基于Scratch編程教學(xué)的計算思維培養(yǎng)研究

張漢城

計算思維是當(dāng)今三大科學(xué)思維之一，在教學(xué)中的運用越來越受到教育單位的重視。雖然早已存在，但其被廣泛認同的定義直到2006年3月才被周以真教授提出：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。在編程教學(xué)中重視計算思維培養(yǎng)，可提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

Scratch是一款由麻省理工學(xué)院（MIT）設(shè)計開發(fā)的少兒編程工具，筆者結(jié)合Scratch的教學(xué)，談?wù)勅绾闻囵B(yǎng)計算思維中常見的約簡思維、轉(zhuǎn)化思維和啟發(fā)思維。

一、建構(gòu)模型，培養(yǎng)約簡思維

計算思維的目的在于解決問題，而解決問題的起點在于確定問題。在編程教學(xué)中，問題的確定往往是通過建構(gòu)模型的方式實現(xiàn)的，即把自然語言描述的問題變成計算機能夠處理的模型。這一過程具有很強的抽象性，更要求教師注重約簡思維的滲透，將易于理解的生活情境置于導(dǎo)入環(huán)節(jié)，借助學(xué)習(xí)單讓學(xué)生建構(gòu)出問題模型。

對Scratch而言，授課對象為8～16歲的學(xué)生。根據(jù)此年齡段學(xué)生的認知能力特點，將程序設(shè)計的學(xué)習(xí)置于學(xué)生熟悉的生活情境，不但有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且更易于讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)任務(wù)，并得到情感、態(tài)度與價值觀的升華。如，《玩轉(zhuǎn)賽道小車》課始，在觀看世界級的四驅(qū)車大賽視頻之后，筆者讓學(xué)生結(jié)合玩四驅(qū)車的經(jīng)歷，談?wù)勊尿?qū)車在賽道中行駛的特點，了解編程參照對象運動特點，初步掃清思維障礙；然后，匯總小車智能行駛必須解決的問題，明確學(xué)習(xí)任務(wù)，并讓學(xué)生意識到本課不僅是在學(xué)習(xí)Scratch程序的設(shè)計，還在參與現(xiàn)實社會熱點問題——智能行駛汽車的設(shè)計研究，瞬間使學(xué)生對問題的解決變得更加期待，為學(xué)生約簡思維的培養(yǎng)營造了良好的氛圍。

明確學(xué)習(xí)任務(wù)后，還需要幫助學(xué)生將學(xué)習(xí)任務(wù)細化成能夠運用計算機求解的模型。筆者為此設(shè)計了一種適合兒童約簡思維訓(xùn)練的學(xué)習(xí)單，將學(xué)習(xí)任務(wù)進一步細化，分析任務(wù)中涉及哪些對象、每個對象包含哪些動作效果，進而建構(gòu)出計算機能夠解決的模型。在動作效果分析中，還注重學(xué)生自然語言描述的規(guī)范性訓(xùn)練，強化對循環(huán)、選擇和順序三種算法控制結(jié)構(gòu)的認識。借此學(xué)習(xí)單，學(xué)生思維逐步理順，需要完成的每步操作更加清晰，約簡思維自然得到很好的培養(yǎng)。

二、化難為易，培養(yǎng)轉(zhuǎn)化思維

計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化。學(xué)生在明白“做什么”之后，還需要讓計算機知道“怎么做”。為此，如何把一個看起來困難的問題重新闡述成一個我們知道怎樣解決的問題，就是轉(zhuǎn)化思維的培養(yǎng)重點?？梢酝ㄟ^聚焦指令、代入角色等方式，將復(fù)雜問題各個擊破，從而使之轉(zhuǎn)化為能夠用計算機處理的形式。

編程教學(xué)中，對新指令塊的學(xué)習(xí)理解屬于教學(xué)重點。如果讓學(xué)生聚焦新指令塊的使用環(huán)境，以提問方式逐步引導(dǎo)，直至其發(fā)現(xiàn)相關(guān)指令塊，在體驗轉(zhuǎn)化的過程中掌握使用要點，就可以讓學(xué)生學(xué)得更深入、理解更透徹。如，小車在賽道中智能行駛，關(guān)鍵要借助“顏色……碰到顏色……”指令塊實現(xiàn)判斷。筆者讓學(xué)生關(guān)注賽道背景圖并進行思考：①觀察封閉賽道，以及賽道外側(cè)背景和內(nèi)側(cè)背景的顏色；②判斷小車需要返回賽道的情況；③找找能讓小車判斷該返回賽道的指令塊。這樣指引學(xué)生抽絲剝繭般將小車需要返回賽道前的判斷轉(zhuǎn)化為左前輪碰到賽道外側(cè)顏色、右前輪碰到賽道內(nèi)側(cè)顏色兩種狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)此判斷的程序指令塊——偵測類別中的“顏色……碰到顏色……”。通過聚焦指令，形象的表達轉(zhuǎn)化為抽象的指令塊，思維的難度得到降低，轉(zhuǎn)化思維培養(yǎng)更顯成效。

編程教學(xué)中，學(xué)生要學(xué)會賦予計算機中的角色一定的程序，讓它們按照要求動起來。如果角色動作較為簡單，學(xué)生編程時就得心應(yīng)手；而如果角色動作較為復(fù)雜，學(xué)生編程時就常抓耳撓腮。但是，如果引導(dǎo)學(xué)生把自己想象成Scratch編程中的角色，按照問題要求進行運動，往往會有意想不到的收獲。如，在教學(xué)小車該往哪個方向旋轉(zhuǎn)時，筆者請三位學(xué)生到講臺前，左右兩邊的學(xué)生分別扮演賽道外側(cè)、賽道內(nèi)側(cè)，中間的學(xué)生扮演小車，并按照前進方向兩手分別扮演小車的左、右前輪。當(dāng)筆者說出“當(dāng)左前輪碰上賽道外側(cè)背景的白色”時，扮演小車的學(xué)生做出向扮演賽道外側(cè)背景學(xué)生傾斜的動作。筆者順勢提問：“小車該向哪個方向旋轉(zhuǎn)呢？”全班學(xué)生馬上知道要向相反方向旋轉(zhuǎn)，“向右旋轉(zhuǎn)……度”指令塊就水到渠成了。通過這樣的方法，學(xué)生體驗得到增強，思維也順利實現(xiàn)轉(zhuǎn)化訓(xùn)練，難點便不攻自破了。

三、糾錯優(yōu)化，培養(yǎng)啟發(fā)思維

編程教學(xué)中，隨著腳本搭建的完成，檢查程序運行能否與預(yù)期情況一致便提上日程，糾錯與優(yōu)化就成為主旋律。在這不確定性因素很多的階段，學(xué)生將面臨更大挑戰(zhàn)。為此，要注重啟發(fā)思維訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想、領(lǐng)悟，讓啟發(fā)思維成為一種常態(tài)。

當(dāng)腳本運行結(jié)果與預(yù)期情況不相符時，糾錯便開始了。由于Scratch軟件的特點，出現(xiàn)的錯誤往往是更具隱蔽性的邏輯錯誤。因此，筆者采取“大膽假設(shè)→小心求證”的啟發(fā)思維訓(xùn)練模式：“大膽假設(shè)”指針對程序調(diào)試中觀察到的非預(yù)期現(xiàn)象進行啟發(fā)，鼓勵學(xué)生勇敢地猜想可能產(chǎn)生問題的要素；“小心求證”指針對可能產(chǎn)生問題的要素進行啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生在盡可能排除干擾的情況下逐步調(diào)試，逐個排除懷疑對象，直至程序調(diào)試成功。如，針對小車沖出賽道這個常見錯誤，學(xué)生猜測是由車速過快、旋轉(zhuǎn)方向錯誤、旋轉(zhuǎn)角度不合理等因素引起的，并進行逐個求證。在“車速過快”的求證中，學(xué)生將“移動……步”指令塊的參數(shù)調(diào)成“1”，發(fā)現(xiàn)小車慢悠悠地在賽道中智能行駛，糾錯過程順利完成。在糾錯調(diào)試的過程中，學(xué)生再次經(jīng)歷問題解決的全過程，預(yù)設(shè)求證的啟發(fā)思維入腦入心。

腳本能夠按照預(yù)期情況執(zhí)行，代表問題得到了解決，但并不代表計算思維培養(yǎng)的結(jié)束。此時，筆者從程序是否最簡潔、執(zhí)行效果是否最合理、能否進行再創(chuàng)作等角度讓學(xué)生放飛思維，在對程序進行優(yōu)化提升的過程中達到啟發(fā)思維的再訓(xùn)練。如：學(xué)生發(fā)現(xiàn)，緊隨旋轉(zhuǎn)指令塊后面的“移動……步”指令塊不是必須的，一下子就減少了兩個指令塊的使用，使程序變得更加簡潔；學(xué)生也發(fā)現(xiàn)，通過改變旋轉(zhuǎn)的角度和移動的步數(shù)兩個參數(shù)，小車運行速度會出現(xiàn)差別；一部分同學(xué)甚至開始設(shè)計更復(fù)雜的賽道來挑戰(zhàn)自己的編程能力。整個階段，學(xué)生思維得到有效發(fā)散，程序的優(yōu)化提升更具條理性。

利用編程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，并非一朝一夕可以達成。但在小學(xué)階段充分利用Scratch編程教學(xué)，合理滲透約簡、轉(zhuǎn)化、啟發(fā)等計算思維的培養(yǎng)，能為提高學(xué)生今后學(xué)習(xí)、生活中的問題解決能力打下良好的基礎(chǔ)，從而使之成為合格的數(shù)字化公民。

（作者單位：福建省廈門市集美區(qū)內(nèi)林小學(xué)？搖？搖？搖責(zé)任編輯：莊嚴？搖？搖？搖黃曉夏）