基于圖形化編程的 小學(xué)生高階思維培養(yǎng)策略

鄒衛(wèi)華

摘要：本文介紹了“圖形化編程”和“兒童信息學(xué)習(xí)的高階思維”基本內(nèi)容與一般特點(diǎn)，重點(diǎn)論述了圖形化編程教學(xué)培養(yǎng)小學(xué)生高階思維的現(xiàn)實(shí)意義與可行性，并根據(jù)教學(xué)實(shí)踐提出了培養(yǎng)學(xué)生“高階思維”的具體策略。

關(guān)鍵詞：圖形化編程;小學(xué)生;高階思維

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）06-0000-03

● 圖形化編程教學(xué)的基本內(nèi)容與一般特點(diǎn)

1.基本內(nèi)容

圖形化編程一般指專為兒童學(xué)編程開發(fā)的積木式程序設(shè)計(jì)語言，它以形象直觀的積木指令幫助學(xué)生在創(chuàng)作中學(xué)習(xí)編程，表達(dá)自己的想法。教學(xué)目的是讓學(xué)生通過模塊的組合感受編程的過程，理解典型語句的含義，并能通過一定的腳本來表現(xiàn)自我設(shè)計(jì)的作品。

2.一般特點(diǎn)

①可視化。在圖形化編程中，構(gòu)成程序的命令和參數(shù)通過積木形狀的模塊來實(shí)現(xiàn)。編輯好的程序代碼、用來選擇的功能控件、程序預(yù)覽和運(yùn)行都可一覽無余。②游戲性。圖形化編程可以很容易地創(chuàng)造交互式故事情節(jié)，學(xué)生在編程的過程中自己選擇角色、舞臺背景，可以大大增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。③互動性。雖然制作中的程序只能在軟件環(huán)境下運(yùn)行，但發(fā)布后的程序則一般都可在網(wǎng)頁內(nèi)運(yùn)行，孩子們能與愛好者們對作品進(jìn)行交流。

● 高階思維的基本內(nèi)容與一般特點(diǎn)

1.基本內(nèi)容

高階思維是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動或認(rèn)知能力，是以問題求解、決策、批判性思維和創(chuàng)新性思維為核心的思維能力。高階思維是高階能力的核心，主要指創(chuàng)新能力、問題求解能力、決策力和批判思維能力。

2.一般特點(diǎn)

①批判性。批判性思維主要是對相信什么和干什么做出判斷，這種判斷需要有分析和評價。而分析、評價是高階思維的組成要素。高階思維的分析和評價需要做到清楚、準(zhǔn)確、相關(guān)、有深度，并具有嚴(yán)格的邏輯性。②求異性。高階思維是從新的思維角度去思考問題，以求得問題的解決。高階思維十分注重培養(yǎng)思維的求異性，逐漸形成具有多方位、多角度的思維方法與能力。③創(chuàng)造性。創(chuàng)造性主要包括發(fā)明和發(fā)現(xiàn)兩方面的表現(xiàn)，高階思維具有的創(chuàng)造性主要是指后者。高階思維能力中的一個重要能力就是創(chuàng)造的思維，它提倡人們能別出心裁地思考并做出判斷。

● 基于圖形化編程教學(xué)培養(yǎng)小學(xué)生高階思維的現(xiàn)實(shí)意義與可行性

1.現(xiàn)實(shí)意義

（1）加強(qiáng)思維的具象性。小學(xué)生擅長形象思維，其形象思維具有直觀性、整體性、靈活性等特點(diǎn)，圖形化編程可以起到激發(fā)學(xué)生靈感的作用。如果在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中以可視化來學(xué)習(xí)程序編寫，則能讓小學(xué)生獲得更多豐富的表象，培養(yǎng)學(xué)生的聯(lián)想能力、想象能力、創(chuàng)新能力。

（2）加強(qiáng)思維的邏輯性。邏輯思維是人們在認(rèn)識過程中借助概念、判斷、推理反映現(xiàn)實(shí)的過程。它是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程重要的思維能力。從小學(xué)生的思維特點(diǎn)來看，他們正處在從具體形象思維向抽象邏輯思維過渡的階段，所以在小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生初步的邏輯思維，對提升其信息素養(yǎng)具有重要的作用。

（3）加強(qiáng)思維的創(chuàng)造性。創(chuàng)新能力是中小學(xué)生能力中最重要、最寶貴、層次最高的一種綜合性能力，但目前的小學(xué)信息技術(shù)教育對學(xué)生的創(chuàng)造性思維培養(yǎng)非常有限，而在信息技術(shù)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)語言編程被公認(rèn)是最具創(chuàng)造性的活動，可以鍛煉學(xué)生的邏輯思維、自學(xué)能力。

2.可行性分析

（1）圖形化編程的編程技術(shù)開發(fā)定位。圖形化編程開發(fā)定位對象是少兒，所以圖形化編程教學(xué)的目的不是培養(yǎng)程序員，而是通過教育活動，向?qū)W生滲透程序設(shè)計(jì)思想，促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才打好基礎(chǔ)。

（2）圖形化編程提供自然視角下的編程邏輯。在以往的程序編寫過程中，編寫者面對的是一些語句與數(shù)據(jù)，沒有實(shí)時的程序輸出結(jié)果，這對初步具有邏輯思維的小學(xué)生來說是難點(diǎn)。圖形化編程一般是由一些“角色”配上“舞臺”，讓角色在舞臺上移動，或與其他角色交互。這樣，小學(xué)生就能指揮“角色”玩“卡通游戲”，既將程序編寫具象化，直觀呈現(xiàn)自己的編程意圖與邏輯思考，又極富情趣。

● 基于圖形化編程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生高階思維的具體策略

1.以非線性智能程序培養(yǎng)多向思維

在教授學(xué)生圖形化程序編寫時，教師一般是從最簡單的線性程序編寫入手，如完成一個或多個任務(wù)，從任務(wù)開始至結(jié)束，都是一線貫之。這種程序簡單，執(zhí)行時不容易出現(xiàn)錯誤，但長期執(zhí)行這種編程思想即學(xué)生真正掌握智能化程序的編寫不利。

所謂“智能化”的程序，是指程序在未知環(huán)境下能相機(jī)、隨時地處理各種任務(wù)，這種任務(wù)處理往往是選擇性執(zhí)行，或是并行性執(zhí)行。這就使得處理任務(wù)的先后順序不是線性的，而是非線性的。學(xué)習(xí)編寫非線性的程序之前，教師應(yīng)讓學(xué)生對程序處理任務(wù)時面臨的種種可能性進(jìn)行預(yù)測評估，讓他們盡可能預(yù)測所有可能性，然后把想到的“可能”進(jìn)行分類，把每類“可能”定義為一種任務(wù)，分別制訂最有效的策略來應(yīng)對處理。在編寫處理的具體子程序時，在程序代碼上把每個任務(wù)子程序的啟動賦予觸發(fā)事件。在具體的編寫技巧上要善用各類“運(yùn)動”和“控制”控件來創(chuàng)建子程序體，使程序高效簡潔，要善用“事件”“偵測”命令來分解任務(wù)，并聯(lián)子程序體，使程序靈活智能。

另外，在編寫高級的非線性程序時，離不開基于傳感器的行為編程設(shè)計(jì)。例如，某個具體任務(wù)子程序的觸發(fā)，可以用不同類別的傳感器返回的值來觸發(fā)不同類別的任務(wù)子程序，這樣就能實(shí)現(xiàn)程序探測和處理多目標(biāo)的控制任務(wù)，模仿人類探索未知環(huán)境的過程。

總之，在任務(wù)分解及整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，要善用非線性編寫法，善用基于傳感器的行為編程設(shè)計(jì)，以此來應(yīng)對多任務(wù)的情況。這樣的程序編寫思想，有利于培養(yǎng)學(xué)生多向思維、全向思維。

2.以算法優(yōu)化培養(yǎng)邏輯思維

任何語言程序的編寫與算法的優(yōu)化都不只有一種，圖形化編程也不例外。在實(shí)際的學(xué)習(xí)過程中，小學(xué)生會發(fā)現(xiàn)截然相反的命令組合，卻可以實(shí)現(xiàn)相同的效果，如移動與翻轉(zhuǎn)，只要在給予的角度上做一些小變化，就能到達(dá)相同的坐標(biāo)或位置。又如在“控制”中，通過“如果、否則”的不同表達(dá)，也能實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。再如用數(shù)個命令模塊堆疊，卻可以用“重復(fù)執(zhí)行多少數(shù)”來簡化……這些都可以讓學(xué)生在繁簡之間對比取舍，在取得優(yōu)化與效率的過程中培養(yǎng)多向思維能力。在這樣的過程中，小學(xué)生會經(jīng)歷以下三方面的思維訓(xùn)練：

（1）規(guī)劃算法。面對圖形化編程中的角色移動、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、反彈等，小學(xué)生都有一個從動畫到語言的分析過程，如簡單移動還是復(fù)雜翻轉(zhuǎn)，學(xué)生需要思考移動多少步，旋轉(zhuǎn)多少度，面對多少度方向……尤其是翻轉(zhuǎn)，需要算出轉(zhuǎn)向的角度與“重復(fù)執(zhí)行”的次數(shù)。這樣的算法初步練習(xí)，是一種從形象走向邏輯的過程，能讓小學(xué)生從具象分析中驗(yàn)證自己的程序邏輯，進(jìn)一步提升自己的計(jì)算機(jī)邏輯分析能力。

（2）聯(lián)系命令。圖形化編程積木式的控件非常簡單，學(xué)生在理解自然語言命令的基礎(chǔ)上能快速熟練地運(yùn)用控件“堆疊”腳本。但隨著學(xué)習(xí)的深入，角色運(yùn)動越來越復(fù)雜，命令的組合應(yīng)用情況會增多，這將考驗(yàn)學(xué)生對控件的靈活組合能力。理解控件間的聯(lián)系，特別是“偵測”“運(yùn)算符”“數(shù)據(jù)”中嵌套使用變量等，能讓小學(xué)生在體驗(yàn)程序多變的同時，提升計(jì)算思維能力。

（3）明確流程。圖形化編程是嚴(yán)肅的編程語言，有嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)。小學(xué)生雖然用控件編排，但也要編寫常量與變量，對整個流程進(jìn)行分析，對自己的程序指令進(jìn)行邏輯安排，只有這樣才能順利完成任務(wù)。這就需要小學(xué)生在編程時，明確流程。準(zhǔn)確定義條件、變量范圍等，明白程序的分支作用，經(jīng)歷這樣的過程，小學(xué)生的邏輯思維能力也得到。

3.以軟硬結(jié)合培養(yǎng)解決實(shí)際問題的創(chuàng)新思維

信息時代從某種意義上來說就是傳感器的時代。傳感器就像是程序的感覺系統(tǒng)，它能為程序獲取外界的各類數(shù)據(jù)信息。如今，開發(fā)的供程序使用的傳感器種類繁多，如光電傳感器、聲音傳感器、溫濕傳感器、觸動傳感器、紅外傳感器、角度傳感器等，每種傳感器上都配有模數(shù)轉(zhuǎn)換部件，以便將采集到的各種模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字量。

圖形化編程內(nèi)置的程序控件能通過一些外部接口程序（如Arduino等）支持外部硬件及多種傳感器。通過各類傳感器，如聲音傳感器、光電傳感器等獲取外部真實(shí)數(shù)據(jù)，以此作為變量值，小學(xué)生就能編制出各種真實(shí)的生活類處置程序。這樣不但可以激發(fā)小學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能在實(shí)際的生活任務(wù)中，培養(yǎng)小學(xué)生的問題解決能力及分析能力。

另外，圖形化編程擴(kuò)展到真實(shí)生活類編程，需要小學(xué)生理解一些常見的物理特性，了解常用的傳感器，了解生活物理中的距離、角度和光亮、聲音、溫度等概念。而將這些數(shù)理知識融合到編程游戲中，能讓學(xué)生自然接受，使編程成為一種“生活玩具游戲”，在直觀運(yùn)動中體現(xiàn)編程結(jié)果，讓學(xué)生在游戲中思考，在趣味中培養(yǎng)創(chuàng)造性思維。

在實(shí)際的教學(xué)過程中，筆者深深感受到，圖形可視化編程學(xué)習(xí)能讓小學(xué)生在愉快的環(huán)境中通過實(shí)驗(yàn)（如設(shè)計(jì)互動故事）去學(xué)習(xí)簡單有趣的程序設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)和計(jì)算知識，而更有價值的是，能讓他們發(fā)展計(jì)算邏輯、創(chuàng)造性思維的能力。