基于計算思維的Scratch課堂教學(xué)模式實踐研究

摘 ? 要：Scratch是小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生思維能力的熱門編程語言，同時，也是小學(xué)信息科技地圖版教材第五單元《探究活動——編程世界探秘》中的教學(xué)內(nèi)容。文章結(jié)合日常教學(xué)活動，探索基于學(xué)生計算思維的Scratch課堂教學(xué)模式，使學(xué)生可以根據(jù)條件的不同，從不同角度思考問題，促進學(xué)生思維活動多元化，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)方法和思維習(xí)慣，提升學(xué)生計算思維能力，更好地指導(dǎo)學(xué)生解決問題與操作實踐。

關(guān)鍵詞：教學(xué)模式;計算思維;Scratch課堂教學(xué)

中圖分類號：G434 ? ? ? ? 文獻標志碼：B ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2022）06-0111-06

Scratch是小學(xué)三年級信息科技教材（地圖版）2019年新增的一部分教學(xué)內(nèi)容，是適合小學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐操作的入門編程語言。教師在Scratch課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，在培養(yǎng)學(xué)生計算思維的過程中探索Scratch課堂教學(xué)模式，相輔相成，相得益彰。目前，Scratch課堂沒有固定的教法和定論，大多教師都在摸索探究，尋求最好的教學(xué)方法和策略。探索基于計算思維的Scratch課堂教學(xué)模式，有益于系統(tǒng)規(guī)范地整合Scratch課堂教學(xué)，有益于為小學(xué)階段編程教學(xué)提供更多支持，有益于大幅度提升學(xué)生的計算思維。

一、實踐背景

（一）培養(yǎng)學(xué)生思維能力的必要性

現(xiàn)在的信息科技課堂中教師過多地關(guān)注學(xué)生某些技能的操練與落實，學(xué)生僅僅停留在教師怎么演示操作就怎么模仿的簡單技能訓(xùn)練階段。而對小學(xué)生而言，信息技術(shù)教育的主要目標不僅僅在于識記知識、提升動手技能，更重要的是培養(yǎng)創(chuàng)造力和創(chuàng)新力。而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)關(guān)鍵是思維的訓(xùn)練。程序思維方法本質(zhì)上是對問題進行分析和解決的方法，是一種非常重要的思維訓(xùn)練思路，是和物理學(xué)、傳統(tǒng)數(shù)學(xué)相結(jié)合的思維方式。小學(xué)生開展程序設(shè)計教學(xué)并不是為了培養(yǎng)編程高手，而是通過程序的學(xué)習(xí)體驗和親手編寫，提升學(xué)生對問題的分析能力和解決能力，增強學(xué)生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新力，在思維層面上幫助學(xué)生去思考、分析、解決問題。學(xué)生在小學(xué)階段的智力和思維日益成熟，通過開展程序設(shè)計課程，不但可以提升學(xué)生的計算思維，還可以減少學(xué)習(xí)的障礙。

（二）Scratch 教學(xué)實踐的可行性

從應(yīng)用的軟件工具層面來看，將編程語言作為一種工具納入小學(xué)生課程內(nèi)容具有較高的可操作性。一方面編程語言的難易度在降低，另一方面編程語言的學(xué)習(xí)有利于開拓學(xué)生思考問題的思路。現(xiàn)階段，編程語言持續(xù)發(fā)展，其難度不斷下降，學(xué)生的接受度相對較高。[1]例如，本文的Scratch 語言的結(jié)構(gòu)比較簡單，即便計算機學(xué)習(xí)能力不足的學(xué)生依然可以掌握，小學(xué)生可以比較快速地掌握相關(guān)知識和技能，進而提高對內(nèi)容的應(yīng)用能力，有利于擴展思維，為后續(xù)的發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。

從學(xué)生的心理發(fā)展階段來看，運用Scratch編程語言培養(yǎng)學(xué)生的計算思維有較好的可行性。小學(xué)生從具象思維逐步向抽象邏輯思維過渡，可是，這類抽象思維能力在很大程度上仍然取決于實踐經(jīng)驗，具象思維的成分仍然較高。[2]傳統(tǒng)程序設(shè)計語言在邏輯層面上具有一定復(fù)雜性，在語法結(jié)構(gòu)層面上具有一定煩瑣性，進而導(dǎo)致學(xué)生對學(xué)習(xí)編程語言失去興趣，納入小學(xué)課程的難度較高。相對而言，Scratch編程語言可以采用堆積木的形式，形象地將繁雜語言簡化成積木塊。這樣，雖然沒有將程序代碼納入課程，但是其編程思維并沒有改變，小學(xué)生更容易接受也更容易上手操作。

二、實踐研究

編程教學(xué)是信息科技課堂中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的主要方式之一。但大多編程軟件都比較專業(yè)，代碼的編寫都不適合青少年學(xué)生操作。Scratch軟件的可視化編程界面，積木堆積式程序編寫大幅度降低編程的門檻，提升學(xué)生學(xué)習(xí)編程的信心。運用Scratch軟件課堂教學(xué)時，學(xué)生面對實際或情境中的問題，進行分析，提出解決方案，編程并測試修改方案，歸納總結(jié)同類問題的解決方法，這一學(xué)習(xí)過程都在培養(yǎng)和提升學(xué)生的計算思維。

（一）基于計算思維的Scratch課堂教學(xué)模式

2006 年美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University，簡稱CMU）周以真教授提出：計算思維是一種運用計算機科學(xué)基本概念求解問題、設(shè)計系統(tǒng)、理解人類行為的一系列思維活動，它包含抽象、分解、模式識別、算法思維、概括五個核心元素。[3]當今社會，數(shù)字化和計算化已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鞣矫妗Ｒ囵B(yǎng)信息化時代的人才，就要培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代信息化時代發(fā)展的思維能力——計算思維。計算思維能幫助學(xué)生高效地將復(fù)雜棘手的問題化為簡單可處理的問題，并通過計算機操作歸納整合類似難題的解決方案，科學(xué)有效地解決學(xué)習(xí)和生活中的困難。計算思維在學(xué)生的學(xué)習(xí)與生活中起到很重要的作用。本文通過課堂教學(xué)實踐，歸納基于小學(xué)生計算思維培養(yǎng)的Scratch課堂教學(xué)模式，如表1所示。

（二）基于計算思維的Scratch課堂教學(xué)案例

研究以“穿越迷宮吃小魚”為例，介紹Scratch課堂教學(xué)模式在日常教學(xué)中的運用。小貓只有穿越復(fù)雜的迷宮才能到達終點吃到心愛的小魚，在路上碰到黑色的迷宮墻壁就會失敗回到起點，并在游戲過程中統(tǒng)計失敗次數(shù)，如圖1所示。

1.情境體驗、提取問題

有趣的情境引人入勝，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中充滿興趣、主動思考、大膽想象、勇于創(chuàng)新。

教學(xué)片段1：

師：一只饑腸轆轆的小貓在到處覓食，它餓得眼冒金星，不小心闖進了一個機關(guān)重重的迷宮。但塞翁失馬，焉知非福，它得到迷宮出口有一條小魚的消息。它多想走出迷宮，飽餐一頓啊！

師：我看同學(xué)們都迫不及待想幫助小貓吃小魚了，那我們一起來體驗這個迷宮小游戲吧！

（學(xué)生體驗“穿越迷宮吃小魚”Scratch小游戲）49A3527E-EBC1-47E4-99B7-D2E3C5CA7EFE

師：誰能分享一下，你的小貓順利地吃到小魚了嗎？又是如何穿越迷宮吃到小魚的呢？

生：我的小貓吃到小魚了。我按鍵盤上的上下左右鍵控制小貓往上下左右四個方向移動。穿越迷宮時要注意不能碰到黑色的迷宮墻壁，如果不小心碰到，小貓就會被打回原處，我的小貓被打回了兩次，上面的失敗次數(shù)就顯示2。不過，我的小貓第三次的時候終于吃到小魚了！

師：這個Scratch小游戲是如何制作的呢？這節(jié)課讓我們一起來探討吧。

在體驗“穿越迷宮吃小魚”的游戲過程中，學(xué)生不僅能親身體驗Scratch編寫游戲的趣味，還感受到成功闖出迷宮吃到小魚的樂趣，利于激發(fā)學(xué)生編寫程序的愿望。此環(huán)節(jié)教師可將情境帶入編程環(huán)境，用自然語言過渡到程序語言，為接下來的Scratch編程學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)，提升學(xué)生由具體到抽象的計算思維。

2.主動思考、分析問題

計算思維是將復(fù)雜的問題分解成一個個學(xué)生可以解決的問題?！按┰矫詫m吃小魚”的游戲顯然不是一兩句代碼就能實現(xiàn)的，需要學(xué)生清楚準備哪些素材、哪些關(guān)鍵的操作能完成游戲。筆者基于日常的Scratch教學(xué)總結(jié)出“素材表”和“關(guān)鍵步驟操作匯總表”，體現(xiàn)這堂課學(xué)生的反饋情況，如表2、3所示。

素材表能讓學(xué)生明確地知道需要準備的素材，提前搜集或繪制。關(guān)鍵步驟匯總表其實是幫助學(xué)生分解復(fù)雜的程序，用自然語言描述流程，為接下來的程序語言編寫奠定基礎(chǔ)。理清“素材表”和“關(guān)鍵操作步驟匯總表”，有利于學(xué)生分解難題、分析程序、降低編程的難度。學(xué)生在課堂中發(fā)散思維，有序有目的地思考，這也是提高分解、模式識別思維不可或缺的一個過程。

3.提出方案、繪制流程

完成作品的分析之后，就可以著手開始設(shè)計程序。流程圖是幫助思考、編寫程序最實用的輔助工具;是自然語言和程序語言的無縫對接最堅固的橋梁。本作品中最難的一步是程序一直循環(huán)做無限次數(shù)的判斷：判斷是否按下上下左右鍵，判斷小貓是否碰到黑色的墻壁，直到小貓吃到小魚。流程如圖2所示。

教學(xué)片段2：

師：誰能用自己的話說一說小貓是如何根據(jù)上下左右鍵進行移動的？

生：當按下一次上鍵的時候，小貓面向0度方向（上）移動10步;當按下一次下鍵的時候，小貓面向180度方向（下）移動10步……

師：那電腦是怎么判斷你是否按下鍵盤、按下的什么鍵呢？

生1：我猜電腦一直在不停地偵測、在判斷。

生2：不停偵測可以用循環(huán)語句，判斷不同的按鍵可以用判斷語句。

師：同學(xué)們說得都非常好。

……

從上一環(huán)節(jié)學(xué)生用自然語言描述關(guān)鍵步驟，到這一環(huán)節(jié)運用流程圖清晰地展現(xiàn)程序流程并分段編寫代碼，學(xué)生在探索中較輕易地就實現(xiàn)了作品的程序設(shè)計，這一過程體現(xiàn)出將復(fù)雜的問題簡單化的思維。其中，在判斷是否按下上下左右鍵時，一個按鈕成功，其他三個按鍵皆可尋求相同的規(guī)律進行代碼編寫，這體現(xiàn)出計算思維養(yǎng)成過程中通過計算機操作歸納整合類似難題的解決過程。學(xué)生在Scratch課堂中經(jīng)歷思考、探索、尋求解決方案的完整過程，計算思維中的分解、算法思維得到很好的鍛煉。

4.編程測試、修改程序

程序優(yōu)化是對解題方法進行選擇并證明為策略的過程。而策略的產(chǎn)生及其正確性被證實的過程，又常常被視為創(chuàng)造的過程或解決問題的過程。在程序優(yōu)化的過程中，教師需要指導(dǎo)學(xué)生解決為什么要優(yōu)化、優(yōu)化的目標是什么、哪些部分需要優(yōu)化三個問題。學(xué)生在思考這三個問題的過程中，思維的方向不再停留于問題解決的可行性與合理性，更要趨向理解、調(diào)和問題的各種解決方法。因此，在程序優(yōu)化的過程中，教師需要指導(dǎo)學(xué)生從解決問題的方法集合中選擇最佳方法，或者將諸多解決問題方法的步驟擇優(yōu)并重新組合，提升問題解決的質(zhì)量和效率，促使學(xué)生的思維從發(fā)散重新回歸到收斂，從而培養(yǎng)思維能力。[4]

而程序設(shè)計不可能是一次就實現(xiàn)預(yù)期效果的，總要經(jīng)過幾輪測試和優(yōu)化。在測試Scratch程序的過程中，任何一個積木塊的運用都可能導(dǎo)致最后的結(jié)果和預(yù)期不一致。筆者認為此時就要用好“程序優(yōu)化表”，結(jié)合本課學(xué)生的反饋，如表4所示。

在對程序的調(diào)試過程中，學(xué)生不斷進行測試、查錯、糾正、完善，反復(fù)磨練和思考，大幅度提升實踐能力和算法思維。

5.同類歸納、交流分享

在規(guī)劃和制作作品之后，學(xué)生在班級內(nèi)分享作品，以及制作作品過程中碰到的困難及其解決方法。在“穿越迷宮吃小魚”的交流分享中，要求學(xué)生分享作品設(shè)計思路及制作過程，其他學(xué)生認真傾聽并同時思考，根據(jù)作者的分享提出修改意見，尋求更好的程序設(shè)計方案。整個交流分享的過程不僅鍛煉學(xué)生語言表達能力，促其整理思路，還可以總結(jié)歸納這類問題的解決方法。計算思維中概括這一理念更是得到淋漓盡致的體現(xiàn)。

在Scratch課堂教學(xué)五個環(huán)節(jié)中，無不與計算思維的五個核心元素（抽象、分解、模式識別、算法思維、概括）一一對應(yīng)、緊密相連。基于計算思維的Scratch課堂教學(xué)模式初步成型。

三、實踐成效與反思

筆者在Scratch課堂中，運用以上教學(xué)模式開展教學(xué)，收獲頗豐，教師和學(xué)生熟悉課堂流程，教和學(xué)都開展得有條不紊。

（一）提出多解方案，編程測試，提高學(xué)生的計算思維

學(xué)生對一個問題多種解法的探求過程本身就是計算思維運用的過程，教師要對學(xué)生進行啟發(fā)引導(dǎo)，學(xué)生分解問題、提出多種解決方法，通過編程測試解決問題，最后梳理解決問題的過程，總結(jié)經(jīng)驗，此過程中提高計算思維。

筆者根據(jù)計算思維的要素，設(shè)計兩組14個題目，為期一個學(xué)期，在Scratch教學(xué)開始和結(jié)束時分別通過問卷星進行測試并對比數(shù)據(jù)，第一次回收218份，其中有效問卷為210份，有效率達 96.3%，第二次回收215份，其中有效問卷為 205份，有效率達 95.3%。分數(shù)描述性統(tǒng)計分析如表5所示，測試題例如圖3所示。49A3527E-EBC1-47E4-99B7-D2E3C5CA7EFE

雖然樣本數(shù)量和測試題目存在局限性，但是根據(jù)實施課堂教學(xué)前后的兩組測試數(shù)據(jù)對比看出，均值增高，方差變小，說明通過一段時間的Scratch課堂學(xué)習(xí)，學(xué)生總體計算思維水平有所提高。

（二）革新課堂模式，探究嘗試，增強師生創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)的信息科技課堂更注重計算機操作技術(shù)的傳授，教師示范、學(xué)生模仿，教師在常規(guī)講授中失去課堂創(chuàng)新的動力，學(xué)生在模仿的過程中失去創(chuàng)新解決問題的能力。

筆者嘗試改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，革新課堂模式。教師只做拋磚人，以情境或?qū)嶋H問題導(dǎo)入，引導(dǎo)學(xué)生思考，在適當?shù)臅r候提供學(xué)生探究的學(xué)習(xí)支架，給學(xué)生足夠的思考時間和探究空間。學(xué)生在碰到問題時，主動分析問題，提出解決方案，繪制流程圖，用Scratch軟件編寫調(diào)試程序，最終解決問題并總結(jié)經(jīng)驗。教師給學(xué)生創(chuàng)新性解決問題的機會，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，學(xué)生成功解決問題給教師提升創(chuàng)新課堂的信心和動力，此為一個良性循環(huán)，師生共同增強創(chuàng)新能力。

（三）回顧實施情況，反思分析，優(yōu)化課堂教學(xué)方式

在Scratch課堂教學(xué)模式實踐以來，學(xué)生計算思維水平得到提高，教師課堂新模式得到肯定。但是，在實踐的過程中還存在一些現(xiàn)實問題，有待我們不斷探索和改進，在實踐中優(yōu)化課堂教學(xué)模式。

1.教師選擇合適的教學(xué)內(nèi)容，以程序設(shè)計為突破口，設(shè)計更多適合學(xué)生的課例。生活中的實際問題能大幅度提高學(xué)生解決問題的興趣，教師需要善于發(fā)現(xiàn)生活中具有程序特征的事物。例如，每天早上學(xué)生需測量體溫后進班，假設(shè)今天沒有人請假，變量為進入班級的學(xué)生數(shù)，條件判斷為體溫小于37度，條件成立則學(xué)生進入班級、變量數(shù)加一，循環(huán)這個判斷直到變量等于這個班級的總?cè)藬?shù)。

2.利用更加有效的過程性評價工具或方式去跟蹤、指導(dǎo)學(xué)生計算思維的變化過程。有力的科學(xué)數(shù)據(jù)有利于教師及時調(diào)整教學(xué)設(shè)計，利用過程性評價才能更好地體現(xiàn)學(xué)生計算思維的變化。例如，制定過程性評價表，多時間點記錄學(xué)生成績的變化，多方面記錄學(xué)生習(xí)慣的變化。

在Scratch課堂中，學(xué)生自主分析問題、解決問題，提高計算思維;學(xué)生編程調(diào)試、自主探究，收獲創(chuàng)新探究的樂趣。在Scratch課堂教學(xué)中注重學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，自主、合作、探究學(xué)習(xí)，為終生發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]王吉慶.Scratch課程的一種內(nèi)在價值[J].中國電化教育，2013（8）：43-47.

[2]吳秋紅.兒童編程軟件Scratch教學(xué)應(yīng)用[J].教學(xué)實踐，2013（4）：13-14.

[3]張立國，王國華.計算思維：信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的核心議題[J].電化教育研究，2018，39（5）：115-121.

[4]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（11）：116-120.

作者簡介：

蔡杰，二級教師，本科，主要研究方向為小學(xué)信息科技教學(xué)，郵箱：2045819249@qq.com。

Practical Research on Scratch Classroom Teaching Mode Based

on Computational Thinking

Jie CAI

（Dongmen Primary School， Chongming District， Shanghai 202150）

Abstract： Scratch is an attractive programming language which aims to develop students thinking skills in primary schools. Meanwhile， it is the teaching content of courses from the unit 5 exploratory activities which entitles “exploration of the programming world” in map version of information technology of elementary school. By connecting with the daily teaching activities， this paper explores Scratchs teaching mode based on students computational thinking ability that can enable students to think and solve questions from different conditions and standpoints， promote the diversity of students thinking activities， develop good learning methods and thinking habits， enhance their thinking ability， and better guide students in practical problems solving and actual operation.

Keywords： Models of teaching; Computational thinking; Scratch classroom teaching

編輯：王天鵬 ? 校對：王曉明49A3527E-EBC1-47E4-99B7-D2E3C5CA7EFE