楊桂冰 楊文娟

摘 要：在信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域，計(jì)算思維是重點(diǎn)培養(yǎng)的思維方式。中小學(xué)信息技術(shù)教師在教學(xué)實(shí)踐中滲透計(jì)算思維的培養(yǎng)，能提高學(xué)生問(wèn)題解決的能力，同時(shí)鍛煉他們的邏輯思維。本文闡述了計(jì)算思維的操作性定義，指出在小學(xué)Scratch編程教育中滲透計(jì)算思維教育的可能性。筆者從計(jì)算思維的基礎(chǔ)概念出發(fā)，以計(jì)算思維問(wèn)題解決過(guò)程的六個(gè)要素為設(shè)計(jì)依據(jù)，構(gòu)建了基于計(jì)算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式，包括“創(chuàng)設(shè)情境，明確問(wèn)題”、“角色分析，行為梳理”、“畫流程圖”、“搭建腳本，設(shè)計(jì)程序”、“修改腳本，優(yōu)化程序”以及“交流分享，再創(chuàng)作”六個(gè)流程。為了體現(xiàn)教學(xué)模式的流程設(shè)計(jì)，本文詳細(xì)講述了具體的教學(xué)案例。希望能為中小學(xué)信息技術(shù)教師開展Scratch教學(xué)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;小學(xué)信息技術(shù);Scratch編程教育;教學(xué)模式

一、引言

周以真教授在2006年提出：“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)?！盵1]在周教授定義了這個(gè)概念以后，國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)界和教育界的研究熱點(diǎn)便指向了計(jì)算思維。簡(jiǎn)單而言，計(jì)算思維就是利用簡(jiǎn)約、轉(zhuǎn)換、抽象、分解、建模、糾錯(cuò)等方法來(lái)解決一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題的過(guò)程。[2]在我國(guó)2017年新課程標(biāo)準(zhǔn)改革中，凝練了信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，同時(shí)也將計(jì)算思維定為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。因此，這一問(wèn)題非常值得我國(guó)中小學(xué)信息技術(shù)教師認(rèn)真思考——如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

二、計(jì)算思維的操作性定義

計(jì)算思維的操作性定義是在2011年，由美國(guó)國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）聯(lián)合計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）提出的?；谟?jì)算思維的表現(xiàn)性特征，他們認(rèn)為：計(jì)算思維是一個(gè)問(wèn)題解決過(guò)程，并且包括以下六個(gè)要素——明確問(wèn)題、分析數(shù)據(jù)、抽象、設(shè)計(jì)算法、評(píng)估最優(yōu)方案、遷移解決方法。[3]

（1） “明確問(wèn)題”是解決復(fù)雜問(wèn)題的前提，是指人們能夠?qū)⒋鉀Q的復(fù)雜問(wèn)題重新闡述成一個(gè)利用數(shù)字化工具能解決的問(wèn)題。（2）為了能夠順利地解決問(wèn)題，人們首先需要“分析數(shù)據(jù)”。通過(guò)合理地分析數(shù)據(jù)、組織數(shù)據(jù)，理清其中的邏輯關(guān)系，降低問(wèn)題的難度。（3）“抽象”的目的在于呈現(xiàn)分析后的數(shù)據(jù)，可以使用模型或模擬等方法。（4）在問(wèn)題解決過(guò)程中，“設(shè)計(jì)算法”是關(guān)鍵。通過(guò)設(shè)計(jì)一系列有序的步驟，解決問(wèn)題的方案就會(huì)慢慢浮現(xiàn)。（5）為了達(dá)到步驟與資源的最有效整合，還需“評(píng)估最優(yōu)方案”，找到最合理、最高效的解決方案。（6）“遷移解決方法”是指歸納、總結(jié)問(wèn)題解決的過(guò)程與方法，并將其遷移、應(yīng)用到其他問(wèn)題的解決上。所以說(shuō)，計(jì)算思維指的是一個(gè)過(guò)程，是計(jì)算機(jī)或人類借助數(shù)字化工具一步一步解決復(fù)雜問(wèn)題的過(guò)程。

三、Scratch編程教學(xué)與計(jì)算思維

在我國(guó)小學(xué)信息技術(shù)課程開展中，編程教育早已遍地開花。而Scratch編程軟件，是教師們開展編程教育應(yīng)用最普遍的教學(xué)工具。在進(jìn)行編程學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生在設(shè)計(jì)算法之前必須分析任務(wù)，明確待解決的問(wèn)題。然后，借助教師提供的學(xué)習(xí)資料，自主地設(shè)計(jì)程序以解決問(wèn)題。學(xué)生在Scratch編程的學(xué)習(xí)過(guò)程與計(jì)算思維問(wèn)題解決的過(guò)程有許多相似、共通之處。所以，可以將Scratch編程教學(xué)作為計(jì)算思維教育的有效途徑。如何在Scratch教學(xué)中滲透計(jì)算思維的培養(yǎng)，這一問(wèn)題值得中小學(xué)信息技術(shù)教師深入思考與研究。

四、基于計(jì)算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式

筆者從計(jì)算思維的基礎(chǔ)概念出發(fā)，以計(jì)算思維問(wèn)題解決過(guò)程中的六個(gè)要素為設(shè)計(jì)依據(jù)，并結(jié)合Scratch教學(xué)中采用的策略，構(gòu)建了以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為導(dǎo)向的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式（如圖1）。本教學(xué)模式包括“創(chuàng)設(shè)情境，明確問(wèn)題”、“角色分析，行為梳理”、“畫流程圖”、“搭建腳本，設(shè)計(jì)程序”、“修改腳本，優(yōu)化程序”以及“交流分享，再創(chuàng)作”六個(gè)教學(xué)流程。

該教學(xué)模式圖包含三層，中間層為教學(xué)模式設(shè)計(jì)的主要依據(jù)——計(jì)算思維問(wèn)題解決過(guò)程中的六個(gè)要素。上層為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維過(guò)程中教師“教”的流程，下層為學(xué)生在課堂中“學(xué)”的流程。教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境、提供學(xué)習(xí)工具、整理學(xué)習(xí)資源、問(wèn)題引領(lǐng)等策略，引導(dǎo)學(xué)生自主完成各個(gè)環(huán)節(jié)的小任務(wù)。隨著各環(huán)節(jié)任務(wù)的完成，學(xué)生的計(jì)算思維能力會(huì)逐漸形成。并且，隨著學(xué)生逐漸學(xué)會(huì)如何去分析問(wèn)題，他們問(wèn)題解決的能力也會(huì)有所提高。學(xué)生在具體的情境中明確問(wèn)題，通過(guò)角色分析、流程梳理來(lái)分解問(wèn)題，通過(guò)畫流程圖理清思路。設(shè)計(jì)程序解決問(wèn)題，并不斷改進(jìn)程序、優(yōu)化算法。最后，勇于分享和表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思路和創(chuàng)意，建立學(xué)習(xí)編程的信心?？偨Y(jié)問(wèn)題解決的方法和過(guò)程，并嘗試遷移到其他問(wèn)題的解決上，形成良好的計(jì)算觀念。

五、基于計(jì)算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)案例

下面以“玩轉(zhuǎn)籃球”一課為例，詳細(xì)闡述基于計(jì)算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式。在本課中，學(xué)生需要完成“玩轉(zhuǎn)籃球”作品。在作品中，小貝在聽到主持人的命令后開始轉(zhuǎn)動(dòng)籃球，進(jìn)行花式籃球的表演。

1.創(chuàng)設(shè)情境，明確問(wèn)題

本課例的情境為：“一年一屆的厚街鎮(zhèn)小學(xué)生籃球比賽在體育公園拉開帷幕，小貝作為賽前花式籃球表演的一員，為大家獻(xiàn)上了精彩的表演！”為了便于學(xué)生理解情境、激發(fā)他們的創(chuàng)作興趣，教師創(chuàng)設(shè)的情境需要更接近學(xué)生的生活與學(xué)習(xí)。通過(guò)體驗(yàn)Scratch教學(xué)實(shí)例，學(xué)生明確了本節(jié)編程課最終要實(shí)現(xiàn)的效果。在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生必須明確問(wèn)題，才能完成計(jì)算思維問(wèn)題解決的第一步。

2.角色分析，行為梳理

學(xué)生通過(guò)小組交流討論來(lái)完成“作品分析卡”，主要分析兩個(gè)問(wèn)題：（1）各個(gè)角色都有哪些動(dòng)作行為？并匹配出對(duì)應(yīng)的Scratch積木塊。利用Scratch積木塊表示出角色的動(dòng)作行為，也是在鍛煉學(xué)生抽象的計(jì)算思維能力。（2）角色與角色的行為之間是否存在一些邏輯關(guān)系？用簡(jiǎn)單的話告訴學(xué)生，也就是角色行為之間的先后關(guān)系。通過(guò)分析這兩個(gè)問(wèn)題，學(xué)生將角色的行為都進(jìn)行了分解，并且理清了中間的邏輯關(guān)系。所以，在學(xué)生分析和思考的過(guò)程中，他們分析問(wèn)題的能力和邏輯思維能力都能夠得到很好的鍛煉。

3.畫流程圖

本環(huán)節(jié)學(xué)生要完成的任務(wù)是：畫出各個(gè)角色的動(dòng)作流程圖。利用流程圖將角色所有的動(dòng)作行為按順序表示出來(lái)，能夠更容易地設(shè)計(jì)復(fù)雜程序的算法。在繪制流程圖的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維中的抽象能力，同時(shí)鍛煉他們的邏輯思維。

4.搭建腳本，設(shè)計(jì)程序

學(xué)生根據(jù)前面的分析梳理以及所畫的流程圖，拖拽積木塊進(jìn)行腳本的搭建。學(xué)生一邊搭建腳本，一邊調(diào)試作品效果。程序的編寫在不斷地思考與嘗試中逐步完成。當(dāng)學(xué)生未能成功搭建腳本時(shí)，教師引導(dǎo)其發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再繼續(xù)調(diào)整程序，提高學(xué)生設(shè)計(jì)算法的能力。

5.修改腳本，優(yōu)化程序

在本案例中，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：在現(xiàn)實(shí)生活中，表演者不能控制每次籃球旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，每次表演中籃球的旋轉(zhuǎn)次數(shù)都會(huì)不一樣，如何設(shè)置籃球的旋轉(zhuǎn)次數(shù)才更加合理呢？隨著問(wèn)題的拋出，學(xué)生開始尋找問(wèn)題解決的方法來(lái)改進(jìn)程序。通過(guò)不斷地調(diào)整與測(cè)試，優(yōu)化程序的意識(shí)會(huì)不知不覺地存在于學(xué)生的大腦中，從而培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維中優(yōu)化程序的能力。

6.交流分享，再創(chuàng)作

分享交流是Scratch教學(xué)中重要的一環(huán)。通過(guò)讓學(xué)生講述自己的設(shè)計(jì)思路和想法，能夠增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)Scratch編程的信心。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)程序創(chuàng)作的過(guò)程，慢慢培養(yǎng)學(xué)生歸納問(wèn)題解決的方法，并引導(dǎo)其將方法遷移到其他程序的創(chuàng)作當(dāng)中去。

六、反思

在運(yùn)用基于計(jì)算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式后，產(chǎn)生了不錯(cuò)的效果。學(xué)生的計(jì)算思維能力得到了提升，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力也有所提高。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題的過(guò)程中，獲得了信心和滿足，學(xué)習(xí)編程的興趣也越來(lái)越濃厚。

但是，本教學(xué)模式也還存在幾點(diǎn)問(wèn)題：（1）由于小學(xué)生感性思維占據(jù)主要部分，在作品分析時(shí)存在一定的難度，尤其是在分析角色之間的邏輯關(guān)系上。為此，教師應(yīng)該認(rèn)真思考解決辦法，為學(xué)生提供更好的“腳手架”，降低他們自主分析的難度。（2）再創(chuàng)作，體現(xiàn)的是學(xué)生對(duì)問(wèn)題解決過(guò)程的總結(jié)以及方法的遷移運(yùn)用，但概括方法對(duì)于小學(xué)生而言是過(guò)于抽象。在此環(huán)節(jié)，學(xué)生往往憑借自己的主觀認(rèn)識(shí)或者是過(guò)程中的個(gè)別環(huán)節(jié)來(lái)完成作品，忽略問(wèn)題解決的方法總結(jié)和遷移。

一個(gè)好的教學(xué)模式，需要更多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的打磨來(lái)使其更加完美。筆者在今后的信息技術(shù)教學(xué)中，必將不斷地實(shí)踐與反思，改進(jìn)本教學(xué)模式，更好地滲透計(jì)算思維的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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廣東省東莞市教育局教育科研2018年度規(guī)劃課題《基于“計(jì)算思維”的Scratch鎮(zhèn)本課程的開發(fā)與實(shí)踐》（課題編號(hào)2018GH317 ）成果之一