基于計算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式構(gòu)建

楊桂冰 楊文娟

摘 要：在信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域，計算思維是重點培養(yǎng)的思維方式。中小學(xué)信息技術(shù)教師在教學(xué)實踐中滲透計算思維的培養(yǎng)，能提高學(xué)生問題解決的能力，同時鍛煉他們的邏輯思維。本文闡述了計算思維的操作性定義，指出在小學(xué)Scratch編程教育中滲透計算思維教育的可能性。筆者從計算思維的基礎(chǔ)概念出發(fā)，以計算思維問題解決過程的六個要素為設(shè)計依據(jù)，構(gòu)建了基于計算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式，包括“創(chuàng)設(shè)情境，明確問題”、“角色分析，行為梳理”、“畫流程圖”、“搭建腳本，設(shè)計程序”、“修改腳本，優(yōu)化程序”以及“交流分享，再創(chuàng)作”六個流程。為了體現(xiàn)教學(xué)模式的流程設(shè)計，本文詳細講述了具體的教學(xué)案例。希望能為中小學(xué)信息技術(shù)教師開展Scratch教學(xué)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：計算思維;小學(xué)信息技術(shù);Scratch編程教育;教學(xué)模式

一、引言

周以真教授在2006年提出：“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、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。”[1]在周教授定義了這個概念以后，國內(nèi)外計算機界和教育界的研究熱點便指向了計算思維。簡單而言，計算思維就是利用簡約、轉(zhuǎn)換、抽象、分解、建模、糾錯等方法來解決一個復(fù)雜問題的過程。[2]在我國2017年新課程標準改革中，凝練了信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，同時也將計算思維定為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。因此，這一問題非常值得我國中小學(xué)信息技術(shù)教師認真思考——如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

二、計算思維的操作性定義

計算思維的操作性定義是在2011年，由美國國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）聯(lián)合計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）提出的。基于計算思維的表現(xiàn)性特征，他們認為：計算思維是一個問題解決過程，并且包括以下六個要素——明確問題、分析數(shù)據(jù)、抽象、設(shè)計算法、評估最優(yōu)方案、遷移解決方法。[3]

（1） “明確問題”是解決復(fù)雜問題的前提，是指人們能夠?qū)⒋鉀Q的復(fù)雜問題重新闡述成一個利用數(shù)字化工具能解決的問題。（2）為了能夠順利地解決問題，人們首先需要“分析數(shù)據(jù)”。通過合理地分析數(shù)據(jù)、組織數(shù)據(jù)，理清其中的邏輯關(guān)系，降低問題的難度。（3）“抽象”的目的在于呈現(xiàn)分析后的數(shù)據(jù)，可以使用模型或模擬等方法。（4）在問題解決過程中，“設(shè)計算法”是關(guān)鍵。通過設(shè)計一系列有序的步驟，解決問題的方案就會慢慢浮現(xiàn)。（5）為了達到步驟與資源的最有效整合，還需“評估最優(yōu)方案”，找到最合理、最高效的解決方案。（6）“遷移解決方法”是指歸納、總結(jié)問題解決的過程與方法，并將其遷移、應(yīng)用到其他問題的解決上。所以說，計算思維指的是一個過程，是計算機或人類借助數(shù)字化工具一步一步解決復(fù)雜問題的過程。

三、Scratch編程教學(xué)與計算思維

在我國小學(xué)信息技術(shù)課程開展中，編程教育早已遍地開花。而Scratch編程軟件，是教師們開展編程教育應(yīng)用最普遍的教學(xué)工具。在進行編程學(xué)習(xí)時，學(xué)生在設(shè)計算法之前必須分析任務(wù)，明確待解決的問題。然后，借助教師提供的學(xué)習(xí)資料，自主地設(shè)計程序以解決問題。學(xué)生在Scratch編程的學(xué)習(xí)過程與計算思維問題解決的過程有許多相似、共通之處。所以，可以將Scratch編程教學(xué)作為計算思維教育的有效途徑。如何在Scratch教學(xué)中滲透計算思維的培養(yǎng)，這一問題值得中小學(xué)信息技術(shù)教師深入思考與研究。

四、基于計算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式

筆者從計算思維的基礎(chǔ)概念出發(fā)，以計算思維問題解決過程中的六個要素為設(shè)計依據(jù)，并結(jié)合Scratch教學(xué)中采用的策略，構(gòu)建了以培養(yǎng)學(xué)生計算思維為導(dǎo)向的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式（如圖1）。本教學(xué)模式包括“創(chuàng)設(shè)情境，明確問題”、“角色分析，行為梳理”、“畫流程圖”、“搭建腳本，設(shè)計程序”、“修改腳本，優(yōu)化程序”以及“交流分享，再創(chuàng)作”六個教學(xué)流程。

該教學(xué)模式圖包含三層，中間層為教學(xué)模式設(shè)計的主要依據(jù)——計算思維問題解決過程中的六個要素。上層為培養(yǎng)學(xué)生計算思維過程中教師“教”的流程，下層為學(xué)生在課堂中“學(xué)”的流程。教師通過創(chuàng)設(shè)情境、提供學(xué)習(xí)工具、整理學(xué)習(xí)資源、問題引領(lǐng)等策略，引導(dǎo)學(xué)生自主完成各個環(huán)節(jié)的小任務(wù)。隨著各環(huán)節(jié)任務(wù)的完成，學(xué)生的計算思維能力會逐漸形成。并且，隨著學(xué)生逐漸學(xué)會如何去分析問題，他們問題解決的能力也會有所提高。學(xué)生在具體的情境中明確問題，通過角色分析、流程梳理來分解問題，通過畫流程圖理清思路。設(shè)計程序解決問題，并不斷改進程序、優(yōu)化算法。最后，勇于分享和表達自己的設(shè)計思路和創(chuàng)意，建立學(xué)習(xí)編程的信心?？偨Y(jié)問題解決的方法和過程，并嘗試遷移到其他問題的解決上，形成良好的計算觀念。

五、基于計算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)案例

下面以“玩轉(zhuǎn)籃球”一課為例，詳細闡述基于計算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式。在本課中，學(xué)生需要完成“玩轉(zhuǎn)籃球”作品。在作品中，小貝在聽到主持人的命令后開始轉(zhuǎn)動籃球，進行花式籃球的表演。

1.創(chuàng)設(shè)情境，明確問題

本課例的情境為：“一年一屆的厚街鎮(zhèn)小學(xué)生籃球比賽在體育公園拉開帷幕，小貝作為賽前花式籃球表演的一員，為大家獻上了精彩的表演！”為了便于學(xué)生理解情境、激發(fā)他們的創(chuàng)作興趣，教師創(chuàng)設(shè)的情境需要更接近學(xué)生的生活與學(xué)習(xí)。通過體驗Scratch教學(xué)實例，學(xué)生明確了本節(jié)編程課最終要實現(xiàn)的效果。在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生必須明確問題，才能完成計算思維問題解決的第一步。

2.角色分析，行為梳理

學(xué)生通過小組交流討論來完成“作品分析卡”，主要分析兩個問題：（1）各個角色都有哪些動作行為？并匹配出對應(yīng)的Scratch積木塊。利用Scratch積木塊表示出角色的動作行為，也是在鍛煉學(xué)生抽象的計算思維能力。（2）角色與角色的行為之間是否存在一些邏輯關(guān)系？用簡單的話告訴學(xué)生，也就是角色行為之間的先后關(guān)系。通過分析這兩個問題，學(xué)生將角色的行為都進行了分解，并且理清了中間的邏輯關(guān)系。所以，在學(xué)生分析和思考的過程中，他們分析問題的能力和邏輯思維能力都能夠得到很好的鍛煉。

3.畫流程圖

本環(huán)節(jié)學(xué)生要完成的任務(wù)是：畫出各個角色的動作流程圖。利用流程圖將角色所有的動作行為按順序表示出來，能夠更容易地設(shè)計復(fù)雜程序的算法。在繪制流程圖的過程中，培養(yǎng)學(xué)生計算思維中的抽象能力，同時鍛煉他們的邏輯思維。

4.搭建腳本，設(shè)計程序

學(xué)生根據(jù)前面的分析梳理以及所畫的流程圖，拖拽積木塊進行腳本的搭建。學(xué)生一邊搭建腳本，一邊調(diào)試作品效果。程序的編寫在不斷地思考與嘗試中逐步完成。當學(xué)生未能成功搭建腳本時，教師引導(dǎo)其發(fā)現(xiàn)問題，再繼續(xù)調(diào)整程序，提高學(xué)生設(shè)計算法的能力。

5.修改腳本，優(yōu)化程序

在本案例中，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題：在現(xiàn)實生活中，表演者不能控制每次籃球旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，每次表演中籃球的旋轉(zhuǎn)次數(shù)都會不一樣，如何設(shè)置籃球的旋轉(zhuǎn)次數(shù)才更加合理呢？隨著問題的拋出，學(xué)生開始尋找問題解決的方法來改進程序。通過不斷地調(diào)整與測試，優(yōu)化程序的意識會不知不覺地存在于學(xué)生的大腦中，從而培養(yǎng)學(xué)生計算思維中優(yōu)化程序的能力。

6.交流分享，再創(chuàng)作

分享交流是Scratch教學(xué)中重要的一環(huán)。通過讓學(xué)生講述自己的設(shè)計思路和想法，能夠增強他們學(xué)習(xí)Scratch編程的信心。同時，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)程序創(chuàng)作的過程，慢慢培養(yǎng)學(xué)生歸納問題解決的方法，并引導(dǎo)其將方法遷移到其他程序的創(chuàng)作當中去。

六、反思

在運用基于計算思維的小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式后，產(chǎn)生了不錯的效果。學(xué)生的計算思維能力得到了提升，分析問題、解決問題的能力也有所提高。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和解決問題的過程中，獲得了信心和滿足，學(xué)習(xí)編程的興趣也越來越濃厚。

但是，本教學(xué)模式也還存在幾點問題：（1）由于小學(xué)生感性思維占據(jù)主要部分，在作品分析時存在一定的難度，尤其是在分析角色之間的邏輯關(guān)系上。為此，教師應(yīng)該認真思考解決辦法，為學(xué)生提供更好的“腳手架”，降低他們自主分析的難度。（2）再創(chuàng)作，體現(xiàn)的是學(xué)生對問題解決過程的總結(jié)以及方法的遷移運用，但概括方法對于小學(xué)生而言是過于抽象。在此環(huán)節(jié)，學(xué)生往往憑借自己的主觀認識或者是過程中的個別環(huán)節(jié)來完成作品，忽略問題解決的方法總結(jié)和遷移。

一個好的教學(xué)模式，需要更多實踐經(jīng)驗的打磨來使其更加完美。筆者在今后的信息技術(shù)教學(xué)中，必將不斷地實踐與反思，改進本教學(xué)模式，更好地滲透計算思維的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1] Jeannette M. Wing. Computational Thinking [J].Communications of the ACM， 2006， 49（3）：33-35.

[2] 謝忠新，曹楊璐.中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科學(xué)生計算思維培養(yǎng)的策略與方法[J].中國電化教育，2015，346：116-120.

[3] ISTE & CSTA. Computational thinking teaching in K-12 Education： teacher resources， second edition （2011） [DB/OL]. http：//csta.acm.org/ Curriculum/sub）/CurrFiles/472.11CTTeacherResources_2ed-SP-vF.pdf，2015-11-23.

[4]王旭卿.面向三維目標的國外中小學(xué)計算思維培養(yǎng)與評價研究[J].電化教育研究，2014，7：48-53.

[5]陳茂賢，何國星.基于計算思維培養(yǎng)的小學(xué)Scratch編程教學(xué)[J].教育信息技術(shù)，2017，10：53-57.

廣東省東莞市教育局教育科研2018年度規(guī)劃課題《基于“計算思維”的Scratch鎮(zhèn)本課程的開發(fā)與實踐》（課題編號2018GH317 ）成果之一

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