運(yùn)用Scratch培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維策略研究

劉軍 張繼蓉 王毅 朱毅 易穎穎

摘 ?要 結(jié)合某中學(xué)七年級(jí)信息技術(shù)課程算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一份運(yùn)用Scratch培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)方案，通過教學(xué)實(shí)施、教學(xué)評(píng)價(jià)，得到運(yùn)用Scratch培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維的策略。

關(guān)鍵詞 Scratch;中學(xué)生;信息技術(shù)課程;核心素養(yǎng);計(jì)算思維

中圖分類號(hào)：G633.67 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）17-0033-04

1 引言

計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)[1]。作為信息技術(shù)新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的學(xué)科核心素養(yǎng)的核心要素之一，計(jì)算思維的培養(yǎng)在中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中具有極其重要的地位和作用，也是國內(nèi)外基礎(chǔ)教育和信息技術(shù)教育領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。

培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維的重要途徑是開展程序設(shè)計(jì)語言教學(xué)[2]。傳統(tǒng)的中學(xué)信息技術(shù)課程，程序設(shè)計(jì)語言主要是 VB、C語言等，教學(xué)內(nèi)容以講解語法和程序設(shè)計(jì)方法為主，存在教學(xué)枯燥乏味、脫離實(shí)際，代碼編寫晦澀難懂、學(xué)習(xí)困難，難以開發(fā)有趣、有用的軟件等問題。Scratch是一款易學(xué)易用、面向青少年的編程語言，其可視化、積木式的程序設(shè)計(jì)開發(fā)方式將學(xué)生從算法和語法的困境中拯救出來，讓其專注于創(chuàng)新與設(shè)計(jì)，使學(xué)生學(xué)習(xí)編程變得更加簡(jiǎn)單、更有樂趣、更有信心，為學(xué)生編程和計(jì)算思維的發(fā)展提供一種新穎的解決方案。

本文以貴州省印江思源實(shí)驗(yàn)學(xué)校七（3）班信息技術(shù)課程教學(xué)為例，在對(duì)算法和程序設(shè)計(jì)部分的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合Scratch的具體特點(diǎn)和信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)如何運(yùn)用Scratch培養(yǎng)中學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行探討。

2 用Scratch培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維教學(xué)分析

前期分析階段 ?研究對(duì)象是七（3）班全體學(xué)生，共50人。學(xué)生沒有學(xué)過Scratch軟件及相關(guān)知識(shí)，也沒有算法和編程方面的經(jīng)驗(yàn)。從年齡特點(diǎn)分析，七年級(jí)學(xué)生正處于思維發(fā)展的形式運(yùn)算階段，已經(jīng)具備假設(shè)—演繹思維、抽象思維和系統(tǒng)思維。學(xué)生對(duì)信息技術(shù)課有強(qiáng)烈的好奇心、濃厚的學(xué)習(xí)興趣和較為積極的學(xué)習(xí)態(tài)度。

根據(jù)研究主題“運(yùn)用Scratch培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維”，結(jié)合計(jì)算思維的三大維度與中小學(xué)信息技術(shù)課程三維目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定教學(xué)目標(biāo)如圖1所示。

對(duì)圖1中的計(jì)算思維進(jìn)行如下分析。

1）計(jì)算概念（代碼塊）。在Scratch編程中有七個(gè)最常用的計(jì)算概念，分別是順序、循環(huán)、并行、事件、條件、運(yùn)算符和數(shù)據(jù)[3]。這七個(gè)計(jì)算概念具體表現(xiàn)如表1所示。

2）計(jì)算實(shí)踐（操作塊），側(cè)重于學(xué)生使用Scratch編程工具構(gòu)建交互式媒體的學(xué)習(xí)過程和解決問題的策略。在教學(xué)過程中，教師將重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，不再特別關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容。Scratch中四種計(jì)算實(shí)踐具體表述如表2所示。

3）計(jì)算觀念（結(jié)果塊），詳細(xì)的表述如表3所示。

教學(xué)策略制定 ?教師應(yīng)該以培養(yǎng)計(jì)算思維為中心確定教學(xué)策略[4]。為此，本研究運(yùn)用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、探究式和自主合作三種教學(xué)策略開展教學(xué)實(shí)踐。

教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì) ?本研究主要以計(jì)算思維三個(gè)維度為核心，開展對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維效果評(píng)價(jià)。為此，運(yùn)用形成性練習(xí)法、課堂觀察法、問卷調(diào)查法以及訪談法等多元化評(píng)價(jià)方式，確保教學(xué)評(píng)價(jià)更加全面、客觀、有效。

3 運(yùn)用Scratch培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐過程

教學(xué)實(shí)踐前期準(zhǔn)備

1）學(xué)情分析。通過之前多次Scratch軟件授課，學(xué)生已經(jīng)初步掌握Scratch編程操作;對(duì)于處于愛玩時(shí)期的學(xué)生來說，游戲一直是他們喜歡的活動(dòng);通過上半學(xué)期學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)熟悉軟件的語言設(shè)計(jì)和操作過程，并可以使用該軟件制作簡(jiǎn)單的小動(dòng)畫，為本次《大魚吃小魚》的分析以及自由創(chuàng)作游戲打下一定的基礎(chǔ)。

2）教學(xué)內(nèi)容。授課內(nèi)容為《大魚吃小魚》游戲制作。本團(tuán)隊(duì)為學(xué)生準(zhǔn)備了自制的電子輔助教材和課件用于Scratch編程知識(shí)的學(xué)習(xí)。

3）教學(xué)目標(biāo)。

①知識(shí)與技能目標(biāo)（計(jì)算概念）：理解計(jì)算思維的概念，掌握計(jì)算思維中邏輯設(shè)計(jì)和組件設(shè)計(jì)的一般方法，能夠運(yùn)用Scratch設(shè)計(jì)益智小游戲。

②過程與方法目標(biāo)（計(jì)算實(shí)踐）：能夠用顯示和隱藏、循環(huán)控制、碰撞偵測(cè)和變量計(jì)數(shù)知識(shí)來對(duì)游戲進(jìn)行設(shè)計(jì);通過感受Scratch游戲創(chuàng)作的過程，讓學(xué)生逐漸熟悉計(jì)算思維中的模塊、抽象和變量，能夠調(diào)試修改和完善作品;通過抽象問題把現(xiàn)實(shí)生活問題轉(zhuǎn)換為運(yùn)用Scratch軟件實(shí)現(xiàn)的編程類問題，提高學(xué)生的抽象、比較、分析、歸納能力和計(jì)算思維能力。

③情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)（計(jì)算觀念）：讓學(xué)生通過《大魚吃小魚》案例學(xué)習(xí)，在創(chuàng)作作品的過程中能夠提高表達(dá)能力和協(xié)作學(xué)習(xí)能力;讓學(xué)生養(yǎng)成在游戲過程中互相幫助的良好習(xí)慣;熟悉Scratch編程的流程與步驟，能獨(dú)立創(chuàng)作出創(chuàng)意作品。

4）教學(xué)重難點(diǎn)。

①教學(xué)重點(diǎn)：循環(huán)控制、碰撞偵測(cè)以及變量計(jì)數(shù)的應(yīng)

用;復(fù)雜腳本的編寫與程序的調(diào)試;體現(xiàn)出作品的創(chuàng)新性和個(gè)性化。

②教學(xué)難點(diǎn)：變量計(jì)數(shù)與循環(huán)控制的應(yīng)用;復(fù)雜腳本的編寫與程序的調(diào)試。

5）教學(xué)方法，包括講授法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、問題引導(dǎo)法、自主探究法、合作交流法等。

教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)過程 ?教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)過程分為六步，具體內(nèi)容如下所示。

第一步：情境導(dǎo)入，激發(fā)興趣（3 min）

1）師生活動(dòng)。

師：你們平時(shí)一進(jìn)機(jī)房就開始玩游戲，今天老師就帶著大家玩一個(gè)小游戲，看看誰在規(guī)定時(shí)間內(nèi)吃到的魚多。

教師將課前制作好的《大魚吃小魚》游戲發(fā)送到學(xué)生機(jī)上，讓學(xué)生以小組形式進(jìn)行比賽（限時(shí)1 min）。學(xué)生被游戲吸引，喚起興趣，開始玩游戲。

師：同學(xué)們，通過玩這個(gè)游戲，想一想前幾次課學(xué)習(xí)的內(nèi)容與這個(gè)小游戲在知識(shí)點(diǎn)上有哪些聯(lián)系？

學(xué)生回憶知識(shí)點(diǎn)：顯示與隱藏、碰撞偵測(cè)、變量計(jì)數(shù)、循環(huán)控制、角色，腳本的復(fù)制。讓學(xué)生回憶，有助于本節(jié)課游戲編程的學(xué)習(xí)。

2）設(shè)計(jì)意圖（計(jì)算思維能力培養(yǎng)）：通過小組比賽和最佳吃魚者的評(píng)選，激發(fā)學(xué)生的求勝欲，使學(xué)生很快融入課堂;同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)Scratch編程的興趣，讓學(xué)生掌握變量、順序、循環(huán)等計(jì)算概念。

第二步：新課講授（探究新知，腳本分析）（12 min）

整個(gè)游戲的展現(xiàn)是與角色的腳本相關(guān)聯(lián)的，通過問題引導(dǎo)學(xué)生探究分析游戲腳本，深入學(xué)習(xí)游戲制作過程。

1）師生活動(dòng)。

師：同學(xué)們打開游戲，分析腳本代碼并回答以下問題：

①在大魚吃小魚之前，大魚和小魚分別如何移動(dòng)？

②大魚吃到小魚后，大魚和小魚分別如何移動(dòng)？造型有何變化？

③計(jì)數(shù)器是怎樣計(jì)出吃到魚的條數(shù)的？

④怎么偵測(cè)大魚吃小魚？

要求各小組根據(jù)腳本分析，展開交流與討論。學(xué)生理解、分析腳本，小組交流和討論（探討并舉手回答問題）。

2）設(shè)計(jì)意圖（計(jì)算思維能力培養(yǎng)）：視覺學(xué)習(xí)和概念的結(jié)合有助于學(xué)生理解理論知識(shí)，通過學(xué)習(xí)再加上對(duì)腳本分析和組員間的交流，構(gòu)建代碼之間的聯(lián)系，提高學(xué)生計(jì)算思維的抽象能力。

第三步：寫出游戲設(shè)計(jì)思路與方案（7 min）

1）師生活動(dòng)。教師引導(dǎo)學(xué)生寫出游戲設(shè)計(jì)思路，游戲設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮游戲角色的移動(dòng)方式、計(jì)數(shù)器設(shè)置、游戲規(guī)則。學(xué)生小組討論，根據(jù)想法寫出游戲設(shè)計(jì)思路與方案，每個(gè)小組隨機(jī)報(bào)告該組的設(shè)計(jì)思路（每個(gè)小組自由舉手報(bào)告）。

2）設(shè)計(jì)意圖（計(jì)算思維能力培養(yǎng)）：培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算實(shí)踐能力（測(cè)試、調(diào)試、抽象和模塊化）。

第四步：小組協(xié)作，制作游戲（8 min）

1）師生活動(dòng)。教師要求各小組根據(jù)自己的游戲設(shè)計(jì)思路完成游戲的編程創(chuàng)作，發(fā)揮想象進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)。學(xué)生可參考已有的程序腳本，其中大魚腳本如圖2所示，小魚腳本如圖3所示。學(xué)生在制作游戲的過程中會(huì)遇到不懂、不會(huì)的問題，可向小組中的小老師請(qǐng)教，或者詢問教師以解決疑難。教師巡視指導(dǎo)，為學(xué)生解決疑難點(diǎn)。

2）設(shè)計(jì)意圖（計(jì)算思維能力培養(yǎng)）：培養(yǎng)學(xué)生在問題分析、溝通和協(xié)作方面的計(jì)算思維能力。

第五步：作品展示與交流（6 min）

1）師生活動(dòng)。教師提出，已經(jīng)完成的學(xué)生可以組內(nèi)相互玩各自的游戲并提出建議，選出小組中最優(yōu)秀的作品參加全班的作品匯報(bào)、演示講解。（匯報(bào)要求：制作的是什么游戲？游戲亮點(diǎn)在哪？腳本如何實(shí)現(xiàn)？功能如何？）作品完成后進(jìn)行提交（要求：組別+學(xué)號(hào)+姓名）。學(xué)生完成游戲制作，小組成員互玩游戲，推薦優(yōu)秀作品。

教師以小組形式報(bào)告代表作品，其他小組評(píng)估報(bào)告的作品，建議（但不限于）評(píng)估點(diǎn)：知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用，如顯示和隱藏、碰撞偵測(cè)、變量計(jì)時(shí)和循環(huán)控制的應(yīng)用;作品的創(chuàng)新創(chuàng)意度;美觀情況。學(xué)生展示作品，各小組共同成長(zhǎng)、進(jìn)步。

2）設(shè)計(jì)意圖（計(jì)算思維能力培養(yǎng)）：小組成員共同學(xué)習(xí)，同伴之間互相指出優(yōu)點(diǎn)與不足，使學(xué)生在找錯(cuò)、排錯(cuò)中提升程序測(cè)試與調(diào)試能力，培養(yǎng)學(xué)生溝通與協(xié)作、創(chuàng)意與表達(dá)、再利用和二次創(chuàng)作的能力。

第六步：課堂總結(jié)（5 min）

1）師生活動(dòng)。

師：在設(shè)計(jì)創(chuàng)作游戲過程中，你認(rèn)為最有趣的是什么？最讓你印象深刻的是什么？有誰愿意與同學(xué)們分享一下自己的感受？

部分學(xué)生舉手回答，分析他在制作游戲過程中遇到的困難和解決辦法，以及本次課的收獲。

2）設(shè)計(jì)意圖（計(jì)算思維能力培養(yǎng)）：提高學(xué)生分析問題、解決問題和抽象的能力，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力。

教學(xué)實(shí)踐效果分析

1）問卷調(diào)查。分發(fā)到七（3）班的50份問卷全部得到有效回收。前期初步調(diào)查和后期調(diào)查的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以清楚看出，Scratch的學(xué)習(xí)對(duì)提升中學(xué)生的計(jì)算思維有顯著影響。

①在計(jì)算概念方面，學(xué)生掌握了Scratch編程軟件的界面、功能和基本開發(fā)方法，能夠根據(jù)應(yīng)用需要選擇、組合相應(yīng)的指令塊，實(shí)現(xiàn)所需功能。

②在計(jì)算實(shí)踐方面，可以根據(jù)任務(wù)的要求將其分解為幾個(gè)模塊，并通過不斷設(shè)計(jì)，逐步完成自己作品的制作;能夠在別人作品的基礎(chǔ)上加以修改、補(bǔ)充，進(jìn)行再次創(chuàng)作，制作出自己的創(chuàng)意作品。

③在計(jì)算觀念方面，學(xué)生能夠通過Scratch編程表達(dá)和實(shí)現(xiàn)自己的思維和想法;當(dāng)遇到問題時(shí)，學(xué)生可以及時(shí)向同學(xué)尋求幫助，從而及時(shí)解決問題、完成作品;全班學(xué)生均按時(shí)完成并提交Scratch編程作品。

2）訪談。雖然對(duì)于計(jì)算思維發(fā)展的評(píng)價(jià)沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過學(xué)生解決問題的過程，間接地評(píng)價(jià)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展情況。為此，在Scratch可視化編程教學(xué)實(shí)踐后，訪談了隨機(jī)抽取的15位學(xué)生。訪談結(jié)果和課堂觀察表明，學(xué)生對(duì)Scratch教學(xué)很感興趣，表示收獲很大;本次教學(xué)實(shí)踐所使用的教學(xué)方式和課堂交流方式很受學(xué)生的喜愛，特別是在遇到困難時(shí)，他們會(huì)互相幫助和分享交流;在運(yùn)用Scratch創(chuàng)作作品的過程中，學(xué)生較好地表現(xiàn)出自己的思考和創(chuàng)意;全部學(xué)生按時(shí)完成任務(wù)，創(chuàng)作出自己的作品，自信心、成就感和編程興趣普遍得到提升。

4 通過Scratch教學(xué)培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維的策略和方法

結(jié)合上述教學(xué)案例，對(duì)Scratch教學(xué)培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維的策略與方法總結(jié)如下。

1）創(chuàng)設(shè)角色扮演情境，讓學(xué)生感受動(dòng)作指令的不同。在Scratch教學(xué)中讓學(xué)生扮演游戲角色，感受每一個(gè)動(dòng)作指令的功能，通過扮演不同的角色體驗(yàn)Scratch編程軟件指令塊的強(qiáng)大功能。在這個(gè)過程中，學(xué)生的計(jì)算思維得到有效培養(yǎng)。

2）抓住關(guān)鍵點(diǎn)問題，分析游戲主題。通過分析游戲腳本的活動(dòng)，讓學(xué)生了解解決問題的基本流程，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力;在創(chuàng)作作品過程中，學(xué)生分析、遴選游戲主題，然后根據(jù)游戲主題進(jìn)行角色分析、動(dòng)作腳本設(shè)計(jì)和游戲作品的創(chuàng)作，可以有效提高分析思維和邏輯思維能力。

3）模型建構(gòu)。抽象問題是中學(xué)生在學(xué)習(xí)中的一大難點(diǎn)，在Scratch教學(xué)中展示建模過程，運(yùn)用抽象思維將復(fù)雜的問題進(jìn)行簡(jiǎn)單化，這一過程可以促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維中抽象思維能力的培養(yǎng)。

4）增添角色及相應(yīng)指令塊的數(shù)量及難度。在Scratch教學(xué)實(shí)踐中，教師可以提供一些Scratch案例讓學(xué)生學(xué)習(xí)與分析，讓學(xué)生發(fā)揮想象力和邏輯思維，在原有的案例上做出改變，使其成為自己的作品，促進(jìn)學(xué)生再利用與二次創(chuàng)作的計(jì)算實(shí)踐這一計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

5）關(guān)注作品制作過程中的調(diào)試與糾錯(cuò)環(huán)節(jié)。教師要時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的動(dòng)態(tài)，提醒學(xué)生對(duì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤代碼及時(shí)糾錯(cuò)，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維中計(jì)算實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

6）設(shè)計(jì)Scratch作品交流與分享環(huán)節(jié)。在學(xué)生完成作品后，教師還要設(shè)計(jì)交流與分享這一環(huán)節(jié)。在分享Scratch作品過程中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)自己或者他人作品中的不足，提出疑問并進(jìn)行交流與探討，提高表達(dá)能力。這一環(huán)節(jié)能夠使學(xué)生計(jì)算觀念方面的能力得到有效提升。

5 結(jié)語

本研究實(shí)踐表明，作為一種易學(xué)易用的可視化編程工具，將Scratch應(yīng)用到中小學(xué)信息技術(shù)課程以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的做法是可行的。在Scratch教學(xué)中應(yīng)注意教學(xué)策略的應(yīng)用，教學(xué)中的每一環(huán)節(jié)都要滲透計(jì)算思維的思想，從而達(dá)到不僅提高學(xué)生的編程能力和信息素養(yǎng)，而且促進(jìn)其計(jì)算思維能力發(fā)展的良好效果。

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