基于計算思維的創(chuàng)意編程教學策略

【摘 要】在計算思維理論指導下，教師要合理設計創(chuàng)意編程課程，選擇學思融通等教學方式調整學生的學習行為。本文從問題的發(fā)現(xiàn)與思考、模型的歸納與遷移、程序的編寫與優(yōu)化三個方面闡述如何在教學中使用相應的策略讓學生經歷學習的全過程。

【關鍵詞】計算思維;創(chuàng)意編程;教學策略;學思融通

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）07-056-03

隨著大數據、人工智能等技術的迅猛發(fā)展，在信息技術課程教學中培養(yǎng)學生計算思維與創(chuàng)造能力已成為適應信息時代的需要。新課程改革的背景下，基于計算思維的創(chuàng)意編程教學，教師要結合多方位、多角度的學習策略調整學生學習行為，引導學生經歷發(fā)現(xiàn)與思考問題、歸納與遷移模型、編寫與優(yōu)化程序等全過程，培養(yǎng)學生學科學、愛科學、用科學的科學精神，提升其信息技術核心素養(yǎng)。

問題的發(fā)現(xiàn)與思考

亞里士多德有句名言：思維自疑問和驚奇開始。孔子也曾說過，疑是思之始，學之端。常疑常思，常思常新。因而在創(chuàng)意編程活動的各個環(huán)節(jié)，教師都需要精心地設計問題，引導學生進入積極的思維狀態(tài)，讓學生學會從學習生活的具體現(xiàn)象與事物中發(fā)現(xiàn)問題，應用關注點分離、計算參與等策略來思考問題[1]。

1.設計問題的教學策略

《江蘇省義務教育階段信息技術課程指導綱要》中，將“初步感悟信息技術在人類生產與生活中的重要價值，嘗試運用計算思維識別與分析問題，抽象、建模與設計系統(tǒng)性解決方案”作為學科課程目標，倡導探究式學習方法，重視學生的自主學習。

首先，問題設計聯(lián)系學習生活。創(chuàng)意編程問題來源于學生的生活實際，如數學、音樂、生活起居、園藝苗圃等，教師精選其中學生感興趣、有價值、易操作的內容，如藝術圖形、智能家居、無人駕駛等，給予適當的引導、點撥，優(yōu)選主要問題進行研究。其次，問題設計要面向全體學生。教師引導學生小組協(xié)作，制訂項目需求，多角度、多層次設計問題：創(chuàng)作思路、問題解決之法、編程知識的重難點、作品迭代更新修改、程序調試運行預設等。同時把握好時機，問在學生“欲發(fā)而未發(fā)”之前，問在學生“似懂而非懂”之處，問在學生“無疑與有疑”之際[2]。再次，問題設計需要學科思維主導。學生分析編程項目，從不同角度、不同層次設計與篩選問題，體現(xiàn)感知模塊化、面向對象、迭代等基本的軟件工程思想。教師要引導學生融合學科知識，主動探索，樂于嘗試，建構并完善程序設計知識體系，鍛煉系統(tǒng)思維和計算思維能力。最后，問題設計要兼顧學習工具。當前創(chuàng)意編程的工具根據年齡和學段的差異，主要有不插電編程、圖形化編程、代碼編程、開源硬件編程等。師生可靈活選擇學習工具或組合應用，兼顧程序的移植和硬件的搭配。

2.解決問題的教學策略

計算思維為創(chuàng)意編程教學活動提供了活力，教師可以用計算參與的方法使學生真正成為問題的發(fā)現(xiàn)者，面對復雜問題時主動探索問題本質，進而拆解成易于解決的小問題。一是問題關注點分離。如對開源硬件智能設計、人機交互游戲等項目做合理的分解，控制問題復雜性，提高可理解性，再分別研究項目任務的不同側面，最后綜合各方面的成果，合成整體的解決方案[3]。二是探索計算參與教學。美國Yasmin B.Kafai教授指出，以“社會化轉向”為特征的計算參與是培養(yǎng)學生計算思維的新范型。教師可以從“編寫代碼到創(chuàng)建應用”“設計工具到促進社區(qū)”“白手起家到再創(chuàng)作他人成果”這三個維度[4]，側重開展應用層面的編程教學，擴大學生的參與面。三是培養(yǎng)可視化思維。如在以“斐波那契樹”等數學、物理學科內容解析為認知導向的學習活動中，教師應用思維導圖建立知識習得的途徑，將深奧的問題具體化呈現(xiàn)。教師可以借助圖形化編程工具探索問題求解的最優(yōu)路徑，進行程序的可視化表達。

3.拓展問題的教學策略

教師依據學生年齡特點，以情景故事、游戲挑戰(zhàn)和動手拼搭等主題進行拓展探究，學習圖形化編程或代碼編程的程序邏輯與代碼技巧，完成創(chuàng)意程序的編寫。如個性化游戲設計，教師將創(chuàng)意編程與游戲創(chuàng)作相結合，引導學生圍繞游戲活動思考和發(fā)現(xiàn)問題，應用不插電方式或圖形化編程工具創(chuàng)建豐富的游戲、動畫故事，讓解決問題的過程變成有趣的“游戲”。又如交互式項目制作，教師在交互式藝術作品創(chuàng)作學習過程中，引導學生從思考單用戶操作拓展到AI人機交互操作，親身體驗通過圖形、音頻等方式與計算機互動的神奇效果，深入理解由事件拓展而來的計算概念。再如螺旋式實踐創(chuàng)新，教師引導學生從一個簡單的問題或者一個項目組件開始，逐漸添加腳本或代碼，直到其完全實現(xiàn)效果，然后再設計運行，將原型逐步擴展為成品程序，在整個編程學習過程中通過設置若干細節(jié)問題來拓展程序創(chuàng)新功能。

模型的歸納與遷移

模式識別、模型歸納是計算思維的重要組成部分，在程序設計教學中具有很強的可操作性。教師可依托計算思維訓練的指導框架，利用學習支架幫助學生認識理解創(chuàng)意編程的綜合性、抽象性，實現(xiàn)隱性思維顯性化、顯性思維工具化、高效思維自動化，真正構建思維發(fā)展型課堂[5]。

1.搭建“模式識別”學習支架

應用模式識別解決問題的規(guī)則，有助于培養(yǎng)人的元認知能力，即學會發(fā)掘模式、應用模式分析和設計方法。這有助于我們利用別人的經驗，特別是專家的經驗來分析和描述問題。（1）數據表征。在“避障”“巡線”等開源硬件創(chuàng)意編程活動伊始，教師設計活動記錄單等數據輸入支架，組織學生對比實驗活動記錄篩選數據，多層面多形式呈現(xiàn)加工信息，引導學生關注要點，并用語言、文字、圖表等方式來表征。（2）模式識別。在數學、圖形等可視化表達創(chuàng)意編程作品中，教師可設計表格形式的局部比較支架。表格設計指向具體的活動目標，教師引導學生在活動中發(fā)現(xiàn)表格隱藏的特征或規(guī)律，實現(xiàn)形式到邏輯的模式識別。（3）分解轉化。以代碼編程“百錢買百雞”問題為例，教師為學生提供表格填寫每一次循環(huán)執(zhí)行的結果，通過變量列表法模擬推演，幫助學生理解循環(huán)的運行過程;引導學生繪制流程圖表示循環(huán)的嵌套，理清內外循環(huán)之間的邏輯關系;在不插電編程活動中，還可利用游戲積木、卡片圖示、提示語、微視頻等學習支架，將復雜的問題分解轉化為簡潔明晰的操作。

2.優(yōu)選"模型歸納"學習策略

程序設計歸納模型主要鍛煉學生比較、概括、推理方面的能力，為進一步編寫復雜程序做好基礎準備。（1）共通原理。在機器人編程常見的項目中，如物品搬運分揀、無人駕駛汽車等，雖然控制過程非常復雜，但它們有著共同的原理：智能的感知識別、深度學習的經驗積累和根據環(huán)境與經驗做出的控制決策等。教師在編程中指導學生通過觀察關鍵動作，學習控制方法，自主建構模型，領悟控制原理。（2）分離比較。在人機五子棋、雙人足球等交互游戲項目中，教師需要引導學生將單個事件從同類事件中分離，通過區(qū)分研究事件、對象各方面的要素，同時明晰區(qū)分比較的必要性與合理性，初步體驗決策樹模型。（3）約簡提煉。教師通過枚舉、分類、概括等方法分析問題間的共性與可變性，通過提煉的方法撇開非本質要素，以簡略的形式表述各要素之間的關系，進而抽象出解決問題的一般模型。

3.探索“模型遷移”學習應用

程序設計遷移學習利用數據、問題、模型之間的相似性，可以將學習過的知識、模型遷移應用于新項目的實踐創(chuàng)作中。（1）迭代復用。學生在編程過程中復用模型，可節(jié)省創(chuàng)作時間、降低編程難度，同時循序漸進地完善程序，增強創(chuàng)意編程作品的規(guī)范性、科學性和創(chuàng)新性。（2）局部變式。模型轉換的過程是不斷試驗和探索的過程。教師應設計出可以點撥學生舉一反三、通過變換問題轉換先前所歸納的模型，圍繞新的問題和需求不斷嘗試，更新模型來完成任務，提升學生發(fā)散思維和動態(tài)思維。（3）知識圖譜。教師應用知識圖譜引導學生建立節(jié)點之間的關系，避免模型碎片化，促進學生系統(tǒng)且有意義地學習。

程序的編寫與優(yōu)化

編程可以鍛煉學生的邏輯思維和計算思維，幫助學生更好地認識世界，促使他們從科技的消費者轉變?yōu)閯?chuàng)造者。教師在中小學各年級統(tǒng)籌編排編程主題活動，分步融入計算思維要素，迭代優(yōu)化實踐作品，進行展示與評價，有助于發(fā)展學生編寫與優(yōu)化程序的能力。

1.項目學習，自主編寫程序

目前國內眾多平臺秉承開源、共享的理念， 為中小學生提供一個搭建程序、快樂實踐創(chuàng)意的云平臺。平臺匯聚了各地優(yōu)秀的創(chuàng)意編程作品，包括交互游戲、自動化控制、創(chuàng)客設計等。學生在充滿趣味的氛圍中經歷“運行程序—分析程序—提取指令形成指令集—分析指令集功能指向特點”的過程，從而逐漸提升個人“指令集”的高階思維水平，為編寫智能穿戴、語音識別等生活小應用積累程序模塊。同時，創(chuàng)意編程活動倡導小組合作的互動與表達。如教師給出繪本閱讀燈、月食的形成等科技創(chuàng)新項目要求，各小組統(tǒng)籌做好作品的規(guī)劃、程序的編寫和調試、作品的硬件拼搭、硬件的外形美化等。教師要關注編程活動的每個細節(jié)，從多個層面進行展示點評，一方面及時發(fā)現(xiàn)學生身上的閃光點，評析作品的優(yōu)點和特色;另一方面引導學生學會反思，優(yōu)化作品方案，從創(chuàng)新創(chuàng)造、藝術審美、用戶體驗、程序技術等方面改進作品，有意識地培養(yǎng)學生計算思維與設計思維的融合，鼓勵學生創(chuàng)新。

2.學思融通，調試修改程序

程序設計的重要環(huán)節(jié)是運行調試，學生在調試中學會理清邏輯關系，發(fā)現(xiàn)錯誤，修改程序。當前主流的互動編程平臺，學生能立即獲得所編寫程序的反饋，若程序執(zhí)行出現(xiàn)Bug，則系統(tǒng)會自行跳出提示。創(chuàng)意編程的過程并非一帆風順，一方面錯誤無法預料，另一方面運行效果與預期有差距，學生會對這樣或那樣的問題感到不知所措。教師應培養(yǎng)學生的耐心和自信心，倡導自上而下逐步求精，將一個復雜的功能拆分為多個小功能任務分步驟進行編寫，并且對每一次實現(xiàn)的功能進行測試，同時需要關注參數的設定、邊界值范圍等。修改比較大可能會呈現(xiàn)新的偏差或錯誤，教師要引導學生采用代碼放大修改法，突出重點，反復調試。程序的邏輯有時是違反直覺的，學生需要深層次分析。當面對單一程序時，可呈現(xiàn)關鍵點的結果，看看運行情況;當面對相互關聯(lián)的多個程序時，學生可以用消息同步多段腳本的執(zhí)行順序，也可以代入數據，單步執(zhí)行，逐行分析，深化程序邏輯的理解。此時學生需要發(fā)揮勇于探索的精神，教師不能草率否定學生的無效探究，也不能強求學生調試的方式、路徑與預設的一致。

3.關注細節(jié)，優(yōu)化設計程序

隨著程序設計的逐步深入，學生積累豐富的編程經驗，可以通過細節(jié)的優(yōu)化來提高程序的運行效率。首先是提高程序可讀性，教師引導學生養(yǎng)成良好的習慣，如定義規(guī)范的名稱、寫清楚注釋語句等，通過對比學習讓學生領悟程序模塊簡潔更容易理解，程序的邏輯清晰更容易修改和更正。其次是降低程序復雜度，如教師可使用數組、鏈表、棧、隊列等數據結構降低空間復雜度，使用動態(tài)規(guī)劃、前綴和、最短路、組合計數等算法來降低時間復雜度等。最后是探究自動化執(zhí)行，教師要結合人工智能教育，設計開源硬件創(chuàng)意編程課程。如園藝土肥智能灌溉項目，結合智能傳感器、云平臺，實現(xiàn)自動偵測土壤的氮磷鉀肥含量和土壤濕度、自動澆水、施肥、拍照、通風等。

注：本文系江蘇省中小學教學研究第十三期課題“基于計算思維的小學生創(chuàng)意編程實踐的研究”（課題編號：2019JK13-L281）研究成果

參考文獻

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