基于計(jì)算思維培養(yǎng)的Scratch教學(xué)

高萍

以“想象、創(chuàng)作、分享”為主題的Scratch，趣味性、易學(xué)性、實(shí)踐性、創(chuàng)新性都適合中小學(xué)生，特別是作為簡(jiǎn)單易學(xué)的編程工具，用拖動(dòng)指令塊代替敲代碼，學(xué)生可以避開(kāi)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言語(yǔ)法的學(xué)習(xí)和調(diào)試，集中精力對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，這為學(xué)生計(jì)算機(jī)思維的培養(yǎng)提供了便利條件。筆者以《大魚(yú)吃小魚(yú)》一課為例，就如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維同大家一起探討。學(xué)生此前已經(jīng)學(xué)會(huì)了Scratch中常見(jiàn)的指令塊，本節(jié)課是Scratch的綜合應(yīng)用課。課程任務(wù)是：在10秒鐘內(nèi)記錄大魚(yú)吃掉小魚(yú)的總條數(shù)。

● 利用面向?qū)ο蟮姆椒ǔ橄蟪鰡?wèn)題求解的模型

計(jì)算思維作為一種思維過(guò)程，很難用知識(shí)描述的方式顯性呈現(xiàn)出來(lái)。其中方法是計(jì)算思維的重要內(nèi)容。計(jì)算思維的方法可分為數(shù)學(xué)方法和工程方法，其中數(shù)學(xué)方法涉及抽象、遞歸、證明、形式化表達(dá)等，工程方法包括系統(tǒng)方法、分治法、面向過(guò)程和面向?qū)ο蠓椒ǖ?。教師通過(guò)這兩類方法的傳授，把有關(guān)計(jì)算思維的相關(guān)思維特征和方法分解到每一個(gè)具體的教學(xué)內(nèi)容之中。

“大魚(yú)吃小魚(yú)”游戲?qū)崿F(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，因?yàn)樗皇且粋€(gè)結(jié)構(gòu)化很強(qiáng)的問(wèn)題，沒(méi)有明確要求先做什么再做什么，前后邏輯性不是很嚴(yán)密，小魚(yú)在游，大魚(yú)也在游，時(shí)間還在走，當(dāng)小魚(yú)碰到大魚(yú)，要被吃掉，其他小魚(yú)依然不受影響，繼續(xù)游，時(shí)間繼續(xù)走。程序中出現(xiàn)了幾個(gè)并行的流程時(shí)，如何進(jìn)行任務(wù)統(tǒng)籌呢？如何貼近實(shí)際進(jìn)行程序的優(yōu)化提高效益呢？利用求解的順序步驟很難解決問(wèn)題，這需要從另外一個(gè)思路思考問(wèn)題求解的方法——面向?qū)ο蟮姆椒?。把?wèn)題抽象出“對(duì)象+觸發(fā)事件”模型，分析游戲中涉及哪些對(duì)象，這些對(duì)象的初始狀態(tài)是什么，哪些對(duì)象是靜態(tài)的，哪些對(duì)象是動(dòng)態(tài)的，動(dòng)態(tài)對(duì)象的激發(fā)事件是什么，調(diào)試運(yùn)行后，是否達(dá)到最初的預(yù)期，沒(méi)有達(dá)到如何優(yōu)化。學(xué)生從具體的事例中抽象出計(jì)算機(jī)能夠解決的模型，從而達(dá)到解決問(wèn)題的目的。

教學(xué)片段1：

師：游戲中有哪些對(duì)象？

生：一條大魚(yú)，許多條小魚(yú)，背景，被吃小魚(yú)計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器。

師：它們初始狀態(tài)是什么？

生：計(jì)數(shù)器初始化為零，計(jì)時(shí)器初始化為零。舞臺(tái)背景選擇與“海底世界”類似的畫(huà)面；大魚(yú)初始位置為隨機(jī)（如圖1）；小魚(yú)初始狀態(tài)為游動(dòng)（如圖2）。

師：分析完后，有哪些對(duì)象處于初始狀態(tài)？并思考將要發(fā)生哪些事件？

生：事件1，當(dāng)鍵盤上的方向鍵被按下的時(shí)候，大魚(yú)的游動(dòng)會(huì)發(fā)生變化；事件2，當(dāng)大魚(yú)碰到小魚(yú)的時(shí)候，小魚(yú)被吃掉，被吃小魚(yú)計(jì)數(shù)器自增1；事件3，如果計(jì)時(shí)達(dá)到10秒，游戲結(jié)束，并顯示被吃小魚(yú)的條數(shù)。

在Scratch教學(xué)中，如果教師不把分析的過(guò)程、思考的過(guò)程及優(yōu)化的過(guò)程呈現(xiàn)出來(lái)，那么學(xué)生也僅僅獲得知識(shí)，因缺乏必要的思維訓(xùn)練，他們也無(wú)法獲得舉一反三、觸類旁通的能力以及普適的技能。讓學(xué)生從本質(zhì)上和全局上來(lái)建立對(duì)問(wèn)題的解決思路，便于學(xué)生進(jìn)入到類似問(wèn)題的求解中。

● 利用約簡(jiǎn)、仿真等方法抽象出事件的處理過(guò)程

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和符號(hào)化，在Scratch數(shù)字作品創(chuàng)作過(guò)程中，無(wú)論是動(dòng)畫(huà)故事的編制還是游戲的開(kāi)發(fā)，都需要把具體的問(wèn)題抽象成符號(hào)或?qū)ο螅⑹褂弥噶顗K把相應(yīng)的問(wèn)題“計(jì)算”出來(lái)。Jeannette M.Wing教授認(rèn)為這種能將一個(gè)問(wèn)題清晰、抽象地描述出來(lái)，并將問(wèn)題的解決方案表示為一個(gè)信息處理流程的思維過(guò)程就是計(jì)算思維的訓(xùn)練過(guò)程。計(jì)算思維是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看似困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)人們知道怎樣解決的問(wèn)題。計(jì)算機(jī)模擬大魚(yú)吃小魚(yú)這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，怎樣讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真等方式進(jìn)行化難為簡(jiǎn)的過(guò)程，體會(huì)計(jì)算思維的本質(zhì)——抽象和自動(dòng)化，是計(jì)算思維培養(yǎng)的突出表現(xiàn)。

教學(xué)片段2：

師：大魚(yú)（碰到鍵盤上的方向鍵）觸發(fā)什么事件？

學(xué)生操作如圖3所示。

師：如何模擬大魚(yú)吃掉小魚(yú)的情境。現(xiàn)實(shí)中看到的場(chǎng)景是大魚(yú)張開(kāi)嘴巴，小魚(yú)消失……

生：可以使用“碰到”大魚(yú)的時(shí)候，小魚(yú)“隱藏”的方式，模擬小魚(yú)被吃掉的場(chǎng)景（如圖4）。

師：很好，同學(xué)們已經(jīng)學(xué)會(huì)使用“仿真”方式來(lái)解決問(wèn)題。其實(shí)計(jì)算機(jī)仿真是一種很好的思路。例如，實(shí)體機(jī)器人因?yàn)槌杀靖?，難以普及，所以市場(chǎng)上出現(xiàn)了仿真機(jī)器人，也能讓初學(xué)者體驗(yàn)到機(jī)器人的搭建和傳感器應(yīng)用等功能。當(dāng)時(shí)間達(dá)到規(guī)定時(shí)間10秒時(shí)，游戲結(jié)束。

學(xué)生執(zhí)行如圖5所示操作。

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生對(duì)實(shí)現(xiàn)大魚(yú)游動(dòng)的程序進(jìn)行了簡(jiǎn)化，抽象出通過(guò)按鍵控制大魚(yú)橫縱坐標(biāo)值的變化，大魚(yú)吃小魚(yú)的場(chǎng)景，仿真為小魚(yú)碰到大魚(yú)時(shí)則消失，并抽象為Scratch功能塊——隱藏，計(jì)數(shù)變量自增1。學(xué)生在觸發(fā)事件的處理過(guò)程中，不斷使用簡(jiǎn)化、仿真等計(jì)算思維的方法把現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成Scratch的功能塊，從而達(dá)到利用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的目的。

● 利用糾錯(cuò)優(yōu)化調(diào)試程序

計(jì)算思維是通過(guò)冗余、賭錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，在最壞的情況下進(jìn)行預(yù)防、保護(hù)和恢復(fù)的一種思維。當(dāng)學(xué)生在Scratch中編寫腳本進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，糾錯(cuò)優(yōu)化是始終伴隨其中的。當(dāng)學(xué)生運(yùn)行程序發(fā)現(xiàn)與預(yù)期的情況不同時(shí)，糾錯(cuò)的行為就開(kāi)始了，他們會(huì)去尋找到底哪里出現(xiàn)了問(wèn)題，糾錯(cuò)就是通過(guò)測(cè)試和調(diào)試去實(shí)現(xiàn)，而糾錯(cuò)同樣是計(jì)算思維的重要概念之一。

教學(xué)片段3：

師：在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)小魚(yú)游動(dòng)的畫(huà)面非常機(jī)械，如何改進(jìn)？

生：在小魚(yú)游動(dòng)的程序中，添加 可以使小魚(yú)游動(dòng)的畫(huà)面更加自如。

師：當(dāng)小魚(yú)隱藏后，游戲重新開(kāi)始時(shí)，原先被吃掉的小魚(yú)不再出現(xiàn)，那么如何修改？

生：在小魚(yú)初始化程序塊中添加。

師：上述實(shí)現(xiàn)的是一條小魚(yú)，實(shí)際情況中，應(yīng)該有好多小魚(yú)，那么如何修改？

生：其他小魚(yú)與第一條小魚(yú)的不同點(diǎn)是外觀不同（大小、形狀、顏色），相同點(diǎn)是功能相同（來(lái)回游動(dòng)，碰到大魚(yú)消失）。

師：外觀不同，可以通過(guò)選擇圖庫(kù)中不同的角色，也可以復(fù)制原角色，利用Scratch自帶的圖片編輯工具填充不同的顏色區(qū)域。功能相同意味著腳本相同，可復(fù)制獲得，利用代碼復(fù)制可以簡(jiǎn)化編程工作。調(diào)試運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)復(fù)制腳本能讓許多小魚(yú)具有相同的位置和狀態(tài)。這么多小魚(yú)不可能從同一點(diǎn)出發(fā)，不符合實(shí)際情況。利用隨機(jī)數(shù)字模塊可以解決小魚(yú)起點(diǎn)出現(xiàn)在相同位置的問(wèn)題。

在《大魚(yú)吃小魚(yú)》一課中，當(dāng)學(xué)生完成了大魚(yú)吃一條小魚(yú)的任務(wù)，吃其他小魚(yú)的情況，要重復(fù)做嗎？在同類問(wèn)題再出現(xiàn)時(shí)，算法思維就可以介入，沒(méi)必要每次從頭思考，而是采用每次都行之有效的解決方案。看到問(wèn)題的核心——各小魚(yú)的觸發(fā)事件相同，所以在Scratch中通過(guò)復(fù)制角色，就可以完成許多“功能”小魚(yú)的制作。如此設(shè)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)每條小魚(yú)的“初始狀態(tài)”相同，這不符合實(shí)際情況。為了更加逼真體現(xiàn)，筆者用隨機(jī)數(shù)設(shè)定小魚(yú)們出現(xiàn)的位置，同樣，調(diào)試糾錯(cuò)的訓(xùn)練也出現(xiàn)在小魚(yú)游動(dòng)的程序塊中。

人之發(fā)展，首在思維，因此培養(yǎng)人的科學(xué)思維能力必然是教育的核心內(nèi)容。思維的培養(yǎng)不可能研究思維本身，只能借助載體來(lái)表達(dá)思維，從而揭示思維的內(nèi)在實(shí)質(zhì)?？茖W(xué)的思維方式不是先天生成的，需要后天的培養(yǎng)，如數(shù)學(xué)課中的邏輯思維、物理課中的實(shí)證思維。反過(guò)來(lái)，具備了某種思維能力的人，也會(huì)影響自身的行為模式。要想計(jì)算思維成為大眾的基本技能和普適思維，要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的培養(yǎng)，更需要思維訓(xùn)練的載體。作為基礎(chǔ)教育中的信息技術(shù)課程，其具備了得天獨(dú)厚的條件——學(xué)生可以近距離接觸計(jì)算機(jī)科學(xué)。本文中的Scratch教學(xué)就是一次有益的嘗試，通過(guò)一節(jié)Scratch綜合應(yīng)用課，讓學(xué)生親歷了面向?qū)ο蠼鉀Q問(wèn)題的方法，簡(jiǎn)化、仿真等抽象手段實(shí)現(xiàn)觸發(fā)事件的過(guò)程，最后通過(guò)調(diào)試來(lái)糾錯(cuò)優(yōu)化程序塊。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下不斷思考如何解決問(wèn)題并親歷計(jì)算思維之抽象及自動(dòng)化的本質(zhì)。