指向計算思維培養(yǎng)的小學圖形化編程教學案例研究
——以“小貓出題”一課為例

孫婷婷

（江蘇南京市青云巷小學，江蘇 南京）

【案例背景】

根據(jù)《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版》的第三學段（5～6年級）中“身邊的算法”要求，義務(wù)教育信息科技教學由傳統(tǒng)的注重技能實操轉(zhuǎn)向更加強調(diào)學生計算思維等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。計算思維是指學生運用計算機科學領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計等一系列思維活動。

小學生的計算思維可塑性強，且計算思維是學生必備的基本能力素養(yǎng)之一。Scratch 圖形化編程語言具有操作簡單、畫面生動、積木搭建、模塊豐富等特點，通常用來制作小游戲、動畫、數(shù)學模型等。這不僅大大提高了學生的邏輯思維，還實現(xiàn)了算法應(yīng)用和思維的表達。通過案例研究分析和編程教學實踐，教師可以培養(yǎng)學生的計算思維。

【案例分析】

一、教材分析

本課是蘇科版小學信息科技五年級圖形化編程單元第10 課“小貓出題”。通過小貓隨機出兩個數(shù)順序相加，舉一反三，再提出減、乘和除計算，并拓展出多位數(shù)累加，引出高效的高斯算法。本課旨在讓學生借助真實案例，體驗問題解決，理解算法是解決某個特定任務(wù)的方法，是一系列解決問題的清晰指令。在體驗過程中，學生能用自然語言、流程圖等方式描述程序，能在分析程序的過程中進一步理解算法規(guī)則。通過完善和調(diào)試程序，驗證解決同一問題時不同算法所執(zhí)行步驟的次數(shù)及時間效率的高低，從而學會選擇并優(yōu)化算法。

二、學情分析

本課的教學對象是五年級的學生，他們具有較好的信息操作基礎(chǔ)，已經(jīng)學習了Scratch 教學單元的大部分模塊，經(jīng)歷了一些項目的實踐，掌握了基本的編程方法。他們具有初步的算法意識，但還未形成算法思維，他們的認知發(fā)展正處于從具象思維到抽象思維的過渡時期。在生活或數(shù)學學科的學習過程中，他們已經(jīng)了解并掌握了一些算法描述的方法和技巧，但是還沒有真正系統(tǒng)全面地認識和運用算法，同時缺少對算法的具體認識以及綜合分析能力，用計算機領(lǐng)域的思維去解決實際問題的能力并不強。所以在教學時，教師要把握這一階段學生的年齡特征和心智模式，注重具象內(nèi)容和抽象內(nèi)容的關(guān)系和平衡。

三、教法分析

從創(chuàng)設(shè)情境、新知學習、歸納梳理、拓展提升、遷移應(yīng)用五個方面分析學生計算思維培養(yǎng)的設(shè)計策略。根據(jù)特定問題，可以使用不同解決方法，并根據(jù)實際問題需求，優(yōu)化解決方法，選擇合適算法。

【案例描述】

一、創(chuàng)設(shè)情境，引出問題

新課標倡導(dǎo)基于真實問題情境開展項目式教學，借助問題驅(qū)動，結(jié)合流程圖，逆向推導(dǎo)，開展教與學活動。

活動1：小貓出題

問題描述：要求在舞臺上出示1~10 之間的兩個自然數(shù)相加，這兩個加數(shù)是隨機產(chǎn)生的，輸入答案后，程序會自動判斷答案是否正確，怎么實現(xiàn)？

問題分析：首先，要實現(xiàn)隨機兩個加數(shù)，需要用到變量存儲和隨機顯示這些控件；其次，變量這個概念是學生之前沒有接觸過的，如何解釋變量概念并讓學生能夠理解；最后，自動判斷如何實現(xiàn)。

小結(jié)：借助流程圖，學生用自然語言描述小貓出題的過程：新建三個變量分別是和、加數(shù)1 和加數(shù)2；設(shè)置和=加數(shù)1+加數(shù)2；開始判斷輸入的值，如果輸入的值即和=回答，那么外觀顯示答對了，否則顯示錯了。這種解決問題的方法，我們稱之為順序執(zhí)行，也叫順序法。

提問：請列舉小貓解決其他計算問題的事例。

設(shè)計意圖：本課內(nèi)容以游戲的形式展開，課堂氣氛活躍，學生能夠快速集中注意力。在問題解決中，流程圖是設(shè)計作品的基礎(chǔ)和依據(jù)，自然引出本課題——小貓出題。通過追問和列舉流程圖過程，學生明白了順序執(zhí)行算法在學習中的應(yīng)用，從而引入后續(xù)的教學。

二、新知學習，拆解腳本

通過“小貓出題”活動，學生對變量概念有了初步的認識，引出“數(shù)據(jù)”模塊。通過腳本搭建，將理論分析轉(zhuǎn)化為實踐操作，最后通過驗證，不斷調(diào)試腳本，優(yōu)化思維過程。通過Scratch 語言實現(xiàn)順序算法，體現(xiàn)計算思維。

活動2：新建變量、設(shè)置參數(shù)和回答

問題描述：新建變量在“數(shù)據(jù)”模塊中，設(shè)置參數(shù)在“數(shù)字和邏輯運算”模塊，回答在“偵測”模塊，需要注意些什么？

要求：參閱書本，小組討論完成。

新建三個變量，并嘗試命名。

問題分析：順序算法分析，根據(jù)問題描述如下。

①變量要關(guān)注命名過程。

②“數(shù)字和邏輯運算模塊”中的四個模塊可以對變量和數(shù)值進行計算。

③判斷腳本設(shè)置，借助邏輯運算。

設(shè)計意圖：將“小貓出題”腳本作為范例講解，闡述流程簡單且學生容易理解。繼而拋出一個與之類似的“兩個數(shù)的乘法運算”，通過知識遷移，讓學生嘗試模仿，搭建腳本，體驗順序結(jié)構(gòu)，結(jié)合判斷語句解決問題過程，這樣便能迅速調(diào)動學生探索的欲望，強化其對邏輯算法的理解，讓學生在模仿中建構(gòu)Scratch 編程。

三、知識梳理，理解算法

通過上述兩個活動，筆者總結(jié)出Scratch 語言能夠高效解決數(shù)學計算問題。以此類推，其他的簡單算式也可以通過加減乘除來表達，并可以通過后續(xù)的循環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計出多道算式的解法。

小結(jié)：隨機出題解決問題的考慮因素：（1）三點關(guān)鍵：對象、范圍和判斷條件。（2）算法特征：結(jié)果=回答，驗證正確。（3）程序結(jié)構(gòu)：循環(huán)判斷結(jié)構(gòu)。通過循環(huán)多次出題，如可以設(shè)計小貓出五道題。

順序結(jié)構(gòu)，外加循環(huán)并結(jié)合判斷控件可以解決很多有趣的數(shù)學問題。

設(shè)計意圖：梳理學生已經(jīng)建構(gòu)好的框架流程，關(guān)注算法的對象、范圍，確定合適的算法，并為后面的多個算法提供基礎(chǔ)，幫助學生形成編程解決問題的思想和方法。

四、拓展提升，應(yīng)用算法

活動3：計算1+2+3+…+100=？

問題描述：這是一道數(shù)學思維題，從1 累加到100求和，用Scratch 編程方法設(shè)計程序腳本。這種相較之前的出題，稍有區(qū)別。如果用硬算的方法，對于學生比較復(fù)雜，但是對于計算機卻是非常容易的。

問題分析：（1）涉及的數(shù)字范圍？（2）一共累加多少次？如何實現(xiàn)重復(fù)？（循環(huán)）（3）公式表達？

參考計算過程：

第1 步：0+1=1；

第2 步：1+2=3；

第3 步：3+3=6；

......

第100 步：4950+100=5050。

從上述的計算過程，我們可以看出，其實每一步計算的數(shù)字變化和計算方式都是有規(guī)律的，這就非常適合使用循環(huán)結(jié)構(gòu)來表達。

如果用Sn表示從1 累加到100 的自然數(shù)的和，用i表示1 到100 變化的加數(shù)，那么上述計算過程的規(guī)律就是：每一步都是用上一步累加的和Sn加上每一步變化的加數(shù)i。這個計算規(guī)律可用公式Sn=Sn+i 來表示。（這里“=”是賦值的意思）

驗證過程：（1）新建變量Sn和i；（2）將Sn和i 的初始值分別設(shè)定為0 和1；（3）將Sn設(shè)定為上一次累加的和Sn加上本次變化的加數(shù)i，每重復(fù)執(zhí)行一次，就將循環(huán)變量i 增加1，共重復(fù)執(zhí)行100 次；（4）添加“說….2秒”和“停止”這兩個控件。（5）單擊綠旗執(zhí)行所有腳本。

設(shè)計意圖：通過前面案例的學習，學生已經(jīng)熟練掌握了兩個隨機加數(shù)的腳本制作。這里將設(shè)計多個確定加數(shù)運算作為對象，不僅可以拓展鞏固前面的教學內(nèi)容，還可為下一個簡便高斯算法活動做鋪墊。通過重復(fù)執(zhí)行100 次循環(huán)的引入，學生掌握了多對象加法的算法編程結(jié)構(gòu)。

五、舉一反三，遷移應(yīng)用

活動4：計算1+2+3+…+99+100=？高斯算法

問題描述：在一次數(shù)學課上，教師同樣提出了這個數(shù)學問題：1+2+3+…+99+100=？小高斯并沒有運用依次累加的方法，而是另辟蹊徑，他是全班唯一一個又快又準地答對問題的同學。

問題分析：（1）涉及的數(shù)字范圍？（2）如何組合？（3）公式表達？

從上述的計算過程，我們可以看出，每組圓球上下相加都是101 個，這就非常適合用公式來表達。

同樣用Sn表示從1 累加到100 的自然數(shù)的和，用首項表示1 到100 變化的第一個自然數(shù)，末項表示最后一位自然數(shù)，項數(shù)代表從首項到末項一共有多少個自然數(shù)。上述計算過程的規(guī)律就是：用首項加末項的和乘以項數(shù)，最后再除以2。這個計算規(guī)律可用公式Sn=（首項+末項）×項數(shù)/2 來表示。

驗證過程：（1）新建變量Sn、首項、末項和項數(shù)；（2）將Sn、首項、末項和項數(shù)的初始值均設(shè)定為0；（3）將Sn設(shè)定為上一次累加的和Sn加上本次變化的加數(shù)i，每重復(fù)執(zhí)行一次；（4）通過偵測模塊里面的“詢問……并等待”控件，將首項、末項和項數(shù)三個變量均設(shè)定為回答。（5）借助數(shù)字和邏輯運算模塊將Sn公式進行表達。（6）外觀模塊顯示輸出結(jié)果。

思考：上述腳本中，程序腳本需要執(zhí)行幾次？相較于之前的逐個累加算法，高斯算法的優(yōu)點是什么？

高斯算法只需要執(zhí)行1 次，從時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度綜合考慮算法的效率，有效減少了計算機的執(zhí)行次數(shù)，縮小了累加范圍，實現(xiàn)了算法方案的最優(yōu)化。

小結(jié)：通過對比，我們發(fā)現(xiàn)，同一個問題可以從不同的角度思考解決問題的過程。高斯算法提升了算法執(zhí)行效率，因此在解決實際問題時應(yīng)用更為廣泛。

設(shè)計意圖：通過經(jīng)典數(shù)學題“高斯算法”案例，進一步鞏固本課教學目標，學生基本掌握了運用Scratch 編程解決生活中的數(shù)學問題，并能獨立編寫完整腳本。同時，通過比較兩種算法方案，引出算法優(yōu)化的思想，提高計算機的執(zhí)行效率，讓學生體會算法優(yōu)化的必要性，培養(yǎng)學生從多角度分析問題、驗證問題的能力，形成高階思維。

拓展提問：你聽過《九章算術(shù)》典籍嗎？里面有很多有趣的算法，你可以嘗試結(jié)合今天所學，運用Scratch 編程設(shè)計。

設(shè)計意圖：通過從中華典籍中拋出問題，拓展遷移算法的更多應(yīng)用，總結(jié)算法的思想，將算法作為學習的要點，讓學生養(yǎng)成算法思維，形成解決問題的思路。

【案例反思】

一、明晰課標要求，精準設(shè)計案例

算法是學生計算思維的核心要素之一，新課標要求以學生身邊的算法為載體，從生活實際出發(fā)，運用多種方法解決問題?！靶∝埑鲱}”考查的是隨機列出兩位數(shù)的加法，相對比較簡單，學生基本能夠通過流程圖講解，搭建過程腳本，拓展到經(jīng)典高斯算法，在由淺入深的一個個活動和問題鏈中感受算法的概念與特征。教師要運用合適的描述方法和控制結(jié)構(gòu)幫助學生理解，體驗使用圖形化編程實現(xiàn)算法程序設(shè)計的方法，感受算法效率的重要性，在不斷的調(diào)試驗證中感受成功的喜悅。所以，教師前期的精準教學設(shè)計和提前預(yù)設(shè)對學生的計算思維培養(yǎng)和邏輯性養(yǎng)成有重要意義。教學設(shè)計不僅要在內(nèi)容上凸顯新課標的要求，更要在理念上彰顯新課標的精神。如在順序算法的理解基礎(chǔ)上，進行累加算法和衍生出的高斯算法，體現(xiàn)了新課標強調(diào)的“科”與“技”并重的理念，以及技術(shù)定位即驗證、模擬，體現(xiàn)高階思維和深度學習。

二、分析教學內(nèi)容，有效開展活動

新課標中強調(diào)：“學生能進一步判斷解決同一問題的不同算法在時間效率上的高低。”朱彩蘭博士曾公開講座表示：新課標的編程活動，一方面要引導(dǎo)學生將初步獲得的理論應(yīng)用于實踐，檢驗、驗證算法的執(zhí)行可行性和執(zhí)行時間效率；另一方面要借助實踐活動加深學生印象，促進學生理解，實現(xiàn)認識與實踐的雙重循環(huán)。本節(jié)課筆者設(shè)計的四個活動均圍繞教學目標展開，層層遞進、系列關(guān)聯(lián)、邏輯性強、逐步優(yōu)化，引導(dǎo)學生經(jīng)歷算法解決問題的過程，推動了學生算法知識的學習，思維品質(zhì)得到提升。教學活動還要體現(xiàn)探究性、開放性、實踐性和可行性，使學生能夠閱讀理解，修改運行程序等，并保證學生至少掌握和正確運用一種算法。學生在體驗中具備了獨立思考的機會，課堂中適當安排小組協(xié)作，引導(dǎo)學生進行探究和交流。在全班互動的基礎(chǔ)上，靈活進行學生自評、互評和師評，提高班級整體參與度，進而提高課堂效率。

三、搭建學習支架，革新思維過程

在圖形化教學編程中，筆者結(jié)合學生反饋與課堂表現(xiàn)，提供個性化的助學支架。借助流程圖、微視頻和程序腳本等可視化媒體資源，幫助學生深層次體驗算法解決問題的全過程。通過對比不同的算法方案，學生能充分體會算法優(yōu)化的意義，從而全面提升學生的計算思維能力。

新課標強調(diào)，在信息科技教學中，教學內(nèi)容要滲透計算思維，而算法作為核心要素之一，對學生的重要性不言而喻。聚焦小學生計算思維素養(yǎng)培養(yǎng)，將知識建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入教與學全過程，還需要我們更加積極探索有效的策略方法。而后筆者也將繼續(xù)遵循學生的身心發(fā)展規(guī)律，甄選主題內(nèi)容和基礎(chǔ)知識，細化育人目標，優(yōu)化課程組織形式，全面提高學生的信息素養(yǎng)。