，学生明确问题之后，对问题或任务

进行分解，厘清编程作品的设计意图、程序包含的角色以及不同角色承载的功能；在与自己进

行对话和小组讨论的过程中，学生将问题进行形式化、抽象化处理，从而培养抽象特征能力。

此外，在情境体验阶段，学生不只是浅层感知问题情境，还要对问题表象进行抽象加工，以深

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度理解问题；在建立模型阶段，学生将程序脚本抽象成指令模块和开源硬件模块，并通过绘制

程序流程图，设计高效的问题解决方案；而在行动分享阶段，学生运用抽象思维和概括思维不

断调试、改进程序设计，实现编程作品功能的最优化。

③优选算法。此能力的培养主要在建立模型阶段进行，教师使用“对话法”帮助学生将复

杂的程序语言转换成易于理解的自然语言，并引导学生运用流程图抽象出程序脚本的执行过程，

在此过程中教师的启发引导有利于学生针对不同的模块选择和构建合适的算法。此外，在情境

体验阶段，教师可以引入生活中的数学或科学问题，启发学生用算法思维解决实际问题；在反

思观察阶段，学生详细考虑程序包含的角色，将功能合理划分到不同角色中，分解脚本职责，

此过程中也蕴含了分治、遍历等算法思维；而在行动分享阶段，学生在调试、改进程序设计的

过程中会不断运用优选算法能力、比较解决同一问题的不同算法，直至找到最优算法策略。

④纠错迭代。此能力的培养主要在行动分享阶段进行，学生利用Scratch软件进行程序设计，

通过开源硬件实现各模块功能，在参与交流展示、评价活动的过程中发现问题，并寻找解决问

题的方案。需注意的是，“体验学习圈”是一个螺旋式上升的学习系统，每一次循环的结束都意

味着下一次新学习的开始。因此，纠错迭代能力的培养还应贯穿于Scratch体验式教学的全过程，

当学生在某个阶段发现程序设计存在问题时，可以回到其它任意阶段，重新展开编程体验学习。

三 基于“体验学习圈”的计算思维培养模型教学应用

1 教学活动设计

为凸显基于“体验学习圈”的计算思维培养模型的应用价值，本研究将此模型应用于具体

的教学活动，设计了计算思维导向的Scratch体验式教学活动流程，如图2所示。

图2 计算思维导向的Scratch体验式教学活动流程

①情境体验，定义问题。教师的主要任务是创设贴近学生生活的问题情境或引入真实生活

案例、编程游戏案例等，通过启发提问激发学生的探究兴趣，培养学生的问题意识。学生在感

知真实情境的过程中明确任务、发现并界定问题。在以教师为主导的情境创设过程中，学生以

感知领悟的方式发展定义问题能力。

②反思观察，抽象特征。教师将学生进行异质分组，给予各小组充足的思考和讨论时间，

搭建学习支架，向学生提供学习资料和认知工具，并辅助建模。学生在实地观察的过程中获得

直观感受，并借助学习支架构思问题解决方案，包括提取问题的关键特征、分解任务，以及明

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确设计意图、作品功能和所需硬件等。在形式化描述问题的过程中，学生的抽象特征能力得到

了发展。

③建立模型，优选算法。教师讲授绘制流程图和使用自然语言的方法，帮助学生建立数学

模型，进行算法迁移；同时，引导学生选择和构建合适的算法，以实现各模块的功能。学生在

教师的指导下，通过迁移教师讲授的认知策略优选算法，自行选择和构建合适的算法，并设计

问题解决方案。学生在发展优选算法能力的同时，也培养了迁移能力和问题解决能力。

④行动分享，纠错迭代。教师指导学生进行程序设计和作品创作，组织小组演示汇报、交

流分享，并开展组内自评、小组互评和教师点评活动，最后进行总结性评价。学生完成程序设

计后，结合同伴、教师的评价和建议对程序进行调试、改进，形成最终作品并进行汇报、展示。

教师引导学生对程序设计进行一轮又一轮的迭代优化，可有效培养学生的纠错迭代能力。

2 教学实施过程

本研究选取K市第三中学的16名八年级学生为研究对象，将基于“体验学习圈”的计算思

维培养模型应用于“信息技术”课程中以“未来智能教室”为主题的教学活动。“未来智能教室”

是在学生已经掌握Scratch软件基本知识的前提下开展的、与开源硬件结合的教学活动，共计8

个课时。此活动的教学三维目标是：①知道条件语句、循环语句、变量、几种常用传感器的基

本原理和使用条件；②通过个人探究和小组合作，利用各种活动材料、Arduino UNO开源硬件

和Scratch软件，实现“未来智能教室”的模块功能；③通过体验学习增强编程兴趣和合作精神，

培养计算思维和问题解决能力。教师将参与“未来智能教室”教学活动的16名八年级学生分为

A、B、C、D四个小组，每组4人，其教学实施过程具体如下：

①创设情境，发现问题。观看教师播放的“未来教室”教学微视频后，学生围绕“短片中

教室在哪些方面体现了智能”此问题进行讨论。之后，教师带领学生参观学校的学术报告厅、

多功能教室和实验室等，引导学生在亲身观察体验的过程中比较传统教室和未来教室的区别。

比如，有学生发现：“未来教室的黑板是自动擦干净的，电灯可以根据光线强弱自动调节亮度，

门窗可以根据室温自动开合„„但我们现在的教室还不能实现这些功能，如果我们的教室能变

成未来这种智能教室就好了！”教师顺势引导：“你们想设计什么样的智能教室？”对此，Z同

学说想设计一款“学生坐姿智能矫正仪”，Y同学说想设计一种能自动倒垃圾的“智慧教室垃圾

桶”，而X同学说想设计“智能防烫饮水机”。

②头脑风暴，设计方案。教师给四个小组分别发放一套开源硬件套件，要求各小组成员观

察硬件模块的类型，并思考不同模块可以实现的功能。随后，各小组针对设计意图、实现功能

和所需硬件进行头脑风暴。例如，A组L同学提议设计一款可以根据教室光线强弱自动调节亮

度的“光感灯”，以保护学生的视力；而G同学建议设计“机械臂黑板擦”来代替手动擦黑板，

以避免粉尘危害师生。这些想法被提出后，小组成员将进行讨论并设计方案。如有学生提到想

设计“声控门窗”，经小组讨论后被替换为能判断温度超过32°时自动开启降温的“知温风扇”。

③抽象建模，算法优化。在学习使用程序框图表示程序脚本的基本知识之后，学生在教师

的指导下采用自然语言“说出”程序流程。随后，小组针对选择和构建本组作品的最优算法展

开讨论。例如，A组L同学认为小组作品包含了多个独立功能，所以选择“分治”算法将大问

题分解成若干小问题来逐个解决是最高效的方式；而W同学认为通过递归调用函数解决问题，

可以使程序执行更高效；经讨论，考虑到“分治”算法更能体现作品的多功能并发设计特点，

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故小组决定选用“分治”算法构思程序设计，并用程序框图表示程序的执行流程，如图3所示。

其中，左边是“知温风扇”模块的程序流程，中间是“机械臂黑板擦”模块的程序流程，而右

边是“光感灯”模块的程序流程。

图3 A组编程作品的程序框图 图4 A组编程作品的程序设计

④程序实现，组织分享。在学生优选算法之后，教师给予学生充足的时间进行程序设计和

调试改进。在程序设计过程中，A组学生遇到了各种问题，如在编写“机械臂黑板擦”程序时，

G同学发现舵机不转动，小组成员一起逐行分析程序脚本之后，发现问题原来在于舵机0°～

180°转动之间缺少“延时”，于是小组在这两个脚本之间添加了“等待”语句；很快，Z同学

发现“等待”语句的时间填写又是一个难题——他先尝试填入“3秒”，执行程序后发现舵机转

动太慢，于是将时间参数调整为“1秒”，但舵机还是转动缓慢，对此L同学建议将时间参数改

为“0.5秒”，执行程序后舵机转动速度终于显示正常。通过不断迭代改进程序，各组完成初步

的程序设计，之后利用泡沫纸板、卡纸、冰棒棍等材料和开源硬件，组内成员分工协作创作作

品。由于B组最先完成，故先向教师演示作品功能，但在演示过程中B组发现LED灯不能常亮，

于是继续调试改进编程作品。当所有小组完成作品创作之后，教师组织答辩交流会，先让各小

组上台汇报作品的设计意图、任务分工、实现功能和体验收获，之后进行点评、提出建议。例

如，A组上台汇报完毕，其他小组在事先制作好的评分表上给出评分、填写改进建议，教师则

针对作品功能的演示情况进行评分并向A组提问，最后提出完善意见：能否考虑“知温风扇”

提供定时操作和远程遥控的拓展功能？基于此，G同学尝试在程序设计中加入“变量time”来

实现定时开关风扇，同时增加红外线遥控器等硬件来实现远程操控。通过“测试—纠错—调试

—测试”的不断操作，A组最终完成了编程作品的程序设计，如图4所示。

四个小组经过不断纠错改进，最终全部完成小组作品的程序设计和作品创作：A组作品采

用“分治”的算法思维，提供“光感灯”、“机械臂黑板擦”和“知温风扇”三个功能，整体功

能设计体现了多元性和创新性；B组作品为解决传统饮水机出水口较大、水温过高、容易烫伤

学生的问题，灵活运用温度传感器和红外线传感器等硬件，设计了一款能自动调节水温的“智

能防烫饮水机”，功能设计较为实用、全面；C组作品针对现实生活中垃圾未能分类和及时清理

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的问题设计了“智慧教室垃圾桶”，实现了垃圾的自动分类和自动清理，想法新颖独特；D组作

品则聚焦于学生上课坐姿不端正的问题设计了“学生坐姿智能矫正仪”，以帮助学生矫正坐姿、

预防近视，具有较强的实际应用价值。在程序设计和作品创作的过程中，学生不仅要在解决真

实问题的情境中灵活运用Scratch编程知识和技能，而且更重要的是通过定义问题，运用分解、

抽象、概括、算法、评估等思维去创造性地解决问题，最终实现计算思维四大核心能力培养的

目标。

3 教学成效

体验学习以参与项目创作为学习途径，创设了由“想象—创造—游戏—分享—反思„„”

循环往复的“创造性学习螺旋”，促进学生在知识建构的过程中培养计算思维

[13]

。以“未来智能

教室”为主题的Scratch编程教学活动将学生的生活经验作为切入点，通过观看视频、实地参观

的方式，充分调动学生多感官参与的积极性，并引导学生开展小组合作探究，鼓励学生在做中

学、做中思、做中体验。经历“从感知、反思、概括、实践再到感知”的学习循环，学生体验

Scratch编程的乐趣、不断迭代改进程序设计，最终实现作品功能，收获了满满的成就感，并在

小组合作克服困难和集思广益的过程中体验了归属感。

除了情感价值体验，以“未来智能教室”为主题的Scratch编程教学活动也较好地培养了学

生的计算思维四大核心能力：①从情境体验环节来看，教师创设贴近学生生活的问题情境并采

用启发式提问教学策略，引导学生发现问题、明确问题，培养了学生的定义问题能力；②从反

思观察环节来看，学生通过头脑风暴提取问题的关键特征，并将其表征为作品设计意图、实现

功能和所需硬件，发展了抽象特征能力；③从建立模型环节来看，学生在抽象建模和运用不同

算法解决实际问题的过程中，提升了优选算法能力；④从行动分享环节来看，学生在反复调试

程序和展示分享最终作品的过程中，增强了纠错迭代能力。

四 结语

计算思维不是算法和编程知识的简单传授，而是一个复杂的、综合的、连续迭代的问题解

决过程

[14]

。体验学习的核心是过程与结果的统一，是经验理解与符号转换的统一，也是知、情、

意、行的统一。在Scratch编程教学中，教师运用体验式教学培养学生的计算思维，就是通过情

境体验、反思观察、建立模型、行动分享等教学环节，来培养学生定义问题、抽象特征、优选

算法、纠错迭代的能力。本研究基于“体验学习圈”构建的计算思维培养模型，为实现计算思

维核心能力培养与Scratch体验式教学环节的耦合提供了路径。此模型在“未来智能教室”教学

活动中的应用，为解决Scratch编程教学过程中存在的体验深度不足、体验真实性不够和体验目

标不明确等问题提供了借鉴。此外，通过具有深度化、程序化和显性化特点的编程体验学习，

学生可以真正体会到编程的乐趣，并发展计算思维、创新思维等高阶思维能力。

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参考文献

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Research on the Computational Thinking Cultivating Model based on “Experience Learning Circle”

XU Qiu-xuan YANG Wen-zheng

[Corresponding Author]

ZHOU Qin-ying

(School of Information Science and Technology, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan, China 650500)

Abstract: This paper firstly analyzed the connotations of computational thinking and ―experience learning circle‖, and

deconstructed computational thinking into the four core competences of ―definition problem, abstract feature,

optimization algorithm, error correction and iteration‖. Subsequently, according to the four steps of Scratch experiential

teaching of ―situational experience, reflective observation, model building and action sharing‖, this paper constructed

the computational thinking cultivating model based on ―experiential learning circle‖. Finally, this model was applied in

the teaching activities with the theme of ―future intelligent classroom‖, and further its specific teaching implementation

process and teaching effect were analyzed. The proposal of the computational thinking cultivating model based on

―experiential learning circle‖ could provide a path for the coupling of the computational thinking core competences

cultivating and Scratch experiential teaching steps, and provide reference for the effective implementation of teaching

practice of computational thinking in primary and secondary schools.

Keywords: computational thinking; ―experience learning circle‖; core competence; scratch programming teaching

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*基金项目：本文为国家自然科学基金项目‚民族地区优质数字教育资源均等化配置机制研究：系统动力学建模

与政策仿真‛（项目编号：71764036）、中国博士后科学基金第11批特别资助项目‚数字教育资源精准服务模式

及关键技术研究‛（项目编号：2018T111003）的阶段性研究成果。

作者简介：许秋璇，在读硕士，研究方向为信息技术教育应用，邮箱为****************。

收稿日期：2020年1月11日

编辑：小米

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