在編程教學(xué)中融合計算思維能力的培養(yǎng)

鄭爽 魏加猛

計算思維是信息技術(shù)四大核心素養(yǎng)之一，培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要性不言而喻，計算思維的培養(yǎng)對學(xué)生今后發(fā)展較為重要，而且培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力是解決信息科技中所遇到難題的必備素質(zhì)。具備計算思維能力，是面臨各項(xiàng)挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)，是學(xué)生組織能力、邏輯思維能力、問題分析與解決能力的重要前提，而編程軟件的學(xué)習(xí)能夠有效促進(jìn)學(xué)生計算思維的發(fā)展。

計算思維與Scratch

1.計算思維

2006年周以真教授在雜志上第一次提出“計算思維”的概念。2017年《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，對計算思維的概念界定是，計算思維是個體運(yùn)用計算機(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)生的一系列的思維活動。根據(jù)以上國內(nèi)外學(xué)者對計算思維的不同理解，本文對計算思維的解讀是：具備計算思維能夠解決生活、學(xué)習(xí)中的問題，當(dāng)遇到問題后，能夠?qū)栴}進(jìn)行界定、分析，并且學(xué)會合理分析和解決問題。

Seymour Papert在20世紀(jì)80年代提出訓(xùn)練兒童思維，這實(shí)質(zhì)上是訓(xùn)練兒童的計算思維能力;有些國家或地區(qū)采用軟件、程序設(shè)計的形式培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，比如教育活動CS50課程、“編程一小時”等[1];美國普渡大學(xué)教師講授Python，通過編程概念訓(xùn)練計算思維能力[2];Angeli等人提出了小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生計算思維的課程框架，主要由抽象、一般化、分解、算法及調(diào)試五個部分組成，并分為三個等級。近幾年來，計算思維發(fā)展迅速，各個國家對培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力都很重視。

2.Scratch與計算思維的聯(lián)系

Scratch作品的制作不是一蹴而就的，而是在探索與實(shí)踐中不斷地完善與修改，作品最終的完成與學(xué)生的計算思維能力具有密不可分的關(guān)系。第一，Scratch的學(xué)習(xí)能夠體現(xiàn)學(xué)生對于腳本設(shè)計的邏輯思維能力。作品創(chuàng)作過程中，學(xué)生根據(jù)不同的主題搭建不同的效果，選擇不同的角色，添加相應(yīng)的腳本，腦海中明晰設(shè)置角色及拖動腳本的先后順序。第二，Scratch的學(xué)習(xí)能夠體現(xiàn)學(xué)生對于問題的分析能力。不同的學(xué)生在創(chuàng)作過程中會遇到不同的問題，此時分析、解決問題的能力顯得尤為關(guān)鍵，而Scratch的學(xué)習(xí)有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。第三，Scratch的學(xué)習(xí)能夠體現(xiàn)學(xué)生對于程序的不斷優(yōu)化處理能力。當(dāng)完成作品后，會出現(xiàn)執(zhí)行的效果與預(yù)想的效果不同，需要學(xué)生修改腳本參數(shù)以達(dá)到理想效果。

培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的教學(xué)實(shí)踐

本文教學(xué)實(shí)踐的理論基礎(chǔ)是基于PDCA循環(huán)理論，它最早由美國著名“統(tǒng)計質(zhì)量控制之父”休哈特首先提出，并由戴明博士完善、宣傳普及，也正因如此PDCA又被稱為“戴明循環(huán)”。

P（Plan），指的是計劃，是實(shí)施一系列行動的基礎(chǔ)。D（Do），指的是實(shí)施，是任務(wù)完成的核心。C（Check），指的是檢查，通過多元檢查不斷地完善作品。A（Action），指的是總結(jié)處理，是思維能力的進(jìn)一步升華。

Scratch編程進(jìn)入課堂，如何發(fā)揮其優(yōu)勢是值得思考的問題，通過閱讀文獻(xiàn)及教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，將一個個小的案例以項(xiàng)目的形式呈現(xiàn)，結(jié)合PDCA循環(huán)理論更能有效發(fā)揮學(xué)生自主探究的欲望。本文的教學(xué)以“畫城堡”為例。

1.Plan計劃階段

明確目標(biāo)，借助故事情節(jié)，腦海中形成任務(wù)邏輯體系。計劃階段學(xué)生需明確本節(jié)課的任務(wù)是畫城堡，學(xué)生能夠在腦海中形成故事情節(jié)，畫城堡的先后順序。如城堡是由大三角形、小三角形、長方形、正方形和門組成，定義好單個圖形之后，城堡是從左往右依次畫出。計劃階段，學(xué)生的腦海中應(yīng)理清思路，明白先后順序，形成任務(wù)的邏輯體系。

以故事情節(jié)展開不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、克服學(xué)生心中的抵觸情緒，還能讓學(xué)生懂得做事的先后順序，具有一定的邏輯性，同時鍛煉其思考與想象的能力。當(dāng)學(xué)生腦海中形成故事情節(jié)后，會懂得背景的設(shè)置、角色的添加，讓角色根據(jù)故事情節(jié)運(yùn)動，以達(dá)到預(yù)設(shè)的效果。

2.Do實(shí)施階段

以故事為抓手，定義圖形。根據(jù)以上的故事情節(jié)，學(xué)生首先定義單個圖形。以定義小三角形為例，點(diǎn)選更多積木模塊中的制作新的積木，輸入小三角形。輸入小三角形時，學(xué)生要明確移動的步數(shù)、重復(fù)的次數(shù)、旋轉(zhuǎn)的角度，學(xué)生能夠很快確定步數(shù)和重復(fù)的次數(shù)，但是學(xué)生認(rèn)為旋轉(zhuǎn)的角度存在一定難度，教師用旋轉(zhuǎn)公式360/n進(jìn)行引導(dǎo)。

腳本搭建，提升分析與操作能力。圖形定義完成之后，學(xué)生需再次對效果圖進(jìn)行分析，明確每個圖形的大小以及移動的方向、順序。畫城堡腳本的搭建存在三個難點(diǎn)，學(xué)生需通過分析、思考完成作品。第一個難點(diǎn)是當(dāng)畫好單個城堡后為什么移動60步？當(dāng)中間圖形畫好后為什么要移動180步？城堡中間的大門如何畫？學(xué)生需要不斷思考最后畫出預(yù)設(shè)的效果。

實(shí)施階段是將計劃付諸實(shí)踐，學(xué)生操作的過程中會遇到多種問題，而問題如何解決是關(guān)鍵，實(shí)施階段的設(shè)計意圖是讓學(xué)生根據(jù)故事情節(jié)中的目標(biāo)，探索完成任務(wù)，當(dāng)遇到瓶頸時，分析對策直到問題解決。本環(huán)節(jié)是計算思維提升的關(guān)鍵，當(dāng)遇到問題后，學(xué)生要具有獨(dú)立分析的意識，通過對問題的探索、分析并解決，以達(dá)到提升學(xué)生計算思維的目的。

3.Check檢查階段

自我檢查，分享作品，檢索思維邏輯關(guān)系。自我檢查包括學(xué)生現(xiàn)有的作品和之前預(yù)想的作品是否一致。通過運(yùn)行腳本，學(xué)生發(fā)現(xiàn)中間的圖形嵌套在左邊的小城堡中，此時學(xué)生需要分析兩個點(diǎn)，城堡的順序和城堡移動的步數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)嵌套時，說明缺少移動的步數(shù)，那么該具體移動多少步，學(xué)生分析思考，教師進(jìn)一步引導(dǎo)。

自我檢查是檢驗(yàn)成果的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生運(yùn)行腳本并審視作品，自我檢查過程中，學(xué)生要具有思維的廣度與深度，廣度指的是可以采用多種思路獲取解決問題的答案;深度指的是對問題的解析要透徹，將抽象問題具體化，從而逐漸培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。計算思維的培養(yǎng)是學(xué)生自我思考的過程，應(yīng)給學(xué)生充分的時間思考與實(shí)踐。

同伴檢查、互動試玩，分享成果。同伴檢查主要包含兩個方面，第一，城堡是否完成，是否所有的細(xì)節(jié)都達(dá)到理想狀態(tài);第二，城堡是否出現(xiàn)嵌套現(xiàn)象。

同伴檢查環(huán)節(jié)主要目的是將自己操作過程中遇到的問題和同伴分享，通過分享的過程加深對問題的理解，雙方交流、探討遇到的問題以及解決措施。本環(huán)節(jié)不僅能夠促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展、加深學(xué)生對于問題的理解，還能夠讓學(xué)生學(xué)會交流與分享成果，提高學(xué)生的語言表達(dá)能力，并反思自己作品中的優(yōu)點(diǎn)與不足，思維得到進(jìn)一步的延伸。

4.Action總結(jié)處理階段

總結(jié)收獲，反思作品，啟發(fā)創(chuàng)新，思維不斷升華。本環(huán)節(jié)主要是學(xué)生對自己作品的反思。在腳本搭建的過程中，學(xué)生清楚畫城堡的順序是從左往右，最后畫出城堡的門，但是出現(xiàn)左邊和中間部分嵌套現(xiàn)象，學(xué)生思考出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因以及解決辦法，避免再次犯同樣的錯誤。

本環(huán)節(jié)主要包括教師的總結(jié)和學(xué)生自我總結(jié)，教師總結(jié)知識點(diǎn)能夠讓學(xué)生快速知道本節(jié)課的重點(diǎn)與難點(diǎn)內(nèi)容。學(xué)生總結(jié)包括對所遇問題以及解決措施的總結(jié)，總結(jié)自己的思考，啟發(fā)學(xué)生應(yīng)具有創(chuàng)新意識?？偨Y(jié)處理階段是知識的升華，通過反思自身的作品與向優(yōu)秀的作品學(xué)習(xí)，能夠拓寬知識的廣度與深度，懂得思考、分析，促進(jìn)思維不斷發(fā)展。

國內(nèi)外研究表明，培養(yǎng)計算思維最有效的途徑是學(xué)習(xí)編程語言，不同年齡階段學(xué)習(xí)不同的程序語言，編程的難易程度各有不同。小學(xué)階段主要通過學(xué)習(xí)Scratch語言培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，主要采用積木式的程序模塊，大大降低程序的復(fù)雜程度。本文運(yùn)用PDCA循環(huán)理論結(jié)合具體的案例設(shè)計教學(xué)，鍛煉學(xué)生的計算思維能力，同時對培養(yǎng)小學(xué)生思考力及創(chuàng)新力也具有一定的意義。

參考文獻(xiàn)

史文崇. 全球計算思維研究與實(shí)踐綜述[J]. 計算機(jī)工程與應(yīng)用，2018，54（4）： 31-35.

Hambrusch S， Hoffmann C，KorbJT，et al.TeachingComputational Thinking to science majors[J]. SIGCSE，2009（10）：220-225.