新課標(biāo)背景下兒童編程平臺中算法教學(xué)研究

顏鼎 江蘇省南京市鼓樓區(qū)教師發(fā)展中心

算法（Algorithm）是指解題方案的準(zhǔn)確而完整的描述，是一系列解決問題的清晰指令，算法代表著用系統(tǒng)的方法描述解決問題的策略機制。信息科技學(xué)科作為一門以“解決問題”為學(xué)習(xí)目標(biāo)之一的學(xué)科，具有鮮明的算法特征：關(guān)注學(xué)生的思維過程、過程架構(gòu)與創(chuàng)新品質(zhì)的培養(yǎng)。在新課標(biāo)背景下，在課程實施過程中，如何有效培養(yǎng)學(xué)生的算法，是中小學(xué)信息科技學(xué)科教師關(guān)注的重點內(nèi)容。

●編程與算法培養(yǎng)的關(guān)聯(lián)

適合兒童的編程平臺具有明確的任務(wù)主線，項目目標(biāo)清晰，其作品可在短期內(nèi)通過一定的程序達(dá)成。作為一種顯性的、具有算法思維特征的內(nèi)容，編程平臺具有門檻低、模塊化、封裝化的特點。因此，筆者認(rèn)為，信息科技教學(xué)的算法內(nèi)容，可依托兒童編程課程實現(xiàn)，通過教師的合理引導(dǎo)，學(xué)生可以進(jìn)行程序的編寫、作品的表達(dá)。借助編程平臺的設(shè)計，信息科技教師可以明確算法的基本設(shè)計路徑，以具體的內(nèi)容載體，進(jìn)行初期的教學(xué)設(shè)計嘗試。

●在編程模塊實施基于算法的培養(yǎng)模式

在課堂教學(xué)過程中，基于算法進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計具有鮮明的特征。本文以兒童編程課程為例，探索在信息科技學(xué)科中基于算法的設(shè)計模式。

1.序化模式：從任務(wù)導(dǎo)向到問題導(dǎo)向

新課標(biāo)強調(diào)任務(wù)推進(jìn)，在兒童編程課程的教學(xué)設(shè)計中，算法關(guān)注具有實際意義的問題，以問題求解的過程作為教學(xué)的導(dǎo)向，進(jìn)而推動教學(xué)進(jìn)程。在基于算法的教學(xué)設(shè)計中，教學(xué)課件、學(xué)件及作業(yè)形式等，都應(yīng)圍繞算法的演進(jìn)，進(jìn)行針對性的教學(xué)設(shè)計。

（1）原設(shè)計?！毒幊誊浖D章》一課的教學(xué)重點為兒童編程平臺畫筆模塊中的“圖章”“清除”命令，涉及兒童編程平臺“畫筆”“外觀”“動作”等模塊的內(nèi)容。在常規(guī)課的教學(xué)過程中，教師一般采用以下的流程進(jìn)行教學(xué)：介紹“圖章”和“清除”命令；演示“圖章”程序的搭建方法；學(xué)生練習(xí)編寫“圖章”命令的程序。

（2）思考焦點。在此過程中，在教師沒有給予學(xué)習(xí)情境的情況下，學(xué)生為何要進(jìn)行“圖章”的學(xué)習(xí)？學(xué)習(xí)“圖章”以后能做什么？哪些情況下需要使用“圖章”模塊？這些問題都未能進(jìn)行有效的設(shè)問，因此學(xué)生對“圖章”的算法是缺乏心理預(yù)設(shè)的。在實際上課時，學(xué)生僅僅是在模仿教師的程序搭建過程，而并沒有進(jìn)行有效的自我構(gòu)建的過程。這樣的學(xué)習(xí)過程，是機械學(xué)習(xí)的技能模仿，缺乏必要的算法過程。

（3）改進(jìn)型設(shè)計。在基于算法的“圖章”教學(xué)過程中，首先確定教學(xué)重點為“圖章”程序的自然語言表達(dá)。選擇從生活中提煉具有實際意義的活動為任務(wù)目標(biāo)，將問題的解決作為推進(jìn)教學(xué)過程的導(dǎo)向主線。在此基礎(chǔ)上，以問題的逐步解決來分層進(jìn)行教學(xué)重點的學(xué)習(xí)，通過具體的活動載體來承載學(xué)習(xí)任務(wù)。

在“圖章繪百花”一課中，首先確定算法主線，進(jìn)行與此相關(guān)的問題組件設(shè)計，層層推動任務(wù)行進(jìn)路線，進(jìn)而將認(rèn)知內(nèi)容得以具體化。

算法設(shè)問：教師展示只有一個花瓣的圖例，詢問學(xué)生，可否稱之為花朵？學(xué)生質(zhì)疑，花瓣數(shù)量不夠→問題產(chǎn)生：如何能在較短時間內(nèi)，形成一朵完整的花？→師生進(jìn)入新授環(huán)節(jié)。

算法析問：一花一世界→解決花瓣的瞬間復(fù)制問題；五彩爛漫時→解決花朵的變色問題；動態(tài)花精彩→解決花朵的循環(huán)旋轉(zhuǎn)問題。

算法追問：導(dǎo)入不同角色的花朵，促發(fā)學(xué)生思考如何能讓這些花朵達(dá)到心儀的動作方式？→學(xué)生探索實現(xiàn)途徑→通過修改程序、嘗試程序積木的方式來進(jìn)行任務(wù)的達(dá)成。

算法拷問：學(xué)生總結(jié)四個任務(wù)的實現(xiàn)過程，梳理出程序思考的過程，繪制出共性的流程圖，并結(jié)合今天的主題進(jìn)行兒童編程平臺的功能鏈接，從而加深意義學(xué)習(xí)的過程。

在基于算法的教學(xué)設(shè)計過程中，學(xué)生帶著算法思維，進(jìn)行有目的的任務(wù)推進(jìn)活動。在導(dǎo)入部分，算法的實施目標(biāo)明晰、合理，符合兒童認(rèn)知規(guī)律；在解決問題部分，任務(wù)層層推進(jìn)，推動學(xué)生不斷進(jìn)行有關(guān)算法的思維過程，從四個顯性問題的解決中，潛移默化地學(xué)習(xí)了隱性的知識內(nèi)容。

2.回溯模式：算法分解從任務(wù)拆解到認(rèn)知疊加

算法分解是適應(yīng)義務(wù)教育階段學(xué)情的要求，學(xué)生不僅能夠理解算法的過程，還能夠通過具體的實例對算法進(jìn)行分解，明晰每一個部分的具體意義。通過回溯算法等方式，將任務(wù)進(jìn)行逐步的拆解，再根據(jù)實際情況進(jìn)行認(rèn)知內(nèi)容的疊加，從而形成明晰的結(jié)構(gòu)主線。

（1）原設(shè)計。兒童編程平臺中“旋轉(zhuǎn)方式”模塊的學(xué)習(xí)是常見的內(nèi)容，對應(yīng)的是有關(guān)動作方式的算法內(nèi)容。常見的設(shè)計方式是：教師演示工作對象的旋轉(zhuǎn)過程，指出實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的程序模塊，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的練習(xí)。

（2）思考焦點。在常規(guī)的教學(xué)過程中，工作對象自身缺乏運動意義，算法與對象的旋轉(zhuǎn)只有技術(shù)關(guān)聯(lián)，缺乏意義關(guān)聯(lián)。在學(xué)生完成一個任務(wù)后，沒有對程序進(jìn)行分解的路線支架，所以學(xué)習(xí)過程機械單調(diào)，難以深入。

（3）改進(jìn)型設(shè)計。教師將“旋轉(zhuǎn)方式”作為一種角色運動的程序支架，讓實物的旋轉(zhuǎn)和程序同期出現(xiàn)，讓學(xué)生思考角色和程序之間的關(guān)聯(lián)。在完成了第一組“角色+程序”的組合之后，再出示另外的“角色+程序”組合，給學(xué)生充分的回溯思維的過程，以達(dá)到知識遷移的目的。

算法前置：從一個花瓣變成十個花瓣的腳本入手，分析腳本與動畫之間的關(guān)系。

算法研讀：一個花瓣是如何變成十個花瓣的，將猜測的結(jié)論通過程序來進(jìn)行驗證，最終得出先“向左/右旋轉(zhuǎn)360/10度”，再將“復(fù)制”“粘貼”的過程“重復(fù)10次”后，可以得到十個花瓣的結(jié)論。此時，留下設(shè)問：“旋轉(zhuǎn)角度”和花瓣數(shù)量之間有怎樣的聯(lián)系？

算法鏈接：依據(jù)上面活動的結(jié)論，提出“數(shù)字與邏輯運算”中的關(guān)聯(lián)。課件中繼續(xù)出現(xiàn)四瓣花、五瓣花、七瓣花，讓學(xué)生對相應(yīng)的腳本進(jìn)行自然語言的表達(dá)。至此，突破本課中的教學(xué)難點：旋轉(zhuǎn)角度和花瓣數(shù)量之間的聯(lián)系。

在新課標(biāo)背景下，在基于算法的教學(xué)設(shè)計過程中，教師將著力點從講解程序的編寫過程，改變?yōu)樽寣W(xué)生分析程序的組合原理。通過每個花瓣的旋轉(zhuǎn)角度的分析，學(xué)生可以理解到“數(shù)字和邏輯運算”模塊中的運算的自然意義。學(xué)生在對實物與腳本進(jìn)行對應(yīng)分析后，加深了對程序本身的理解，也鞏固了思維過程的嚴(yán)密性。

3.變量模式：從學(xué)習(xí)泛配到變量適配

新課標(biāo)要求對算法實際問題求解，在解決問題的策略中，具有多途徑和一定的開放性，鼓勵學(xué)生能夠在合理的情況下，通過多種方式來解決實際問題。

（1）原設(shè)計。在《定義過程》一課中，常規(guī)的設(shè)計方式一般采用以下教學(xué)流程：教師演示一個正方形的繪制方式→講解如何用定義過程的方式繪制正方形→讓學(xué)生練習(xí)，如何通過定義過程的方法繪制正方形→教師演示如何通過“copy”與定義過程組合，繪制出較為復(fù)雜的圖形→學(xué)生進(jìn)行拓展練習(xí)。在實際教學(xué)中，常常出現(xiàn)學(xué)生只會畫正方形組成的圖形，而無法遷移到其他圖形的情況。

（2）思考焦點。在本節(jié)課設(shè)計中，程序編寫教學(xué)難度跨度較大。教師在教學(xué)中，易采用較為保守的講授式教學(xué)模式。但是此教學(xué)過程突出的問題在于學(xué)生知其然，不知其所以然，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程模仿的痕跡明顯，沒有必要的遷移和拓展過程，導(dǎo)致缺乏個性化的作品呈現(xiàn)，不符合新課標(biāo)的理念。

（3）改進(jìn)型設(shè)計。在基于算法的教學(xué)設(shè)計中，注重從學(xué)習(xí)任務(wù)中提取出具有變量特性的元素，將其應(yīng)用于學(xué)習(xí)過程，以此開展構(gòu)建個性化的作品。

算法解析：從卡通兔導(dǎo)入，分析頭部是如何演變出耳朵的？（分析其組成，找出其中的變量）

算法體驗：在分析出圓形的組合規(guī)律后，進(jìn)行基于圓形的圖形繪制，嘗試出多圓組合的形式。

算法指導(dǎo)：引導(dǎo)學(xué)生分析“利用定義好的基本圖形，可以畫出這樣的一組圖形嗎？”，從課件中讓學(xué)生分析組成復(fù)雜圖形的變量，再給學(xué)生思考的空間，由點及面，進(jìn)行多層次的變量定義。

算法實踐：定義圓形→圓形組合；定義橢圓形→定義橢圓形組合。

算法再構(gòu)：分析多定義命令的程序。

算法組建：定義兩個基本圖形→繪制正方形、三角形組合的復(fù)雜圖形，并進(jìn)行自我喜好的作品加工。

算法迭代：引導(dǎo)學(xué)生在作品中找出共性的內(nèi)容，反思自己的作品，進(jìn)行更富有個性化的圖形繪制，繪制兔子的嘴巴、鼻子、領(lǐng)結(jié)等部位。

基于新課標(biāo)算法的教學(xué)設(shè)計注重了變量引發(fā)的變式，及變式帶來的學(xué)生個性化的問題解決方案。在基于算法的“定義過程”的設(shè)計中，教師將更多的關(guān)注點放在了引導(dǎo)學(xué)生思考，讓編程軟件真正成為個性化的創(chuàng)作工具。

●總結(jié)與展望

基于新課標(biāo)的算法教學(xué)設(shè)計，將學(xué)習(xí)過程進(jìn)行了項目化的提升，實施中要關(guān)注以下幾點：第一，算法各要素的融合方式。算法過程之間是相互依存、相互促進(jìn)的關(guān)系。如果只關(guān)注分析問題，而不進(jìn)行必要的數(shù)值邏輯計算，那解決問題的途徑只能是紙上談兵，無法落地。第二，避免陷入過于復(fù)雜的算法之中。不可忽視問題框架的設(shè)計，要在合理合情的情境下進(jìn)行，在同等條件下，尋求最佳的解決途徑、最佳性價比。第三，引導(dǎo)學(xué)生用信息科技學(xué)科思維全面認(rèn)識和思考。算法是信息科技學(xué)科的靈魂，作為教師，要能夠積極地喚起學(xué)生多角度的遷移能力和拓展意識，避免封閉的、線性的認(rèn)知習(xí)慣。