在Scratch程序教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維

周運(yùn)福

【摘 要】本文通過用Scratch制作一個(gè)簡單的投票器軟件，讓學(xué)生歷經(jīng)確定問題、分解問題、轉(zhuǎn)化問題、算法設(shè)計(jì)及程序編寫、測試、評估等過程，在問題的形式化描述、解決方案的表達(dá)及方案的執(zhí)行、評估方面進(jìn)行了計(jì)算思維的培養(yǎng)探索。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維;信息技術(shù)教學(xué);Scratch;程序設(shè)計(jì)

在中小學(xué)的班級活動(dòng)中少不了各種選舉，如課代表選舉、少先隊(duì)干部選舉，有些時(shí)候要從多人中隨機(jī)挑選1人投票選舉，用筆、紙的方式記錄既費(fèi)時(shí)又不方便統(tǒng)計(jì)，我們嘗試?yán)肧cratch來制作一個(gè)投票器軟件，幫助同學(xué)們統(tǒng)計(jì)選票。

教學(xué)目標(biāo)及重難點(diǎn)

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）學(xué)生能新建變量，對變量初始化、賦值和運(yùn)算。

（2）在界定信息問題，分解問題，設(shè)計(jì)程序解決問題中培養(yǎng)計(jì)算思維。

（3）在程序完善、修改中體驗(yàn)軟件開發(fā)的迭代工程思想。

2.教學(xué)重點(diǎn)

新建變量，通過按鍵完成投票、計(jì)票等功能。

3.教學(xué)難點(diǎn)

變量的賦值理解。

情境導(dǎo)入，提出問題

一是談話揭示問題：前幾天碰到我們班同學(xué)對大隊(duì)委投票有想法，認(rèn)為不透明、不真實(shí)，想要在屏幕上看到兩人的實(shí)時(shí)票數(shù)，該怎么辦呢？

二是小組討論：尋找解決問題可能性辦法。

三是引導(dǎo)聚焦技術(shù)：我們能不能借助信息技術(shù)提高投票、計(jì)票的公開性、透明度和效率？用五年級學(xué)過的Scratch設(shè)計(jì)程序幫助投票計(jì)票，實(shí)時(shí)顯示？

設(shè)計(jì)意圖：捕捉、發(fā)現(xiàn)學(xué)生生活中存在的問題，將問題解決與計(jì)算思維培養(yǎng)的必備知識整合在一起，在項(xiàng)目式或問題式學(xué)習(xí)中推進(jìn)解決。

確定問題，分解問題

通過討論，我們明確設(shè)計(jì)一個(gè)投票器程序能夠通過按鍵點(diǎn)擊進(jìn)行投票、自動(dòng)計(jì)票，避免投票“黑幕”。

1.項(xiàng)目分解為幾個(gè)小問題

回憶生活中投票選舉我們必須要完成哪些工作。同桌輕聲交流討論。

歸納投票工作流程：投票、計(jì)票、票數(shù)公布。

2.生活問題轉(zhuǎn)化為信息問題

在活動(dòng)中投票的過程可能對應(yīng)計(jì)算機(jī)中哪些操作？同學(xué)們思考一下，在括號內(nèi)填上自己的想法，如表1所示。

表1? 生活中投票問題轉(zhuǎn)化為信息問題

場景 投票過程 計(jì)票過程 結(jié)果顯示

生活中 填寫選票或同學(xué)們表決等方式 人工統(tǒng)計(jì)計(jì)算 寫在

黑板上

計(jì)算機(jī) （? ? ? ? ? ? ? ? ? ） 用“變量”來存儲數(shù)據(jù)，程序指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 （? ? ? ? ）

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生將大問題分解為投票、計(jì)票過程與結(jié)果顯示等幾個(gè)小問題，同時(shí)，將問題轉(zhuǎn)化為可計(jì)算的信息問題。

算法設(shè)計(jì)，程序編寫

1.程序界面的設(shè)計(jì)

（1）背景的選擇：從背景庫中選擇一個(gè)舞臺的背景。

（2）角色的選擇：從角色庫中選擇“girl1”代表女生張麗，“boy1”代表男生王剛。

2.算法設(shè)計(jì)

編寫程序要實(shí)現(xiàn)的功能是：點(diǎn)擊人物角色或者按鍵盤字母對候選人投票，投票次數(shù)是無限的，投票票數(shù)是累加的。

如果用一句話來表述上面的想法，請你補(bǔ)充完整括號里面內(nèi)容：

當(dāng)（? ? ? ? ? ）的時(shí)候，某同學(xué)票數(shù)增加1票。

上述功能的實(shí)現(xiàn)，在Scratch中有多種實(shí)現(xiàn)方法，我們選擇按鍵實(shí)現(xiàn)方法。

在Scratch中，使用“事件”類指令中的“當(dāng)按下空格鍵”模塊和“數(shù)據(jù)”類指令中的“變量”來完成投票、計(jì)票功能（圖1）。

圖1? 簡單投票器模型構(gòu)建、算法設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)意圖：在算法設(shè)計(jì)中，用一句話填空的方式幫助學(xué)生理解、確定算法，用表格列項(xiàng)的方式將算法與實(shí)現(xiàn)的程序模塊一一對應(yīng)，培養(yǎng)學(xué)生面對生活問題時(shí)的抽象、自動(dòng)化解決問題的意識及能力。

3.程序腳本的設(shè)計(jì)

我們建立ZL和WG兩個(gè)變量分別代表張麗和王剛的票數(shù)。

（1）新建變量。

①選中女生角色。

②單擊“腳本”選項(xiàng)卡中的“數(shù)據(jù)”類別，再單擊“新建變量”按鈕。自定義一個(gè)“ZL”變量。這是一個(gè)全局變量，所以，腳本放在任一角色都可以用。

注意：“變量名”要使用“有意義”的英文單詞或中文、字母表示。

（2）按鍵響應(yīng)。

①在角色區(qū)，單擊選擇需要搭建腳本的角色。例如先選擇“女孩”角色。

②單擊“腳本”選項(xiàng)卡中的“事件”類別，將“當(dāng)按下空格鍵”指令拖入腳本區(qū)。并將默認(rèn)的“空格鍵”修改為“Z”鍵。

思考：這里為什么建議使用“Z”鍵？

（3）變量計(jì)數(shù)（變量的賦值）。

單擊“腳本”選項(xiàng)卡中的“數(shù)據(jù)”類別，把“將變量ZL的值增加1”指令拖入腳本區(qū)。

與“按鍵響應(yīng)事件指令”進(jìn)行拼接。

完成“張麗”角色的投票、計(jì)票的腳本。隨著按鍵不斷按下，變量“ZL”也在不斷發(fā)生變化。

4.嘗試完成“王剛”角色變量制作

學(xué)生上臺演示，教師小結(jié)。

（1）新建變量。新建“WG”變量存儲王剛票數(shù)。

（2）按鍵響應(yīng)。指定“W”鍵作為相應(yīng)的響應(yīng)按鍵。

（3）變量計(jì)數(shù)。將腳本“將ZL增加1”拖入腳本區(qū)，放在按鍵響應(yīng)語句下。點(diǎn)擊“ZL”下拉菜單中選擇“WG”。

現(xiàn)在，我們的投票器軟件已經(jīng)初具雛型了，請幾個(gè)同學(xué)上來試一試吧。試投票之前老師先把程序文檔保存為“投票器1.0”。

5.小試牛刀，自主編程

（1）自主學(xué)習(xí)，完成程序編制。不清楚的地方可以觀看微課學(xué)習(xí)。

（2）教師巡視指導(dǎo)。

程序測試，優(yōu)化迭代

1.優(yōu)化程序

展示學(xué)生作品，對照評價(jià)表進(jìn)行互評、點(diǎn)評，引導(dǎo)學(xué)生思考：投票器只能使用一次，要重復(fù)使用該怎么辦？

兩人的投票要清零。選擇數(shù)據(jù)模塊中的“將ZL設(shè)定為0”和“將WG設(shè)定為0”語句。我們把優(yōu)化后的投票器程序文檔保存為“投票器1.1”版本。

2.拓展提升

在使用“投票器”時(shí)，有的同學(xué)希望能夠及時(shí)地反映出投票總數(shù)，該如何進(jìn)行改進(jìn)？

總結(jié)與分享

通過學(xué)習(xí)，我們把一個(gè)生活中的問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)信息問題，并且利用Scratch編程實(shí)現(xiàn)，解決了班級活動(dòng)投票中的基本問題。如果要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)票數(shù)，并顯示得票多的人，我們又該如何對程序進(jìn)行升級呢？大家課后思考。

設(shè)計(jì)意圖：程序教學(xué)中要弱化“操作性”和“知識性”的內(nèi)容，注重迭代思想的滲透，要將類似迭代的這種學(xué)科核心思想和方法的培養(yǎng)貫穿問題解決的始終。

板書：制作一個(gè)簡單投票器（圖2），附參考程序（圖3）。

案例反思

1.計(jì)算思維教什么

（1）計(jì)算思維解決問題的思維方法。

要滲透基于計(jì)算機(jī)解決問題的學(xué)科思維方法的學(xué)習(xí)，重視個(gè)體在運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。面對真實(shí)情境，要掌握計(jì)算思維解決問題的步驟方法，這種方法不是僅僅關(guān)注局部算法、程序設(shè)計(jì)，而是面向問題的計(jì)算思維解決問題的整個(gè)思維流程。

在本案例中，讓學(xué)生經(jīng)歷確定制作簡單投票器問題，把問題分解為投票、計(jì)票、公布票數(shù)幾個(gè)小問題，同時(shí)將問題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的計(jì)算問題、用“當(dāng)按鍵按下時(shí)，票數(shù)增加”的填空方法幫助學(xué)生進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。最后在老師講解變量的知識后完成程序的編寫、測試、評估等過程。在把生活問題轉(zhuǎn)化為信息問題并用編程解決的過程中培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維，滲透了計(jì)算思維解決問題的思維方法。

（2）計(jì)算思維的核心要素。

計(jì)算思維的核心要素有分解、抽象、算法等概念，在教學(xué)中幫助學(xué)生學(xué)會(huì)分解問題、體驗(yàn)抽象、掌握基本算法結(jié)構(gòu)。借助思維導(dǎo)圖，將問題最終分解為投票、計(jì)票、顯示票數(shù)，逐個(gè)解決。在問題抽象方面，告訴學(xué)生抓住問題主要特征，通過提取關(guān)鍵信息的方法，培養(yǎng)抽象能力。比如，本案例中投票事件，關(guān)鍵流程就是投票、計(jì)票、展示票數(shù)，其他用什么方式投票，如何計(jì)票等可以不管。在算法設(shè)計(jì)方面，通過一句話“當(dāng) （? ?）的時(shí)候，某同學(xué)票數(shù)增加1”幫助學(xué)生分析算法、理解程序結(jié)構(gòu)。

在編程算法實(shí)現(xiàn)方面，選擇按鍵實(shí)現(xiàn)方式，同時(shí)也可讓學(xué)生嘗試點(diǎn)擊角色實(shí)現(xiàn)方式，讓學(xué)生體會(huì)不同模塊可以實(shí)現(xiàn)相同的算法。但是，重視這些元素不意味著計(jì)算思維的培養(yǎng)就只是對這些元素的理解掌握，而是一定要有計(jì)算思維解決問題的流程意識，各元素的掌握學(xué)習(xí)是為了更好地落實(shí)用計(jì)算思維去解決問題的能力。單獨(dú)掌握這些核心元素而不談如何解決具體情境問題，就偏離了計(jì)算思維的培養(yǎng)。

2.計(jì)算思維怎么教

（1）要盡量運(yùn)用真實(shí)的問題情境。

教師要善于捕捉、發(fā)現(xiàn)學(xué)生生活中存在的問題，在問題解決中讓學(xué)生獲得成就感，真正感受到技術(shù)改變學(xué)習(xí)、服務(wù)生活。例如案例中的投票程序，學(xué)生就在班會(huì)中進(jìn)行了投票嘗試，獲得了班主任的贊賞。激發(fā)了學(xué)生興趣，更加積極尋找可計(jì)算的現(xiàn)實(shí)問題，通過編程完成。要注意把真實(shí)情境中的大問題引導(dǎo)分解成每節(jié)課能完成的小問題，逐個(gè)解決。本節(jié)課是設(shè)計(jì)可投票的程序，下節(jié)課是在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自動(dòng)顯示得票獲勝的人，再后面是自動(dòng)點(diǎn)名上臺投票的程序，在一次次優(yōu)化迭代中完成問題解決。

（2）在“雙主線”教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力。

信息技術(shù)學(xué)科有自己的內(nèi)在邏輯知識體系，要完成基礎(chǔ)知識和基本技能的學(xué)習(xí)，這是一條“顯性主線”。計(jì)算思維的培養(yǎng)需要借助信息技術(shù)學(xué)科知識的載體來實(shí)施。我們更要關(guān)注應(yīng)用學(xué)科知識解決問題時(shí)的計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，即分解、抽象、程序設(shè)計(jì)，這是教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)的“隱性主線”。

我們不能習(xí)慣于“操作”和“技能性”內(nèi)容教學(xué)，更不能只對計(jì)算思維要素概念進(jìn)行教學(xué)，強(qiáng)調(diào)概念知識的理解和記憶，而是要在教授解決問題所需的學(xué)科知識時(shí)，滲透、培養(yǎng)基于計(jì)算思維解決問題的思維方法，讓孩子們形成一種思維習(xí)慣，當(dāng)自己再遇到一個(gè)真實(shí)問題時(shí)，能夠運(yùn)用已有資源和素養(yǎng)獨(dú)立解決。所以，雙主線教學(xué)中應(yīng)該是“隱性”主線為主導(dǎo)，圍繞其組織教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行“顯現(xiàn)”的學(xué)習(xí)，最終在知識技能的習(xí)得中提升計(jì)算思維能力。

（3）計(jì)算思維教學(xué)小學(xué)階段重點(diǎn)關(guān)注問題的確定和分解。

計(jì)算思維教育關(guān)注的是利用信息技術(shù)解決問題的能力。這種能力既表現(xiàn)為“結(jié)構(gòu)分解、實(shí)體抽象、模型建設(shè)、自動(dòng)化實(shí)施”等信息技術(shù)應(yīng)用特征，也包括“明確問題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施反饋、修訂完善”等一般性解決問題方法。而發(fā)現(xiàn)問題、確定問題是現(xiàn)階段學(xué)生們較弱的方面，我們習(xí)慣將現(xiàn)有問題拋給學(xué)生，讓學(xué)生在指定的問題中進(jìn)行練習(xí)，而學(xué)生一旦面臨真實(shí)世界時(shí)，發(fā)現(xiàn)不了問題，或者找不到問題的主要矛盾，也就談不上解決問題了。

在計(jì)算思維的培養(yǎng)中，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，確定信息問題，學(xué)會(huì)分解問題是需要我們重點(diǎn)關(guān)注的。如生活中的投票行為有很多環(huán)節(jié)，投票、計(jì)票、檢票等，哪些行為是投票工作所必須的？哪些是可要可不要的？把這些必要行為沉淀下來，思考能否被“計(jì)算”？如果可以，那么再進(jìn)行問題分解、模型構(gòu)建等系列流程。

注：本文系國家出版融合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人民教育出版社人教數(shù)字教育研究院規(guī)劃課題“計(jì)算思維在小學(xué)創(chuàng)客類課程-Scratch教學(xué)中培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)研究”（課題批準(zhǔn)號RJB0520001）成果