面向計(jì)算思維培養(yǎng)的可視化程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

秦琦

信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)包含了信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新和信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面的內(nèi)容。其中，計(jì)算思維是指計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)關(guān)于形式化問題解決的一種思想方法，包含了問題界定、抽象特征、建立模型和設(shè)計(jì)算法等方面的內(nèi)容，它是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)涵之一，是信息技術(shù)學(xué)科思維的精髓所在，是信息技術(shù)學(xué)科能力的主要體現(xiàn)。而程序設(shè)計(jì)課程是培養(yǎng)學(xué)生“怎么像計(jì)算機(jī)科學(xué)家們一樣去思維”的課程，《設(shè)計(jì)無人駕駛小車》是程序設(shè)計(jì)課程中的重要一課，其教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)指向均體現(xiàn)了計(jì)算思維的重要性。下面，筆者以此課為例展示計(jì)算思維在可視化程序設(shè)計(jì)教學(xué)過程中的應(yīng)用思路和過程。

● 提出大任務(wù)，分解任務(wù)

課堂大任務(wù)：在可視化程序中實(shí)現(xiàn)無人駕駛小車功能。

教師設(shè)置生活問題情境，提出探究性問題“你想設(shè)計(jì)無人駕駛小車哪些功能”，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。面對(duì)這樣的任務(wù)，學(xué)生可能從操控性、安全性、智能化等方面進(jìn)行發(fā)散性思考，如汽車感知到?jīng)]油后會(huì)自動(dòng)去尋找加油站或者汽車會(huì)自行規(guī)劃路線導(dǎo)航……課堂在中師生共同理解和分析任務(wù)后，教師引導(dǎo)學(xué)生將大任務(wù)拆分出可管理、可實(shí)行的小任務(wù)。這就是計(jì)算思維中解決問題的思維，將復(fù)雜問題化繁為簡，由外到內(nèi)逐層分解，通過篩選、識(shí)別，進(jìn)而保留可執(zhí)行的小任務(wù)。最終，學(xué)生在課堂中分解出小任務(wù)：小車在馬路上行駛、小車遇到行人或者其他障礙物會(huì)自動(dòng)避障、小車遇到紅綠燈會(huì)自主識(shí)別判斷……在這一環(huán)節(jié)中學(xué)生充分體驗(yàn)、經(jīng)歷了問題的分解過程，學(xué)習(xí)目標(biāo)更加明確，構(gòu)建出無人駕駛小車功能的框架結(jié)構(gòu)，教師可以在接下來的課堂中引導(dǎo)學(xué)生完成一個(gè)個(gè)小任務(wù)。

● 歸納梳理，建立模型

“感知小車在馬路上行駛”是作為復(fù)習(xí)內(nèi)容，再次鞏固思維過程，并且挖掘深層信息，為本節(jié)課的思維展開進(jìn)行鋪墊。因此，如何引導(dǎo)學(xué)生抽象出解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)，是課堂教學(xué)中的難點(diǎn)也是核心。為解決“感知小車在馬路上行駛”這一任務(wù)，筆者構(gòu)建了“生活語言描述—提煉關(guān)鍵詞—轉(zhuǎn)化—搭建控件”的學(xué)習(xí)流程，目的是讓學(xué)生能將對(duì)現(xiàn)實(shí)生活場景的描述在可視化編程場景用腳本實(shí)現(xiàn)，初步建立抽象能力和構(gòu)造能力。

學(xué)生最開始借助生活經(jīng)驗(yàn)，用自然語言描述“小車行駛到馬路邊緣，會(huì)轉(zhuǎn)彎”，但這樣的語句計(jì)算機(jī)是不能理解、不能識(shí)別的，那怎樣轉(zhuǎn)化成形式化描述，讓計(jì)算機(jī)識(shí)別并計(jì)算呢？筆者引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)語句描述的信息來剔除不必要信息，提煉重要信息，找到了“紅色‘虛擬傳感器、碰到、左側(cè)白色、右轉(zhuǎn)”等關(guān)鍵詞，但學(xué)生發(fā)現(xiàn)，這些關(guān)鍵詞還是屬于現(xiàn)實(shí)生活中的表達(dá)，仍然無法連接可視化編程場景中的控件。于是，筆者再引導(dǎo)學(xué)生對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行歸納、分析，發(fā)現(xiàn)“紅色‘虛擬傳感器、碰到、左側(cè)白色”這三個(gè)關(guān)鍵詞表達(dá)了“探測、感知”的作用，而“右轉(zhuǎn)”則表達(dá)了“決定、決策”的作用。

通過厘清關(guān)鍵詞的過程，建立了有效的操作步驟：先探測再?zèng)Q策，也符合可視化編程場景中“先偵測再?zèng)Q策”的編程思想。這一過程將現(xiàn)實(shí)世界的問題進(jìn)行抽象，成為計(jì)算機(jī)能夠理解或?qū)崿F(xiàn)的表達(dá)形式，也構(gòu)造出了解決問題的框架，得到了解決問題的模型。

● 整理關(guān)鍵詞，抽象事物關(guān)系

得到了方法模型，但表示探測作用的三個(gè)關(guān)鍵詞“紅色‘虛擬傳感器、碰到、左側(cè)白色”，還是不能直接在可視化編程場景中找到控件。計(jì)算思維中的抽象是省略不必要的細(xì)節(jié)，留下需要強(qiáng)調(diào)的環(huán)節(jié)的過程。所以，還需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“轉(zhuǎn)化”，這時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)轉(zhuǎn)為：在事物與事物的本質(zhì)中找到可聯(lián)系的相通點(diǎn)，因?yàn)槭挛锏谋举|(zhì)是事物本身固有的，決定事物性質(zhì)、面貌和發(fā)展的根本屬性。學(xué)生通過討論，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵詞中有“紅色”“白色”這兩個(gè)表現(xiàn)顏色的詞語，挖掘到顏色這一本質(zhì)屬性，自然就和可視化編程中的“偵測顏色”控件聯(lián)系上了。關(guān)鍵點(diǎn)解決了，再進(jìn)行腳本搭建，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

● 化歸思想，尋求最優(yōu)化方案

“感知行人”解決問題的方法模型是參考“感知小車在馬路上”的模型：先探測后決策，用化歸思想解決問題（如下頁圖1）。當(dāng)學(xué)生掌握這一思想方法后，教師再啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)方法自主探究解決更深層次的問題，分別用三種方法來實(shí)現(xiàn)無人駕駛小車感知行人后避障的功能，并比較三種方法的可行性，通過小組合作的方式運(yùn)用計(jì)算思維達(dá)到知識(shí)鞏固和遷移的目的。

學(xué)生在分析“感知行人”的問題時(shí)，會(huì)運(yùn)用之前的模型來解決，即從“探測顏色”考慮，如小車紅色傳感器碰到男孩的上衣的顏色、小車的顏色碰到男孩頭發(fā)的顏色、小車的顏色碰到男孩褲子的顏色、小車角色碰到男孩上衣的顏色……學(xué)生在運(yùn)用“偵測顏色”控件搭建腳本進(jìn)行調(diào)試的過程中，在使用“小車角色碰到男孩上衣顏色”腳本時(shí)，并不能實(shí)現(xiàn)無人駕駛小車感知行人后避障的功能。學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)，要考慮碰到男孩多種顏色的可能性，用原有“探測顏色”思路來解決問題出現(xiàn)了不確定性。

接著，學(xué)生利用已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，提出用“碰到男孩角色”的方法來實(shí)現(xiàn)。在筆者的追問中學(xué)生能明確：顏色是男孩角色本身顯示出來的特征屬性，碰到男孩角色了，男孩顯示出來的各種顏色也就考慮進(jìn)去了。通過這樣的分析，學(xué)生利用“偵測角色”控件，快速搭建腳本，經(jīng)過調(diào)試實(shí)現(xiàn)了小車感知行人后避障的功能。隨后，對(duì)“偵測顏色”腳本和“偵測角色”腳本進(jìn)行對(duì)比，學(xué)生能說出使用“偵測角色”腳本的方案更加簡潔、明了，考慮問題更加全面的優(yōu)點(diǎn)，這體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生算法思維的培養(yǎng)。

問題解決了，但通過觀看視頻，回到現(xiàn)實(shí)生活，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，從安全性考慮，小車和男孩之間不能碰到，從而再次分析明確：小車和男孩之間要有一段距離，從兩個(gè)角色的關(guān)系中又抽象出“可以探測距離”。距離是一個(gè)抽象的概念，還要進(jìn)行具體化，用具體的數(shù)值來表示。課堂中，學(xué)生對(duì)距離值應(yīng)該采用“大于、等于、小于”不明確，調(diào)試中出現(xiàn)了錯(cuò)誤。當(dāng)搭建的腳本出錯(cuò)時(shí)，調(diào)試中出現(xiàn)的問題是生成性的，調(diào)試也需要更多的思維能力，學(xué)生在這一過程中嘗試診斷和修正，查找出錯(cuò)的緣由，設(shè)計(jì)調(diào)試腳本的“解決方案”，直到腳本能正常運(yùn)行，從而理解了計(jì)算的過程，發(fā)展了計(jì)算思維。

隨后，學(xué)生對(duì)“偵測角色”腳本和“偵測距離”腳本進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為使用“偵測距離”腳本的方案更加合理。在這個(gè)過程中，學(xué)生將抽象方法搭建的腳本放到生活實(shí)際認(rèn)知狀態(tài)中檢測是否與原來的設(shè)想一致，發(fā)現(xiàn)腳本匹配現(xiàn)實(shí)生活場景，從而得出正確的答案。

本環(huán)節(jié)，筆者通過三種實(shí)現(xiàn)方法，帶動(dòng)學(xué)生去發(fā)掘，去探索、對(duì)各種解決方案比較選優(yōu)，去尋求更好的解決途徑，這樣不但可以提高學(xué)生分析和解決問題的能力，還可以盡可能逼近解決實(shí)際問題的模式。

● 構(gòu)建知識(shí)體系，遷移應(yīng)用

1.知識(shí)建構(gòu)

結(jié)合本節(jié)課所學(xué)，談?wù)勅绾螌⑸钪械膶?shí)際問題通過可視化程序設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)（如圖2）。

筆者通過以上知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的回顧，引導(dǎo)學(xué)生梳理本節(jié)課的主要內(nèi)容，運(yùn)用計(jì)算思維來解決問題，總結(jié)出解決問題的一般方法，從而建構(gòu)出知識(shí)的方法模型，并引導(dǎo)出具體的學(xué)習(xí)方法（如圖3）。通過這一流程，發(fā)現(xiàn)并確定了問題，分析了問題的構(gòu)成要素，對(duì)問題進(jìn)行了分析、分解，為問題的解決提供了相對(duì)有效的途徑和方法，滲透了算法思維。

2.遷移應(yīng)用

本節(jié)課構(gòu)建出的知識(shí)體系和方法模型，同樣適用下節(jié)課無人駕駛小車“感知紅綠燈”的情境。教師可引導(dǎo)學(xué)生通過“先探測后決策”的模型以及“探測事物的哪個(gè)屬性”來展開教學(xué)。而“探測事物的哪個(gè)屬性”體現(xiàn)了計(jì)算思維的抽象，促使學(xué)生透過現(xiàn)象繼續(xù)挖掘本質(zhì)，抽象出事物的共同特征和屬性，也就是下節(jié)課的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，相信通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)鋪墊，下節(jié)課的解決問題會(huì)水到渠成。

總之，體現(xiàn)程序設(shè)計(jì)的“思想”和“方法”，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的目的就是讓學(xué)生學(xué)會(huì)解決問題，而計(jì)算思維提供了解決問題的思維，能拓寬學(xué)生的思路，因此在教學(xué)中有必要讓計(jì)算思維成為學(xué)生應(yīng)具備的基本能力。

基金項(xiàng)目：本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題“指向計(jì)算思維的‘程序設(shè)計(jì)初步教學(xué)實(shí)踐研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：B-b/2020/02/159）研究成果。