基于學生計算思維培養(yǎng)的Scratch教學案例設計

諶婷婷

〔摘? ? 要〕如今信息技術對于人類的影響越來越深刻，學生信息科技的教育也越來越受到重視，特別是當今國際環(huán)境緊張，我國高精尖行業(yè)承受巨大的發(fā)展壓力，我們更加明白對于祖國未來人才的培養(yǎng)方向已到了不得不改變的地步。國內(nèi)基于Scratch的學生計算思維培養(yǎng)的研究又非常匱乏，而學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)更是迫在眉睫，計算思維的培養(yǎng)應作為基礎教育的重要維度之一。本研究通過對義務教育課程標準、國內(nèi)外對于計算思維的研究找到切入點。主要涉及布魯納認知層次理論、“做中學”理論和任務驅動理論，以此為基礎設計Scratch教學案例。

〔關鍵詞〕計算思維；Scratch；教學案例；設計

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號〕? 1674-6317? （2023）? 08-0026-04

2022年版《義務教育信息科技課程標準》明確提出了核心素養(yǎng)的內(nèi)在要求?，F(xiàn)將信息技術課更準確地稱為信息科技課，從課程更名中我們可以看出這不僅僅是一門技術類的學科，更是一門具有科學意義的學科，更加注重培養(yǎng)創(chuàng)新性與計算思維的能力。在新時代背景下，我們迫切需要創(chuàng)新型科技人才，信息科技課的核心素養(yǎng)主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化創(chuàng)新、信息社會責任。

國外對于Scratch的研究比較早而且研究較為深入，美國作為Scratch的開發(fā)國，在運用它來表達學生思維特點和想法上更是游刃有余。我國對于Scratch研究最早在2010年才進入中小學，例如我們現(xiàn)在Scratch課程于2013年6月才正式進入教育薄弱地區(qū)。此外，在這些地區(qū)素質教育不受重視，經(jīng)常被語數(shù)主科占課，本身專任教師的缺失和專業(yè)培養(yǎng)的缺失更加導致基礎教育對Scratch的研究不足。

一、計算思維培養(yǎng)目標

國內(nèi)外各知名學者對計算思維的定義各有側重點，而計算思維概念最早是2006年周以真教授提出的。這里的計算思維是指運用計算機科學進行問題解決的一系列思維活動，具體包括問題求解、系統(tǒng)設計、理解人類行為?，F(xiàn)今我們探索的計算思維以Scratch軟件作為載體，在Scratch這個以面向小學生的趣味性很強的編程軟件設計里，也同樣提出了計算思維的概念。美國麻省理工媒體實驗室成員布倫南和雷斯尼克從過程設計實踐的角度又將計算思維分為計算概念、計算實踐和計算觀點三個維度來解釋。在義務教育課程標準中具體把計算思維的問題解決過程也就是計算實踐部，分成抽象、分解、建模、算法設計等思維活動。結合布倫南、雷斯尼克的觀點與義務教育的具體要求我們可以把它們進行整合，得到核心素養(yǎng)下的計算思維培養(yǎng)目標，見圖1。

二、案例設計原則

（一）以學生為中心的原則

新課改下不再是教師一言堂，要充分尊重學生的主體地位，這里不是把課堂完全交給學生，而是指教師有的放矢地引導學生逐步解決困難，把大的問題分解成一個個小問題，最終實現(xiàn)解決問題的目的。在平時的教學實踐中，教師應兼顧學生個體差異，同時需重視學生的能力培養(yǎng)。要充分調動學生的學習動力，把學生的學習興趣和課堂學習有機地結合起來，使得學生可以進入深層次的學習。

（二）最近發(fā)展區(qū)原則

設置的任務符合學生的最近發(fā)展區(qū)原則，根據(jù)維果茨基的最近發(fā)展區(qū)原則，他認為學習者的發(fā)展水平分為現(xiàn)有水平和潛在水平兩類。人們能獨立完成任務且不需要他人幫助的水平被稱為現(xiàn)有發(fā)展水平，而通過他人幫助或者協(xié)助獲得解決問題的水平被稱為潛在發(fā)展水平。根據(jù)這個理論需要我們教師在設置課程難度上充分地去分析學情，既不可設置得太過簡單讓學生思維難以得到鍛煉，也不可設置得難度太大讓學生難以完成，適當讓他們通過多人協(xié)作或者在老師輔助的情況下能夠解決當下的問題，這便是課堂設置難度掌握最好的方式。

（三）“做中學”理論

教育家杜威提出的“做中學”理論總結為教育即生活，教育即對現(xiàn)有生活的總結學習，而不是僅僅談論學校教育。學習不是為以后的生活做準備，學生時代的生活與步入社會以后的生活同樣重要。而我們這里要談論的“做中學”理論就遠遠沒有杜威學者提出的那樣高深，對于一門技術性和科學性學科而言，在課堂上對于學生動手能力的鍛煉是不可缺少的，對于學生邊做邊學的要求幾乎是每堂課的要求。

（四）布魯納認知思維層次

人對于事物的認識是基于主動構建的過程，但在認識客觀規(guī)律時也同樣受學習者生活環(huán)境以及之前的生活經(jīng)驗所影響。根據(jù)布魯納的理論我們知道，人對于知識的理解大致可以分為六個層次。知道、領會、運用為低層次思考，分析、綜合、評價為高層次思考。處于低層次思考時通常對于知識的掌握是不夠牢靠，或者屬于假性學習狀態(tài)，例如僅僅對知識能夠形成知道，即簡單地聽別人陳述一件事，屬于知道階段，簡單的機械性背誦也屬于此階段。能夠對知識內(nèi)化成自己的理解并不只是簡單地運用，而是通過深度分析，把知識遷移到其他的場景中，并且能夠對于應用的內(nèi)容和方法，進行客觀公正的評價，反思不斷優(yōu)化的過程，我們可以把此階段的學習稱為高層次思考。而學習者在學習過程中則應盡量避免低層次思考，多進行高層次思考。教師在教學設計過程中同樣要考慮學生從低層次思考轉向高層次思考的過程，從知道、背誦、陳述到分析轉化、應用、評價的過程，所以教學設計中教師應該層層遞進且難度適中。

三、基于計算思維培養(yǎng)的Scratch教學案例設計

（一）Scratch的特點

Scratch2.0界面簡潔，而且以模塊化的語言作為基礎，學生以類似于搭積木的形式就能完成簡單的程序設計，不會讓學生一接觸編程化語言就有畏難情緒，而且多以有趣的場景、生動的角色、趣味性聲音為主，可供學生選擇的范圍較為廣泛。

（二）教學案例設計思路

注重創(chuàng)設的情境。情境創(chuàng)設有時對于一節(jié)課的成功與否甚至能夠起到?jīng)Q定性作用，本研究中的Scratch課程設置為小學五年級的下冊。根據(jù)小學生11歲左右的心理以及行為特點，心理學家皮亞杰研究得出7～12歲的學生正處于具體運算階段，即能憑借具體事物或形象進行分類和理解邏輯關系。充分調動學生的好奇心以及求知欲，在情境中要注意找尋學生的生活實例。同時注意學生的自主學習與合作式學習，教師要學會適當放手，準確引導。讓學生做課堂的主人，真正發(fā)揮他們的創(chuàng)造能力和發(fā)散性思維的能力。

分析問題、抽象化模型。以任務為導向，讓學生明確任務，再根據(jù)任務線，一步一步完成。但剛接觸到程序設計時，由于學生沒有計算思維的能力，需要教師慢慢引導。分析問題，運用計算思維的方法把大的問題拆分成一個個子問題，通過解決一個個子問題，最后實現(xiàn)解決大問題的目的。分析問題是計算思維在問題求解里最基本的能力要求，需要學生在循序漸進中逐步養(yǎng)成這樣的思想，進而提高運用計算機科學解決問題的能力。抽象化模型，即我們在對一個問題描述要求時，有時候僅僅用文字是不夠的，很容易產(chǎn)生歧義，這時我們?yōu)榱吮苊猱a(chǎn)生這樣的問題，便可以通過流程圖的設計來表達我們的意思，能一目了然地展現(xiàn)我們的功能需求。

動手操作、優(yōu)化設計。對于程序的設計不是一蹴而就的，在完成基本功能以后我們需檢查整個設計的合理性、美觀性、邏輯性等，在不斷地修正過程中形成知識更高階的理解與發(fā)散。

展示評價。對于一堂課而言，評價環(huán)節(jié)大家并不陌生，但是在課程設計中卻往往會忽視此環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)在布魯納的理論中恰恰是對知識最高階的理解，在同學們互相評價與教師評價中才能產(chǎn)生更多的對知識的高層次理解，以提高學生的審美、批判、多角度思考的能力。

（三）旋轉色彩教學案例設計

1.創(chuàng)設情境，設疑啟思

教師：“上節(jié)課我們已經(jīng)初步了解了Scratch編程軟件的魅力，并且已經(jīng)知道了在Scratch中角色、背景的基本應用，這節(jié)課我們一起來繼續(xù)暢游在Scratch編程的魔幻魅力中，大家在網(wǎng)上玩小游戲時用的畫筆是什么樣的？有沒有非常特別的畫筆給同學們介紹一下吧！我們平時用的畫筆都過于單一，種類不多。今天我們來自己設計一個你喜歡的筆刷類型，讓它能夠旋轉起來畫畫?！?/p>

在情境創(chuàng)設中運用學生熟悉的網(wǎng)上小游戲畫筆來與Scratch中要設計的畫筆產(chǎn)生自然連接，一下子與學生的生活經(jīng)驗連接起來，使學生更易于理解。

教師演示筆刷的種類設計，同時請學生發(fā)揮想象力畫出自己喜歡的筆刷種類，多元智能理論中美學只能是人的八大智能，此時我們就可以鍛煉學生的美學智能。

2.分析問題，抽象化模型

教師：“本節(jié)課我們的目的是設計一個畫筆讓它跟隨鼠標指針旋轉起來畫畫，我們已經(jīng)完成筆刷的設計，現(xiàn)在我們還需要一個指令跟隨鼠標，考慮如何讓它旋轉起來，接下來我們就一起完成流程圖的設計：讓筆刷畫畫、程序開始、分解任務（設計筆刷、旋轉起來、跟隨鼠標）、程序結束?！?/p>

教師展示今天需要完成的任務一：讓筆刷旋轉起來。此時讓學生觀察動畫中有什么，考查、鍛煉學生的直觀細致觀察能力，學生可以看到筆刷在旋轉、鼠標移動到哪里筆刷便跟隨到哪里，點擊停止按鈕筆刷才停下來。

教師：“從流程圖里我們明確了我們的每一個步驟，把整體任務分解成子任務，我們就可以根據(jù)子任務來完成整個程序設計。在此過程中我們需要設計一個新的概念圖章工具，它在畫筆功能模塊里，圖章就是我們平常理解的復制的作用，就相當于蓋印戳，可以蓋一個或者無數(shù)個?！?/p>

3.學生動手操作、優(yōu)化設計

在學生根據(jù)教師的展示中完成第一個簡單的程序設計以后，分成小組討論：“我們的程序設計里你覺得可以有哪些改進的地方，有哪些不合理的地方？”學生思考，通過討論得出，筆刷的種類是否可以隨意切換而不是在畫的時候只能用一種筆刷，筆刷跟隨鼠標指針移動時能不能按下鼠標指針才畫圖，不按下的時候不畫圖，能不能在畫布畫滿時把畫布清空重新畫？筆刷旋轉的角度能否更換呢？根據(jù)討論最終得到完善的程序，如下圖。

4.展示評價

每組學生完成作品以后，展示做得好的作品，并且其他組給予公正客觀的評價，在展示過程中鍛煉學生的表達能力以及思辨能力，各組之間取長補短，多角度思考問題。

學生一：“我們組的筆刷設計外觀精美，在實現(xiàn)畫圖時能切換不同的筆刷，使得畫面更加精美。”

學生二：“我們組在筆刷的旋轉角度上做了更改，使得每朵花瓣畫得更大更美，這樣使得中間部分空出來，我們再想能不能換種筆刷把中間空心圓部分填滿，這樣一朵花瓣上就有兩種筆刷，使得花瓣更加絢麗?！?/p>

教師：“你們能根據(jù)自己對于知識的加工多角度完善程序，每組的想法都值得借鑒，同學們課下也可以試一試自己的想法，看看能否實現(xiàn)?！?/p>

在展示評價時部分學生可能不清楚應該在哪些方面評價，所以筆者具體設計進行如下幾方面評價：一是構思，包含主題明確、作品完整；文字、角色、舞臺契合主題；作品有趣吸引人；作品運行操作清晰。二是美觀性，包含界面布局合理，整體風格統(tǒng)一；色彩搭配好，視覺效果好；文字、顏色大小搭配適宜。三是技術性，包含選用模塊合理，邏輯清晰流暢，代碼可讀性強；操作方便、易于控制；作品與讀者有交互。四是創(chuàng)新性，包含主題表達形式新穎；內(nèi)容創(chuàng)作注重原創(chuàng)性，構思巧妙。

5.拓展

中華文化博大精深，我們的漢字漂亮又寓意深刻，能否試著實現(xiàn)用設計的筆刷讓程序自動寫一個漢字呢？

在拓展部分基于核心素養(yǎng)下對于數(shù)字化創(chuàng)新部分提出要求，在中華文化的背景下，當代中小學生更應該堅定我們的文化自信，同時提醒他們在程序上的原創(chuàng)性，做一個誠實的好學生；這是提醒他們在互聯(lián)網(wǎng)普及的當下，信息社會對于新一代的學生而言有著不可推卸的責任，這也是教師傳遞美好品德及價值觀的重要契機。

本研究整合了新課標下核心素養(yǎng)的要求、Scratch中計算思維概念的界定和周以真教授對計算思維的定義最終形成對學生三維目標的要求。利用把案例分解成一個一個的小問題來解決的科學方法，意在逐步培養(yǎng)學生利用計算機求解問題的科學計算思維能力；利用杜威的“做中學”理論，讓學生鍛煉自己的動手能力。運用布魯納對知識的認識思維圖，在案例設計中，讓學生從知識的知道到知識的運用以及遷移，逐步掌握整個知識結構的方式讓案例設計更加合理，在描述程序需求時我們借助了流程圖，更能幫助同學們清晰地理解程序要求。

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