經(jīng)歷問題解決過程，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維
——以《小貓抓魚》一課為例

李豐葉 劉曉東 江蘇省江陰市要塞實(shí)驗(yàn)小學(xué)

計(jì)算思維是一個(gè)問題解決的過程，基于問題的教學(xué)方法則是一種適用于計(jì)算思維教育的教學(xué)方法。培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的主陣地是信息科技課堂教學(xué)，因此，教師要以發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維為導(dǎo)向，將其滲透到課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施中。2021年，筆者所在城市為每所小學(xué)都配置了一款集成多種傳感器的Arduino開源硬件主控板，此后結(jié)合開源硬件的圖形化編程教學(xué)也進(jìn)入了常態(tài)化課堂。下面，筆者以江蘇省小學(xué)五年級信息科技教材《小貓抓魚》一課為例來談?wù)動(dòng)?jì)算思維的教學(xué)策略。

● 想玩——真實(shí)體驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)問之境

基于問題的教學(xué)關(guān)鍵在于問題的設(shè)計(jì)，問題設(shè)計(jì)要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，以及學(xué)生的知識(shí)水平和情感認(rèn)知展開。同時(shí)，創(chuàng)作的作品應(yīng)趣用相融，在有趣的前提下，可以解決生活中的現(xiàn)實(shí)問題，如用聲音傳感器制作噪音檢測儀、用光敏傳感器制作智能臺(tái)燈等。

《小貓抓魚》一課的教學(xué)內(nèi)容是認(rèn)識(shí)搖桿傳感器，了解搖桿的工作原理，學(xué)習(xí)搖桿傳感器的使用方法，利用傳感器來控制角色移動(dòng)。在現(xiàn)實(shí)生活中，搖桿傳感器主要是用于遙控設(shè)備。而五年級的學(xué)生已具備一定的圖形化編程基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)生的興趣點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了讓學(xué)生創(chuàng)作“小貓滑雪”作品，并用“如何用搖桿傳感器控制小貓移動(dòng)？”這一驅(qū)動(dòng)性問題來貫穿整節(jié)課教學(xué)。

導(dǎo)入環(huán)節(jié)：

課前播放2022年北京冬奧會(huì)上谷愛凌滑雪奪金的視頻。

學(xué)生了解游戲規(guī)則，玩“小貓滑雪”游戲1.0版。（1.0版是按鍵盤的上下左右四個(gè)方向鍵控制小貓向不同方向移動(dòng)）并請一位學(xué)生上教師機(jī)體驗(yàn)“小貓滑雪”游戲2.0版，學(xué)生觀察玩法有什么不同？

生：2.0版中的小貓會(huì)隨測控板上的搖桿傳感器上下左右移動(dòng)。

師：與按鍵相比感覺怎么樣？

生：2.0版控制小貓更方便，比1.0版好玩多了。

教師出示課題。

課例從學(xué)生津津樂道的谷愛凌滑雪奪金導(dǎo)入，通過兩種不同游戲玩法對比，讓學(xué)生直觀地感受到用搖桿傳感器來控制角色運(yùn)動(dòng)更便捷、更好玩，從而產(chǎn)生問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

● 善思——設(shè)計(jì)問題鏈，明確思之徑

利用計(jì)算機(jī)求解問題的基本過程可描述為：問題的定義及形式化、建立問題的邏輯模型、算法設(shè)計(jì)、編程、運(yùn)行和維護(hù)。因此在教學(xué)中，教師不僅要讓學(xué)生完成編程，更要讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考如何用計(jì)算機(jī)的知識(shí)解決問題。

思維的推進(jìn)依賴于問題的引導(dǎo)，在教學(xué)中教師可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)“問題鏈”，按照學(xué)生的思維方式適時(shí)有序地引導(dǎo)其逐步分解問題，明確思考的路徑，抽象出問題解決的過程模型。

例如，本課例圍繞驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)了一系列引導(dǎo)性問題：搖桿傳感器是什么傳感器？如何讀取搖桿傳感器的端口值？如何表示搖桿傳感器上下左右撥動(dòng)？如何讓小貓隨著搖桿傳感器上下左右移動(dòng)？如何不讓小貓跑出賽道和舞臺(tái)邊緣？這些問題有些由教師提出，有些由學(xué)生思考后提出，還些則由學(xué)生在探究中主動(dòng)發(fā)現(xiàn)。

● 能創(chuàng)——學(xué)習(xí)支架，架起探之梯

對分解后的小問題，當(dāng)學(xué)生無從下手時(shí)，教師可在學(xué)生理解知識(shí)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、重要環(huán)節(jié)搭建學(xué)習(xí)支架，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析思考、實(shí)驗(yàn)探究，最終解決問題，創(chuàng)作出有創(chuàng)意的作品。提供的學(xué)習(xí)支架可以是半成品、學(xué)習(xí)單、圖表、優(yōu)秀作品等形式。

1.提供半成品，聚焦問題探究

結(jié)合測控板的圖形化編程教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)如果教學(xué)時(shí)從零開始創(chuàng)作作品，那么因時(shí)間關(guān)系，會(huì)弱化課堂的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容。因此，在教學(xué)時(shí)教師可以采用半成品策略，預(yù)先做好非本課重點(diǎn)且耗時(shí)過長的部分，留出本課教學(xué)重點(diǎn)部分給學(xué)生完成，使課堂能聚焦于關(guān)鍵問題的探究。

例如，本課例教學(xué)時(shí)提供給學(xué)生已經(jīng)完成的“小貓滑雪”1.0版，這是學(xué)生基于圖形化編程基礎(chǔ)已經(jīng)能制作出來的，避免學(xué)生“白手起家”，使探究更有針對性。另外，本課中表示搖桿撥動(dòng)與變量有關(guān)，而小貓角色移動(dòng)與坐標(biāo)值有關(guān)，雖然學(xué)生已經(jīng)學(xué)過調(diào)整坐標(biāo)值改變角色的位置，但兩者放一起時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生混淆，而半成品能解決這一問題，降低學(xué)習(xí)的難度，有利于突破難點(diǎn)。認(rèn)識(shí)搖桿傳感器，了解其工作原理環(huán)節(jié)的具體過程如下：

學(xué)生用Mind+打開桌面上的“小貓滑雪1.0”文件。

師：先觀察一下小貓的腳本，現(xiàn)在小貓會(huì)怎么樣？

師生閱讀、分析腳本，教師用表格小結(jié)。

活動(dòng)1：認(rèn)識(shí)搖桿傳感器。

教師指導(dǎo)學(xué)生按正確的方向擺放測控板，同桌兩人相互檢查。（擺一擺）

學(xué)生觀察搖桿傳感器的外形?；貞浺郧坝袥]有見過或者用過？（看一看）

學(xué)生體驗(yàn)撥動(dòng)搖桿傳感器，發(fā)現(xiàn)角色不隨搖桿移動(dòng)。（撥一撥）

播放小貓介紹搖桿傳感器的微視頻。（聽一聽）

師：跟滑桿相比，搖桿撥動(dòng)時(shí)有什么不同呢？（比一比）

小結(jié)：它有兩個(gè)電位器，可以向水平、垂直方向撥動(dòng)。所以，搖桿有兩個(gè)端口號，找一找搖桿旁的測控板上寫的端口號是多少？（找一找）

2.可視化顯示，突破問題解決

在學(xué)習(xí)圖形化編程時(shí)可以借助思維可視化的工具，幫助學(xué)生理解抽象的算法，降低學(xué)習(xí)的難度，突破問題解決。思維可視化的主要工具有表格工具和圖示工具。

例如，本課例中“如何表示搖桿上下左右撥動(dòng)”是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。如何讓小學(xué)生形象、直觀地觀察搖桿撥動(dòng)時(shí)數(shù)值變化規(guī)律，理解數(shù)值變化與表示搖桿向上、下、左、右四個(gè)方向撥動(dòng)之間的關(guān)系呢？筆者借助直觀的圖形符號和實(shí)物圖演示，讓隱性思維可視化呈現(xiàn)，逐步分析問題，最后用表格工具來記錄方案，從而突破本課難點(diǎn)。

分析搖桿撥動(dòng)時(shí)的模擬值環(huán)節(jié)：

學(xué)生活動(dòng)：測試搖桿在靜止、最左、最右、最上以及最下這幾個(gè)位置對應(yīng)的模擬值，并記錄在學(xué)習(xí)單上。

師生分析數(shù)值，教師小結(jié)。

師：搖桿向右撥動(dòng)時(shí)X的值的范圍是多少？（教師用搖桿實(shí)物圖在一體機(jī)畫面上移動(dòng)演示）所以可以用什么來表示搖桿向右撥動(dòng)呢？

師生討論后小結(jié)：一般來說，當(dāng)X＞600時(shí)表示搖桿推向右邊。

師：如何表示搖桿向左、向上、向下呢？（師生分析后共同得到結(jié)論）

在一步步分析問題的過程中，學(xué)生才會(huì)真正理解為什么用X＞600來表示搖桿向右、用X＜400來表示搖桿向左、是否可以用別的數(shù)值代替等。這一過程就將現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化成了計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的表達(dá)方式。然后師生借助表格進(jìn)一步分析，形成解決問題的算法，再搭建腳本初步解決問題。從中讓學(xué)生體驗(yàn)與感悟?qū)栴}抽象為一系列可執(zhí)行步驟的思維方式。具體如下。

搭建腳本，初步解決問題環(huán)節(jié)：

師：如何表示搖桿撥動(dòng)我們已經(jīng)知道了，如何讓小貓隨搖桿上下左右移動(dòng)呢？（教師出示表格，引導(dǎo)學(xué)生將這個(gè)問題分解成四個(gè)小問題）

我們先來實(shí)現(xiàn)“如果搖桿向右撥動(dòng)，那么小貓向右移動(dòng)”。想一想，對于這個(gè)腳本要改動(dòng)什么？

生：按鍵向右改成搖桿向右，就是X＞600。

學(xué)生活動(dòng)：嘗試搭建腳本，實(shí)現(xiàn)如果搖桿向右撥動(dòng)，那么小貓就向右移動(dòng)。

請一位學(xué)生上教師機(jī)演示。

師：如何讓它也可以隨著搖桿向左移動(dòng)呢？

學(xué)生活動(dòng)：搭建腳本，實(shí)現(xiàn)搖桿控制小貓上下左右移動(dòng)。

3.思維導(dǎo)圖總結(jié)，把握探究根本

教學(xué)不能僅僅滿足于解決當(dāng)前問題，還要及時(shí)對解決問題的方法進(jìn)行歸納總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的概括思維。當(dāng)規(guī)律內(nèi)化為學(xué)生的思維方式后，學(xué)生就能在學(xué)習(xí)中融會(huì)貫通，將其遷移到其他問題的求解中，這也是解決問題的根本所在。

在本課例中，在學(xué)生解決問題后，筆者請學(xué)生想一想：“我們是如何實(shí)現(xiàn)搖桿控制小貓移動(dòng)的呢？”這是一個(gè)總結(jié)歸納性問題，筆者通過思維導(dǎo)圖式的板書引導(dǎo)學(xué)生歸納出“認(rèn)搖桿—建變量并賦值—測數(shù)值—得結(jié)論—搭腳本”這一解決問題的方法。

4.層次性拓展，優(yōu)化問題解決

在學(xué)生初步解決問題后，要鼓勵(lì)學(xué)生調(diào)試程序。程序調(diào)試在圖形化編程學(xué)習(xí)中是非常重要的環(huán)節(jié)，學(xué)生不僅能在調(diào)試程序的過程中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題，還能獲得成就感，體驗(yàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化屬性?？紤]到學(xué)生的差異性，可以提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)單、學(xué)件等支架。需注意的是，提供給學(xué)生的學(xué)習(xí)單、學(xué)件應(yīng)具有啟發(fā)性、層次性，不能直接給出答案。

學(xué)生試玩游戲，發(fā)現(xiàn)這個(gè)游戲還有問題。

生1：小貓上下移動(dòng)時(shí)會(huì)移出舞臺(tái)。

生2：小貓左右移動(dòng)時(shí)會(huì)跑到賽道外面。

學(xué)生活動(dòng)：同桌合作，借助學(xué)習(xí)單上的小錦囊解決問題，優(yōu)化程序。

教師轉(zhuǎn)播學(xué)生作品，評價(jià)作品。

本課例中問題1比較簡單，問題2稍難一些，學(xué)生借助“錦囊”這一學(xué)習(xí)支架，任選一個(gè)問題合作解決。

5.創(chuàng)意作品引領(lǐng)，拓展創(chuàng)新思維

當(dāng)學(xué)生解決“用搖桿控制小貓移動(dòng)”這一問題后，教師讓學(xué)生體驗(yàn)“小貓滑雪”3.0版，3.0版中加入了按鈕傳感器的綜合創(chuàng)意設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)變學(xué)生思維定勢，激發(fā)學(xué)生深入探究的興趣，同時(shí)也讓學(xué)生體悟到開發(fā)作品可以按這樣的思路一步步地迭代升級。

學(xué)生小組討論如何讓游戲更加豐富多彩。

師：大家的奇思妙想可真多！我們可以從難度和趣味兩方面著手，難度上可以設(shè)置時(shí)間限制、設(shè)置生命值等，趣味上可以加金幣、減少生命值等獎(jiǎng)勵(lì)懲罰。

請一位學(xué)生體驗(yàn)“小貓滑雪”游戲3.0版?？?！小貓有個(gè)秘密武器，按綠色按鈕，小貓能拋出雪球，讓小動(dòng)物先避讓開。小貓只有兩個(gè)雪球哦！

師：我們可以結(jié)合測控板的其他部件來設(shè)計(jì)游戲。課后大家根據(jù)自己的想法來豐富游戲。期待同學(xué)們設(shè)計(jì)出4.0版、5.0版！

● 樂享——合作學(xué)習(xí)，分享思之獲

筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，結(jié)合測控板的圖形化編程學(xué)習(xí)尤其要提倡合作學(xué)習(xí)，因此在組織學(xué)習(xí)時(shí)，將六人組成一個(gè)學(xué)習(xí)小組，成員分工明確，有器材收發(fā)員、器材調(diào)試員、技術(shù)指導(dǎo)員、紀(jì)律維護(hù)員等。課堂上每個(gè)學(xué)習(xí)小任務(wù)都由同桌兩人合作探究完成，通過互動(dòng)交流，分享解決問題過程中各自的想法，及時(shí)補(bǔ)充修改，加深對問題的理解。