讓“計(jì)算思維”在Scratch實(shí)例教學(xué)中落地生根

趙輝

在已出版的Scratch教材《游俠傳》的序言中有一段話：在創(chuàng)作Scratch作品的時(shí)候，并不只是要求學(xué)生學(xué)習(xí)如何編寫計(jì)算機(jī)程序，而是學(xué)習(xí)如何創(chuàng)造性地思考，如何系統(tǒng)化地推理，而這些都是未來他們獲得成功和人生幸福的核心能力。計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科的核心思維，在Scratch實(shí)例教學(xué)中融入“計(jì)算思維”的思想，能有效地訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)其解決具體問題的能力。計(jì)算思維的具體內(nèi)容包括思維與歸納、程序與算法、抽象與自動(dòng)化、分解與建模、測(cè)試和調(diào)試等。根據(jù)Scratch課程的目標(biāo)，筆者篩選出計(jì)算思維中的抽象、分解、算法、糾錯(cuò)和歸納五個(gè)核心要素開展教學(xué)實(shí)踐，并結(jié)合Scratch實(shí)例教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出Scratch實(shí)例編程教學(xué)的常規(guī)教學(xué)流程圖（如圖1）。

Scratch課程的內(nèi)容不能枯燥地講解算法知識(shí)點(diǎn)，教師應(yīng)該把知識(shí)點(diǎn)滲透到各個(gè)實(shí)例中，由一個(gè)個(gè)鮮活的實(shí)例層層遞進(jìn)知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生通過制作實(shí)例來學(xué)習(xí)編程，體驗(yàn)一個(gè)程序完整的開發(fā)過程，知道計(jì)算機(jī)程序解決問題的方法，從而發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。所以，教學(xué)實(shí)例的選擇必須注重從學(xué)生的實(shí)際生活出發(fā)，提煉生活中的問題，貼近學(xué)生的認(rèn)知，對(duì)案例的熟悉度和理解程度是對(duì)實(shí)例抽象和分解的基礎(chǔ)。筆者就以《口算軟件》為例，談?wù)凷cratch實(shí)例教學(xué)中滲透計(jì)算思維本質(zhì)教育的一般操作流程和策略方法。

抽象建模，形成思維

所謂抽象，是指通過忽略可有可無的細(xì)節(jié)來降低難度。將一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)變成為計(jì)算機(jī)可以處理的問題。抽象是選擇案例后實(shí)施編程前的一項(xiàng)重要工作，學(xué)會(huì)抽象可以更容易找到Scratch編程的切入點(diǎn)，更好地理清程序規(guī)則。

1.情境模擬，化抽象為具體

教師根據(jù)實(shí)例內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)任務(wù)情境，并讓學(xué)生扮演角色模擬情境過程，在高度仿真的情境中感受程序抽象問題，讓抽象問題具體呈現(xiàn)出來。

首先筆者通過情境模擬二年級(jí)學(xué)生舉辦一個(gè)口算大賽。模擬過程：讓2位學(xué)生帶上頭飾，一位扮演二年級(jí)的學(xué)生，一位是扮演電腦小博士。教師說開始，并請(qǐng)電腦小博士出一道2個(gè)數(shù)相加和為20以內(nèi)的加法題，學(xué)生回答問題，電腦小博士思考后說：“恭喜！答對(duì)了”或“答錯(cuò)了！加油哦！”（如圖2）。筆者接下來讓學(xué)生“玩”程序，把剛才的仿真情境在電腦中重演一遍。隨后筆者提出問題：①程序里有幾個(gè)角色？②表演中的“學(xué)生”角色在哪里？學(xué)生經(jīng)過初步判斷得出四個(gè)角色分別是電腦小博士、加數(shù)、被加數(shù)、答案，后面是舞臺(tái)背景，里面包括“口算大賽”“+”“=”等元素。但這僅僅是理清了一部分角色，其中加數(shù)、被加數(shù)和答案并非是角色，這為后面埋下伏筆。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生觀察和思考后，得出表演中的實(shí)際角色“學(xué)生”就是軟件的使用者，在程序中可以不用出現(xiàn)。

用模擬情境的方式導(dǎo)入大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生在“玩”中感知程序的操作方法及各對(duì)象的關(guān)系，從而把抽象的程序變得具體，并可以“觸摸”。

2.思維導(dǎo)圖，從無形到有形

思維導(dǎo)圖能很好理清程序中角色的關(guān)系，讓學(xué)生一目了然地了解現(xiàn)實(shí)生活和計(jì)算機(jī)世界的聯(lián)系，學(xué)會(huì)把無形的思維過程轉(zhuǎn)化為直觀有形的導(dǎo)圖。筆者通過情境模擬，并以問答的形式，引導(dǎo)學(xué)生思考程序所需要的角色；讓學(xué)生仔細(xì)觀察舞臺(tái)上的加數(shù)和被加數(shù)，使其發(fā)現(xiàn)每次重新出題時(shí)，加數(shù)和被加數(shù)發(fā)生變化。像加數(shù)和被加數(shù)這樣在程序運(yùn)行過程中沒有固定的值，隨時(shí)發(fā)生變化的量，稱為變量。從而引出本節(jié)課的重點(diǎn)——變量。筆者出示程序的思維導(dǎo)圖（如圖3），并層層提問，引導(dǎo)學(xué)生思考問題的關(guān)鍵點(diǎn)。以“圖”的方式來整體規(guī)劃，將現(xiàn)實(shí)生活中的對(duì)象與計(jì)算機(jī)要處理的對(duì)象一一對(duì)應(yīng)，化無形為有形。

分解問題，理清思維

計(jì)算思維中分解的概念是把一個(gè)看起來困難的問題重新闡釋成我們知道怎樣去解決的問題。經(jīng)過分解后，這些零散的部分才能夠被理解和解決，從而降低大型實(shí)例的設(shè)計(jì)難度。學(xué)生通過分解問題，理清每個(gè)角色的動(dòng)作與編程思路，將難點(diǎn)進(jìn)行分解并一一突破，從而從無序狀態(tài)中脫離出來，找到解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)。

1.簡(jiǎn)化自然語(yǔ)言，分解出程序步驟

筆者引導(dǎo)學(xué)生通過抓重點(diǎn)詞的方法，去葉存枝，有效地把握程序運(yùn)行的方向，這樣制作范例時(shí)思路會(huì)更加清晰。經(jīng)過抽象建模，筆者要求學(xué)生根據(jù)思維導(dǎo)圖，對(duì)編輯過程進(jìn)行自然語(yǔ)言描述。簡(jiǎn)化學(xué)生的自然語(yǔ)言描述，最后圈出重點(diǎn)詞：出題目、詢問、回答、思考、說。經(jīng)筆者引導(dǎo)后得出：“回答”是程序操作的個(gè)人行為。最后分解得出電腦小博士的程序步驟：出題目→詢問→判斷→說。

2.拆分執(zhí)行效果，細(xì)化出腳本模塊

學(xué)生操作程序并仔細(xì)觀察確定程序的四個(gè)主要問題，再在此基礎(chǔ)上細(xì)化出所需要的模塊：①加數(shù)和被加數(shù)的數(shù)值范圍如何賦值？②詢問框和答案如何顯示？③正確答案是如何計(jì)算出來的？④何時(shí)說“對(duì)了”或者“錯(cuò)了”？

其中問題④最復(fù)雜，它是電腦小博士的思考過程，也是步驟中的第三步“判斷”。為了幫助學(xué)生理清規(guī)則，筆者讓他們描述電腦小博士的思考過程，利用語(yǔ)文中“如果……否則……”的關(guān)聯(lián)詞來造句，從而理解條件判斷語(yǔ)句。

師：這個(gè)條件判斷的條件是什么？

生：題目回答正確。

師：怎么樣才算回答正確呢？（這也是比較難以理解的，因?yàn)閷W(xué)生難以體會(huì)到電腦的思考過程是如何）什么情況下算答對(duì)？

生：答案與回答進(jìn)行比較時(shí)。

從而教師引出邏輯運(yùn)算符腳本模塊：等于號(hào)（=）。最后，將其梳理為“當(dāng)……時(shí)，角色會(huì)……”的Scratch語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，得出使用判斷腳本模塊。當(dāng)答案和回答相等時(shí)，電腦小博士會(huì)說“答對(duì)了”！否者會(huì)說“答錯(cuò)了”！分析一系列問題后，學(xué)生細(xì)化腳本模塊。

提煉算法，訓(xùn)練思維

算法是通過一種清晰定義的步驟來解決問題的方法。之前抽象和分解起到了鏈接自然描述語(yǔ)言和軟件編程語(yǔ)言的作用。在此基礎(chǔ)上，要針對(duì)每個(gè)小問題，形成解決問題的算法。此時(shí)放手讓學(xué)生在Scratch中進(jìn)行程序設(shè)計(jì)是很困難的，因?yàn)榉种Ш脱h(huán)很難表達(dá)清楚，為此筆者借助流程圖突破重難點(diǎn)來提煉算法。

1.流程圖護(hù)航，自主“擺弄”

“擺弄”是Scratch編程學(xué)習(xí)的精髓。由于學(xué)生設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，所以筆者給出流程圖（如圖4），這樣能更有效、更規(guī)范地描述算法，引導(dǎo)學(xué)生在Scratch中找到相應(yīng)的代碼塊。學(xué)生已經(jīng)知道所需的腳本模塊，通過流程圖和所需模塊，嘗試自主搭建，體驗(yàn)“擺弄”模塊的樂趣。學(xué)生通過細(xì)化腳本模塊，查看流程圖，思路基本形成，這為自主完成奠定了基礎(chǔ)，為自主學(xué)習(xí)提供了支點(diǎn)。

2.重難點(diǎn)突破，吃透算法

“口算軟件”的重難點(diǎn)是：搭建條件判斷語(yǔ)句，從而對(duì)變量有初步的認(rèn)識(shí)。為了解決“條件如何搭建”的問題，學(xué)生展開了激烈的討論，并討論得出了多種算法設(shè)計(jì)。雖然不同的算法執(zhí)行的效果會(huì)略有差別，但重要的是學(xué)生在討論和不斷擺弄的過程中，拓展了思路，發(fā)展了計(jì)算思維，這才是教師期望達(dá)到的目的。案例中要讓程序自動(dòng)出題，需要利用循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過比對(duì)執(zhí)行效果，學(xué)生會(huì)非常容易理解循環(huán)算法，并能合理利用。

糾錯(cuò)調(diào)試，鞏固思維

“糾錯(cuò)”是Scratch教學(xué)中另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，貫穿了整個(gè)課程的學(xué)習(xí)過程。從學(xué)生設(shè)計(jì)腳本程序時(shí)，糾錯(cuò)的行為就始終伴隨著，更體現(xiàn)了“擺弄”的重要性。學(xué)生在調(diào)試作品時(shí)，需要像計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序一樣去思考執(zhí)行語(yǔ)句，理解執(zhí)行每一步模塊應(yīng)該出現(xiàn)的現(xiàn)象，并與實(shí)際的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)現(xiàn)效果與預(yù)想的有偏離時(shí)，就要不斷地糾錯(cuò)，調(diào)整程序，采用不同的算法實(shí)現(xiàn)效果，在“構(gòu)思—編程—測(cè)試—調(diào)試”的過程中進(jìn)行糾錯(cuò)，反復(fù)磨練，這樣學(xué)生不僅在知識(shí)、技能上會(huì)有進(jìn)步，在計(jì)算思維上也會(huì)有所提升。

1.閱讀腳本，糾錯(cuò)更自主

閱讀是人類的基本技能之一，但在信息技術(shù)教學(xué)中常常被忽視，在程序調(diào)試時(shí)，它是一種行之有效的方法。隨著程序?qū)W習(xí)的深入，學(xué)生發(fā)現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤，想要尋找問題的根源，卻因?yàn)槌绦虼a模塊數(shù)量的增加而無法找到出錯(cuò)代碼。為此，筆者引導(dǎo)學(xué)生一邊讀代碼，一邊添加“注釋”，這是一種糾錯(cuò)思維，也很好地解決了問題腳本定位的問題。例如，邊讀“口算軟件”腳本邊注釋?！包c(diǎn)擊綠旗開始，將變量加數(shù)和被加數(shù)賦值為0到20之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)值”（注釋：出題）；“如果加數(shù)+被加數(shù)=回答”（注釋：判斷）；“就詢問請(qǐng)回答并等待”（注釋：詢問）；“如果正確‘恭喜，答對(duì)了’，否則就說‘答錯(cuò)了，加油’”（注釋：說）。這是一道題目的出題過程，要讓程序重復(fù)出題，則需要再讓這段程序腳本重復(fù)執(zhí)行。學(xué)生經(jīng)過讀一讀和注釋后，再加上教師的引導(dǎo)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)腳本中的錯(cuò)誤，不斷調(diào)整角本。

2.小組協(xié)作，調(diào)試更有效

教師為學(xué)生提供如何調(diào)試程序的學(xué)習(xí)單。對(duì)“口算軟件”這個(gè)程序先進(jìn)行調(diào)試，觀察并記錄錯(cuò)誤的現(xiàn)象，找出錯(cuò)誤語(yǔ)句后，學(xué)生相互討論，分析解決這些問題的方法，修改程序，重復(fù)調(diào)整的環(huán)節(jié)，直到程序完全正確。

例如，在《口算軟件》教學(xué)中，程序出現(xiàn)不能正常出題，或者出題內(nèi)容不是1到20之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，學(xué)生應(yīng)該先找到問題語(yǔ)句，并對(duì)其進(jìn)行分析，填寫糾錯(cuò)學(xué)習(xí)單（如表1），記錄程序中的錯(cuò)誤現(xiàn)象和錯(cuò)誤語(yǔ)句，再考慮“如何修正”；如果不會(huì)修正，則可以通過小組協(xié)作來解決問題，或者請(qǐng)教師單獨(dú)指導(dǎo)調(diào)試。學(xué)生通過對(duì)程序的糾錯(cuò)調(diào)試，不僅鍛煉了自身的計(jì)算思維能力，而且對(duì)知識(shí)進(jìn)行了鞏固，為拓展埋下了伏筆。

歸納總結(jié)，沉淀思維

歸納是去情境化的過程，讓學(xué)生剝離實(shí)例學(xué)習(xí)所運(yùn)用的各種編程技巧和方法，能通過類比的方法，把握共性問題，將一個(gè)問題的解決方法遷移到另一個(gè)問題中，形成一種內(nèi)在的思維能力。經(jīng)過前面四步，學(xué)生已經(jīng)初步形成了計(jì)算思維能力，但這種思維能力并不成熟和穩(wěn)定，需要在教師的引導(dǎo)和任務(wù)支配下才能完成，因此，學(xué)生需要借助歸納、實(shí)踐來強(qiáng)化和鞏固學(xué)習(xí)結(jié)果。

1.分析方案，再用變量歸納總結(jié)

經(jīng)過這種去情境化的過程后，學(xué)生就可以接受更多的挑戰(zhàn)性任務(wù)，進(jìn)行創(chuàng)意計(jì)算作品的自由創(chuàng)作。本節(jié)課主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容是“變量”應(yīng)用，變量強(qiáng)大的功能為學(xué)生提供了挑戰(zhàn)性的任務(wù)，讓學(xué)生的創(chuàng)新力超前發(fā)展，使其在實(shí)現(xiàn)想法過程中獲得成功的喜悅。教師再增加拓展環(huán)節(jié)：我們?yōu)椤翱谒丬浖碧睃c(diǎn)功能吧，為腳本添加一個(gè)“評(píng)分方案”。學(xué)生思考變量的起始分值和分值變化，并填寫完成表2。再創(chuàng)作為程序的升級(jí)環(huán)節(jié)，筆者通過一系列的問題和表格來引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用變量控件解決問題。在創(chuàng)作的過程中，學(xué)生不僅要對(duì)變量進(jìn)行識(shí)記和理解，更需要對(duì)變量進(jìn)行深入的分析和靈活的運(yùn)用，這對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維提出了更高的要求。

2.作品展示，分享、交流、沉淀思維

作品展示是對(duì)學(xué)生的肯定，也是學(xué)生再學(xué)習(xí)的一種方式。學(xué)生介紹作品，不僅是展示自己的機(jī)會(huì)，也是對(duì)知識(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)。經(jīng)過思考和學(xué)習(xí)后，學(xué)生的作品比原來更有想法、更豐滿了（如圖5）。學(xué)生在分享和交流中，不僅鍛煉了語(yǔ)言表達(dá)能力，理清了思路，也獲得了快樂，沉淀了思維。

教無定法，教師只有在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)融入計(jì)算思維，不斷地改善自己的程序設(shè)計(jì)教學(xué)策略，提高學(xué)生學(xué)習(xí)編程的熱情和積極性，才能讓學(xué)生在自主、協(xié)作、交流、分享的過程中，促進(jìn)思維的發(fā)展，才能讓“計(jì)算思維”在編程實(shí)例教學(xué)中落地生根，讓每一位學(xué)生學(xué)會(huì)創(chuàng)造性地思考。