王世達(dá)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是人工智能時(shí)代的到來，編程能力和計(jì)算思維成為21世紀(jì)的核心技能。初中是學(xué)生成長過程中非常重要的一個(gè)階段，通過實(shí)施Scratch編程課程，能夠培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、邏輯思維、創(chuàng)新能力，整體提升他們的信息素養(yǎng)和綜合能力。本文對(duì)區(qū)級(jí)課題“基于計(jì)算思維培養(yǎng)的初中信息科技‘Scratch編程課程實(shí)施與研究”的成果與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，并提出相應(yīng)的建議。

一、研究背景

1.時(shí)代發(fā)展對(duì)學(xué)生計(jì)算思維與編程能力的要求

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是人工智能時(shí)代的到來，計(jì)算思維和編程能力成為21世紀(jì)的核心技能。2013年底，美國非營利性組織 Code.org發(fā)起“編程一小時(shí)”倡議和活動(dòng)，旨在讓學(xué)生們不再認(rèn)為編程是一件神秘并且遙不可及的事情，任何人都能從基礎(chǔ)學(xué)起。但以往初中課堂一直缺少一款適合的編程軟件，而麻省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)的Scratch軟件通過積木式指令讓學(xué)生有機(jī)會(huì)去思考、表達(dá)、創(chuàng)新，成為對(duì)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維訓(xùn)練的有效載體，已經(jīng)成為世界上使用最為廣泛的模塊化編程軟件。

2.探索通過課程實(shí)施整體提升學(xué)生信息素養(yǎng)的需要

初中信息科技的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。從2014年起，上海市普陀區(qū)就對(duì)教師開展了相關(guān)培訓(xùn)，而在2017年新版《上海市初中信息科技學(xué)科教學(xué)基本要求》（下稱《教學(xué)基本要求》）中，已經(jīng)明確寫入了以Scratch為實(shí)施平臺(tái)，讓學(xué)生體驗(yàn)人機(jī)交互與編程。通過課題，可以不斷豐富Scratch教學(xué)內(nèi)容、收集案例、積累資源，拓展課程實(shí)施的內(nèi)涵，同時(shí)根據(jù)不同學(xué)校、不同學(xué)生的情況，提煉不同類型的教學(xué)建議，整體提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。

二、概念界定

1.Scratch

Scratch是由麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)開發(fā)的一款面向兒童的可視化編程工具。通過讓孩子們創(chuàng)建游戲、視頻和音樂，教會(huì)他們一些編程基本概念。學(xué)生不需要死記硬背，通過拖拽的方式即可輕輕松松地學(xué)會(huì)編程。

2.計(jì)算思維

計(jì)算思維是2006年3月由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任周以真教授提出的。它是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為，本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。計(jì)算思維以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表，反映了計(jì)算的根本問題，即什么能被有效地自動(dòng)進(jìn)行。

三、研究方法

1.文獻(xiàn)研究法

通過對(duì)國內(nèi)外計(jì)算思維、Scratch編程等方面的專著、論文等進(jìn)行查閱分析，了解相關(guān)的研究經(jīng)驗(yàn)成果和前沿動(dòng)態(tài)；通過對(duì)各種Scratch教材中的活動(dòng)、案例等進(jìn)行深入解讀、分析與改進(jìn)，形成對(duì)研究有價(jià)值的指導(dǎo)和借鑒。

2.行動(dòng)研究法

根據(jù)制訂的研究計(jì)劃，在本區(qū)4所初中信息科技教學(xué)活動(dòng)中開展實(shí)踐探索和反思，形成一批Scratch教學(xué)課例集（教學(xué)設(shè)計(jì)、教案、實(shí)錄、反思）和學(xué)生作品集。在實(shí)踐中積累課例、發(fā)現(xiàn)問題、分析原因、改進(jìn)方法、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，豐富初中年段信息科技課程的教學(xué)內(nèi)容。

3.調(diào)查研究法

設(shè)計(jì)調(diào)查問卷和評(píng)價(jià)量表，開展調(diào)查研究，收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，將抽象的計(jì)算思維能力轉(zhuǎn)化為可觀測、可評(píng)價(jià)的一些指標(biāo)，對(duì)具有典型代表性的教師和學(xué)生開展訪談，了解學(xué)習(xí)Scratch編程對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的效果；分析Scratch對(duì)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)產(chǎn)生的效果，并修改完善評(píng)價(jià)量表。

四、實(shí)施過程與策略

1.基地學(xué)校落實(shí)重點(diǎn)目標(biāo)與區(qū)域整體推進(jìn)相結(jié)合

根據(jù)前期文獻(xiàn)研究，綜合得出與Scratch緊密相關(guān)的關(guān)鍵字。截至2017年12月，前三位依次為：Scratch+游戲，共25篇；Scratch+計(jì)算思維，共19篇；Scratch+STEM（含STEAM），共12篇。

課題組的4所基地學(xué)校根據(jù)參與教師的研究特長，從這些關(guān)鍵字中提取、確定個(gè)人的研究方向，開展有針對(duì)性的探索。4所基地的主要研究方向與分工如下表所示。

同時(shí)，將Scratch教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)展到近20所初中，通過信息科技課中的新技術(shù)探究以及拓展性課程開展了面上的實(shí)踐。

通過點(diǎn)上課題基地學(xué)校重點(diǎn)突破、面上區(qū)域整體探索的形式，區(qū)內(nèi)近50%的初中開展了Scratch編程教學(xué)，實(shí)施的途徑主要有單獨(dú)設(shè)立Scratch拓展課、在信息科技的新技術(shù)體驗(yàn)?zāi)K中實(shí)施和通過興趣小組及社團(tuán)以參加相關(guān)競賽帶動(dòng)。

2017年12月發(fā)布的《教學(xué)基本要求》中也正式增加了“人機(jī)交互”的相關(guān)內(nèi)容，通過讓學(xué)生使用Scratch編程實(shí)現(xiàn)和體驗(yàn)人機(jī)交互程序，而2018年的初中信息科技學(xué)業(yè)考試也正式將Scratch納入了考核內(nèi)容。課題組的實(shí)踐為區(qū)內(nèi)各校開展Scratch編程教學(xué)，打好對(duì)接《教學(xué)基本要求》的基礎(chǔ)做好了準(zhǔn)備。從對(duì)學(xué)業(yè)考試中涉及Scratch的兩道試題的分析來看，實(shí)施了Scratch教學(xué)的學(xué)校整體比未開展的學(xué)校得分率高21.4%。

2.游戲主題讓學(xué)生體驗(yàn)從“玩家”到“設(shè)計(jì)師”的轉(zhuǎn)變

游戲是學(xué)生非常感興趣的內(nèi)容，以游戲?yàn)槔_展Scratch編程學(xué)習(xí)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，體驗(yàn)從“玩家”到“設(shè)計(jì)者”的轉(zhuǎn)變。課題組在硬件條件較好的江寧學(xué)校運(yùn)用PicoBoard、WeDo套件、傳感器等開展了研究。

在實(shí)踐中，教師通過學(xué)生熟悉的三個(gè)游戲《超級(jí)馬里奧》《不要停！八分音符醬》《王者榮耀》，分別設(shè)計(jì)了“超級(jí)馬里奧——用滑桿控制角色移動(dòng)”“不要停！八分音符醬之聲音傳感器應(yīng)用”“王者榮耀之光線傳感器初體驗(yàn)”三個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)，將學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生體驗(yàn)過的游戲相結(jié)合，通過滑桿、聲音、光線三種傳感器的應(yīng)用提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)通過布置任務(wù)自主制作游戲來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“玩家”到“設(shè)計(jì)者”的角色轉(zhuǎn)換，巧妙創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力，引導(dǎo)他們深入理解傳感器在Scratch編程中的作用。

課題組發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生編寫的程序都是自己曾經(jīng)玩過的游戲，因而減少了設(shè)計(jì)游戲內(nèi)容、規(guī)則、人物等眾多環(huán)節(jié)，能夠快速切入編程學(xué)習(xí)的主題；而從參考游戲范例、修改范例再到對(duì)范例進(jìn)行再設(shè)計(jì)、再創(chuàng)新，有效降低了學(xué)習(xí)難度，讓學(xué)生克服了學(xué)習(xí)編程的畏難情緒，逐步掌握編程技能。學(xué)生了解了原來自己熱衷的游戲也是通過編程實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)一步提高了學(xué)習(xí)編程的熱情，同時(shí)迷戀游戲的情況也有所減少。

3.以問卷星為平臺(tái)，開發(fā)單元網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)支架

模型化是計(jì)算思維中的一個(gè)重要指標(biāo)，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)開展自主學(xué)習(xí)，也是建立學(xué)習(xí)方法模型的一種途徑。同時(shí)，由于信息科技課程課時(shí)有限，使用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)也勢(shì)在必行，課題組在延河中學(xué)開展了基于問卷星的Scratch網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)支架的實(shí)踐。

課題組將每個(gè)單元設(shè)計(jì)為學(xué)習(xí)資源、3e學(xué)習(xí)單、作業(yè)提交三部分。其中學(xué)習(xí)資源主要是學(xué)生的學(xué)習(xí)支架，包括微課、微視頻等。教師在課前可以制作微課或微視頻，發(fā)布到平臺(tái)上，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之前或者學(xué)習(xí)遇到困難時(shí)，通過學(xué)習(xí)資源來開展自主、探究學(xué)習(xí)。3e學(xué)習(xí)單分別是課前預(yù)學(xué)單、課中探索單和達(dá)成自測單，包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、任務(wù)操作要求、在線練習(xí)、自我測試、評(píng)價(jià)反饋等功能。直接讓學(xué)生利用Scratch去編程實(shí)現(xiàn)還是有一定難度，教師可以將每個(gè)程序的學(xué)習(xí)過程分解為若干個(gè)易于解決和實(shí)現(xiàn)的小任務(wù)，讓學(xué)生通過問卷星中的關(guān)聯(lián)邏輯功能查看學(xué)習(xí)任務(wù)，并按照學(xué)習(xí)任務(wù)的要求層層遞進(jìn)完成任務(wù)。此外，一般還會(huì)在3e學(xué)習(xí)單中設(shè)計(jì)1～2道測試題，通過平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)，教師可以了解學(xué)生的姓名、答題正確率、答題時(shí)間和答題的具體結(jié)果。而在課后則讓學(xué)生通過平臺(tái)提交作業(yè)，并完成對(duì)課程以及自身學(xué)習(xí)情況的評(píng)價(jià)量表，通過多元化過程性評(píng)價(jià)，鍛煉學(xué)生歸納與概括的能力，也可以讓教師了解到每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

4.通過不同方式，測評(píng)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)效果

對(duì)學(xué)生計(jì)算思維提升情況的評(píng)價(jià)一直是研究的難點(diǎn)，課題組根據(jù)上海師范大學(xué)王旭卿教授將計(jì)算思維分為計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀念的建議，以銅川學(xué)校為實(shí)踐基地，通過測評(píng)題、任務(wù)型作品和開放型作品三種不同的方式，來對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行測評(píng)。

計(jì)算思維評(píng)測題以主觀選擇題的形式，考查學(xué)生將計(jì)算思維能力應(yīng)用到生活中具體事件的能力，包括前測題和后測題兩個(gè)部分。測試均為百分制，分析Scratch編程對(duì)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的作用。評(píng)測后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生計(jì)算思維后測題的正確率相比前測題的正確率明顯提升，即Scratch創(chuàng)意編程的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的提升有明顯的幫助。

任務(wù)型項(xiàng)目活動(dòng)作品需要學(xué)生完成限定內(nèi)容的程序作品。教師制定相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別給予作品“優(yōu)秀”“良好”“需努力”三種等第的評(píng)價(jià)，最終統(tǒng)計(jì)出全部作品評(píng)價(jià)等第結(jié)果，并對(duì)其統(tǒng)計(jì)分析完成評(píng)測綜述。課題組發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)大致可分為四個(gè)階段：初始學(xué)習(xí)內(nèi)容雖然簡單，但由于學(xué)生并不理解計(jì)算思維，評(píng)測結(jié)果中“良好”居多；隨著學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生逐漸理解適應(yīng)了計(jì)算思維的學(xué)習(xí)，“良好”逐漸轉(zhuǎn)化成“優(yōu)秀”；而隨著程序?qū)W習(xí)中較難的鏈表、循環(huán)等內(nèi)容的出現(xiàn)，學(xué)習(xí)又產(chǎn)生了一定的困難，學(xué)生“優(yōu)秀”率下降；而后在整個(gè)編程體系逐漸完善之后，學(xué)生對(duì)知識(shí)與技能逐漸內(nèi)化，并逐漸習(xí)慣了計(jì)算思維這種思考問題的方法，于是“良好”又再次大量轉(zhuǎn)化成“優(yōu)秀”。但隨著學(xué)習(xí)難度的提升，存在著“掉隊(duì)”的學(xué)生逐漸增多等情況。

開放型項(xiàng)目活動(dòng)作品要求學(xué)生以小組合作形式完成自選內(nèi)容的程序作品。除了包含學(xué)生在項(xiàng)目過程中的各項(xiàng)表現(xiàn)以及項(xiàng)目資料各項(xiàng)指標(biāo)的自評(píng)、互評(píng)、師評(píng)外，還包含項(xiàng)目程序的單獨(dú)評(píng)測。項(xiàng)目程序的評(píng)測包含兩方面：一方面是項(xiàng)目程序的完整性，從游戲初始化判斷、角色對(duì)話、人機(jī)交互、角色交互、計(jì)分機(jī)制、游戲結(jié)束判斷這6個(gè)方面進(jìn)行評(píng)測；另一方面是教師針對(duì)每個(gè)程序的個(gè)性化點(diǎn)評(píng)。這個(gè)評(píng)測標(biāo)準(zhǔn)本著開放的原則進(jìn)行，主要從學(xué)生的程序作品中捕捉其思維動(dòng)向，以發(fā)現(xiàn)其計(jì)算思維能力的成長。課題組發(fā)現(xiàn)，學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)，其計(jì)算思維、編程能力均有一定提升，但也存在學(xué)生對(duì)程序效果的預(yù)期過高等情況。

五、結(jié)論與建議

1.結(jié)論

（1）Scratch編程對(duì)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)有一定的促進(jìn)作用。通過實(shí)踐研究，各基地學(xué)校學(xué)生對(duì)Scratch編程有了一定的了解，學(xué)生計(jì)算思維能力與不開展Scratch教學(xué)的學(xué)生相比有所提升。

（2）各基地學(xué)校對(duì)教學(xué)內(nèi)容與資源的優(yōu)化整合，有效推進(jìn)了課程的實(shí)施。通過建立在線自主學(xué)習(xí)平臺(tái)、開發(fā)基于游戲的程序?qū)W習(xí)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、拓寬了學(xué)習(xí)途徑，也在一定程度上解決了初中信息科技課時(shí)少、內(nèi)容多的困境。后續(xù)將對(duì)各基地校形成的優(yōu)秀課例、教學(xué)資源、學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行梳理，配合課題形成的教學(xué)資源、平臺(tái)共享給區(qū)內(nèi)各學(xué)校，為后續(xù)信息科技人機(jī)交互內(nèi)容的教學(xué)提供經(jīng)驗(yàn)與借鑒。

（3）對(duì)初中學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)也不僅僅局限于Scratch等模塊化編程軟件。在信息科技的項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中，通過項(xiàng)目活動(dòng)任務(wù)要求的布置、明晰，對(duì)工作步驟的優(yōu)化，其實(shí)也體現(xiàn)了計(jì)算思維中的抽象、建模的核心。

2.建議

（1）編程教育的目標(biāo)不僅僅是教會(huì)學(xué)生編程，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的思維。后續(xù)將思考如何超越傳統(tǒng)的編程教育，將編程、計(jì)算思維與工程思維進(jìn)行結(jié)合，通過跨學(xué)科、STEM的方式從信息科技學(xué)科的計(jì)算思維培養(yǎng)拓展到生活中用計(jì)算思維解決問題的能力。

（2）盡管課題組驗(yàn)證了Scratch編程教育對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)有一定幫助，但由于課題僅開展了兩年時(shí)間，僅對(duì)學(xué)習(xí)了一年的學(xué)生進(jìn)行了測量，因此后續(xù)還要通過長期的跟蹤觀察，來綜合評(píng)估學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)際效果。

（3）隨著教育部《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》的出臺(tái)，初中也需要在目前模塊化編程的基礎(chǔ)上，開展人工智能編程語言Python的探索，為后續(xù)編程教育的進(jìn)一步推進(jìn)打好基礎(chǔ)。