基于培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的Swift Playgrounds 實(shí)踐探究

文/卞玉昌 劉麗媛 安徽省合肥市屯溪路小學(xué)

學(xué)生是知識意義的主動(dòng)建構(gòu)者, 而不是被動(dòng)接受者；教師是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動(dòng)建構(gòu)知識意義的幫助者，而不是知識意義的灌輸者。21 世紀(jì)，計(jì)算思維將成為人們必備的一項(xiàng)基本思維。計(jì)算思維是一個(gè)“明確問題和制定解決方案的思維過程”，這個(gè)概念最初由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授提出，她呼吁教育界要將計(jì)算思維作為與傳統(tǒng)讀、寫、算同等重要的技能來培養(yǎng)。國外的計(jì)算思維研究總體較為成熟，研究范圍包括了早期教育到高等教育的各個(gè)階段，主要集中在K12 階段。

在國務(wù)院于2017 年7 月20 日發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確指出：“在中小學(xué)階段逐步推廣編程教育”；《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 版）》中強(qiáng)調(diào)：“計(jì)算思維被列為四大學(xué)科核心素養(yǎng)之一，注重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)?！蔽覈鴮τ?jì)算思維的關(guān)注度日趨上升，教育部已將計(jì)算思維納入我國人才培養(yǎng)計(jì)劃。

計(jì)算思維的培養(yǎng)是利用啟發(fā)式推理來尋求解答，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題，探索計(jì)算方法并建立模型，使學(xué)生敢于去處理那些原本無法獨(dú)自完成的問題。計(jì)算機(jī)語言的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生在觀察世界和面對問題的時(shí)候，可以從更多的角度去解構(gòu)，去分析，去求解，從而更加豐富思考的維度，多層次地鍛煉邏輯判斷能力，更加有利于培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。

目前，我國面向中小學(xué)編程學(xué)習(xí)的軟件比較常用的有Scratch、C++、Python 等。而面對中低年齡段的學(xué)生，更多的是通過游戲的方式，或者通過制作簡單動(dòng)畫，進(jìn)行教學(xué)。在我校前期的編程教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更多停留在游戲的樂趣上，思維層面的鍛煉不夠深入，并不利于計(jì)算思維的培養(yǎng)。例如在小學(xué)階段開設(shè)的Scratch 編程課，其編程模式停留在圖形化的積木式拼搭上，因?yàn)镾cratch 實(shí)質(zhì)上是html5編寫的框架，與真正的編程語言相比，更注重編程“啟蒙”，包括很多中文代碼，都淡化了真正的編程語言的“代碼”。LOGO 語言面向更加低齡化的啟蒙場景，對“代碼”進(jìn)行了更大程度的簡化，C++ 語言和Python 作為被廣泛用于商業(yè)軟件開發(fā)的高級語言，更多的是作為生產(chǎn)工具而非教學(xué)產(chǎn)品。從編譯的環(huán)境、使用的場景到開發(fā)方法對大多數(shù)小學(xué)生而言過于復(fù)雜，接近于拔尖式教學(xué)。C 語言，C++ 語言更多時(shí)候是出現(xiàn)在各類計(jì)算機(jī)奧數(shù)競賽中，更適合具備了一定數(shù)學(xué)和英語基礎(chǔ)的中學(xué)生。

面對教學(xué)實(shí)踐上的挑戰(zhàn)，我校多年來一直在積極探索。2019 年，在傳統(tǒng)的C++ 科創(chuàng)教育基礎(chǔ)上，引入Swift 課程，引入Swift Playgrounds 這一可視化編程工具，它擁有3D 模型下的游戲闖關(guān)模式，有詳細(xì)的中文內(nèi)容，也保留了Swift 語言原本的全英文代碼構(gòu)建方式、開發(fā)框架的結(jié)構(gòu)，并且Swift Playgrounds 的開發(fā)者也積極加入了更多貼近商業(yè)開發(fā)環(huán)境的功能。借助該平臺進(jìn)行編程教學(xué)，有利于達(dá)到少兒編程教育“從啟蒙到入門再進(jìn)階”的效果，也更符合我們從學(xué)習(xí)編程出發(fā)，“抬眼看世界”的育人目標(biāo)。

一、Swi f t Pl aygr ounds 底層代碼融合模塊化編程易進(jìn)階、空間大

Swift Playgrounds 使用的是Swift 語言，誕生之初就著眼于面向零基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者，而又不局限于青少年開發(fā)者，所以在內(nèi)容設(shè)計(jì)上，以Swift 語言為核心，從簡單入門的“命令”到“對象和參數(shù)”，從闖關(guān)游戲到傳感器和機(jī)器人的編程控制，還有App 的開發(fā)，包含的學(xué)習(xí)內(nèi)容體現(xiàn)出豐富的層次感和系統(tǒng)化，體現(xiàn)出“人人能編程”的目標(biāo)。 Swift Playgrounds 的核心是Swift 語言，其語法與C、Java 有諸多共通之處，在學(xué)習(xí)其他高級語言時(shí)更容易融會(huì)貫通。Swift Playgrounds 教學(xué)內(nèi)容涵蓋了大部分編程啟蒙和入門所涉及的技巧和概念，內(nèi)含的眾多學(xué)習(xí)模塊，提供不同難度的進(jìn)階課程。

其中學(xué)習(xí)編程系列創(chuàng)設(shè)了一個(gè)游戲的主人公機(jī)器人Byte，需要學(xué)生編寫代碼幫助Byte 在虛擬世界里通過對各個(gè)關(guān)卡的任務(wù)目標(biāo)和技術(shù)要求進(jìn)行閱讀理解和邏輯分析，合理地運(yùn)用編程技巧，完成通關(guān)任務(wù)。這種3D 游戲闖關(guān)模式更適合小學(xué)階段的學(xué)生進(jìn)行編程啟蒙學(xué)習(xí)。學(xué)生在游戲闖關(guān)過程中，可借助現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的方式學(xué)習(xí)命令、函數(shù)、循環(huán)、條件代碼、邏輯運(yùn)算符、算法等編程知識點(diǎn)，而不再僅僅是枯燥的概念記憶。

Swift Playgrounds 提供了清晰的學(xué)習(xí)目標(biāo)和操作提示，不需要任何編程基礎(chǔ)，通過點(diǎn)選代碼模塊就可以編寫代碼讓Byte 執(zhí)行動(dòng)作，并且每一個(gè)關(guān)卡都不是只有唯一的標(biāo)準(zhǔn)答案，而是學(xué)生可以通過自己的分析，用不同邏輯去解構(gòu)任務(wù)、編寫代碼完成，有一些關(guān)卡甚至有十幾種解法，這大大鼓勵(lì)了師生在教學(xué)中發(fā)散性思維，多角度多方向地思考。Swift Playgrounds 可以自動(dòng)記錄學(xué)習(xí)路徑和各個(gè)知識點(diǎn)的完成情況，方便學(xué)生自己和教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況。由此可見，Swift Playgrounds 具有門檻低、可發(fā)揮的空間大、可拓展的特點(diǎn)。

二、Swift Playgrounds PBL 授課模式助力提升計(jì)算思維能力

在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，課堂教學(xué)呈現(xiàn)出教師單方面教和學(xué)生被動(dòng)學(xué)，缺乏互動(dòng)性的狀況。每個(gè)人的記憶特點(diǎn)和思考方式不同，學(xué)生如果僅停留在對知識的機(jī)械記憶上時(shí)，很容易失去理解學(xué)習(xí)目標(biāo)的好奇心，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)的動(dòng)力。因此，我校授課團(tuán)隊(duì)在采用什么樣的教學(xué)策略有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維上大膽創(chuàng)新，將PBL 授課模式成功地引入課堂——基于問題的學(xué)習(xí)。PBL 強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置到真實(shí)的、有意義的問題情景中，通過以自由組隊(duì)、小組內(nèi)部分工合作的形式，每個(gè)學(xué)生按照自己的興趣和能力選擇自己擅長的任務(wù)環(huán)節(jié)，各自努力，共同解決問題，在鍛煉個(gè)人能力的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識。同一問題的解決方案往往會(huì)有很多種，學(xué)生在質(zhì)疑比較的過程中選出最優(yōu)方案，從而使問題得到恰當(dāng)?shù)慕鉀Q。在這一過程中，學(xué)生的計(jì)算思維能力發(fā)展日漸成熟。

以《讓機(jī)器人來管理交通吧》為例：一日之計(jì)在于晨，美好忙碌的早晨也避免不了許多麻煩。合肥市屯溪路小學(xué)位于一個(gè)非常熱鬧的城市主干道附近，前有百腦匯、后有商場、左有醫(yī)院、右有農(nóng)貿(mào)市場。車水馬龍、人來人往的交通既繁忙又混雜。每次經(jīng)過通往學(xué)校的路口都讓行人感到十分緊張，當(dāng)警察不駐守在路口時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)各種不遵守交通規(guī)則的行為。有時(shí)會(huì)遇到車輛之間產(chǎn)生擦碰，但更多時(shí)候是行人和車輛互相搶道。此外，還有不少非機(jī)動(dòng)車?？吭诰G化帶、人行道上，讓過往行人只能艱難地從空隙中穿梭。這樣日復(fù)一日的混亂，不僅給師生上學(xué)和放學(xué)帶來了不少煩惱，也會(huì)影響經(jīng)過這個(gè)路口的每一個(gè)人的安全。

基于以上現(xiàn)象，合肥市屯溪路小學(xué)編程俱樂部的4C 小組成員李牧?xí)?、王鮑梓宸、汪澤楷三位同學(xué)創(chuàng)想做一個(gè)以“禮讓行人，文明交通”為主題的項(xiàng)目，希望能夠改善天天都要面對的混亂的交通現(xiàn)狀。十字路口情況比較復(fù)雜，大家沒有辦法解決所有的問題。因此在項(xiàng)目中，4C 小組決定從基礎(chǔ)的交通管理開始，嘗試用科技來解決生活中的問題。項(xiàng)目的整體思路是：在沒有信號燈的路口，設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器閘機(jī)來管理交通，如果有行人通過人行道就放下閘桿，如果沒有行人通過就讓車輛有序通行，從而實(shí)現(xiàn)車輛禮讓行人、行人遵守交通規(guī)則的效果。項(xiàng)目選用了三臺機(jī)器人：ev3_stopper、ev3_car 和一臺程小奔。4C 小組共同拼搭完成了ev3_stopper和ev3_car。每臺機(jī)器人都有各自的使命，ev3_stopper 用來模擬攔截車輛的機(jī)器閘機(jī)。閘機(jī)有一對長長的紅色手臂，手臂的作用是在沒有紅綠燈的情況下，攔截需要禮讓行人的車輛；ev3_car 用來模擬機(jī)動(dòng)車道上行駛的車輛；程小奔則是用來模擬在人行道上過馬路的行人。

機(jī)器人要完成以上任務(wù)，要解決的核心技術(shù)也是4C 小組整個(gè)項(xiàng)目的難點(diǎn)?！伴l機(jī)”ev3_stopper要判斷過馬路的是行人還是車輛，同時(shí)要辨別行人行走的狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)控制閘桿的抬放，還要做到排除其他數(shù)據(jù)干擾；“車輛”ev3_car 要滿足檢測到減速帶和閘桿，實(shí)現(xiàn)提前減速、停車和正常通行這幾種狀態(tài)間的合理轉(zhuǎn)換；“行人”程小奔則要解決行進(jìn)速度和摩擦力導(dǎo)致的每次運(yùn)行的效果都不同的問題，需要反復(fù)調(diào)試，做到在閘機(jī)ev3_stopper 的檢測范圍內(nèi)行駛。4C 小組面對的傳感器精度、數(shù)據(jù)過濾、閾值設(shè)定、欄桿抬放算法等一系列問題，對小學(xué)生而言是充滿了難度的。項(xiàng)目從組建到完成，團(tuán)隊(duì)遇到的挫折不計(jì)其數(shù)，困難不會(huì)讓4C 小組止步不前，只會(huì)讓他們越挫越勇。

經(jīng)過反復(fù)演練、測試、編寫代碼，時(shí)間和速度算法、判斷算法這些難題被逐一解決。4C 小組終于充滿信心地站在華東區(qū)的賽場并且以第一名的成績進(jìn)入決賽。之后大家更不敢懈怠、繼續(xù)備戰(zhàn)。通過三個(gè)月的精心打磨，深入研討、優(yōu)化代碼，整個(gè)“禮讓行人”項(xiàng)目更加完善。在決賽中，4C 小組現(xiàn)場答辯沉穩(wěn)自信，大家熟練操作著各自負(fù)責(zé)的機(jī)器人，又相互默契地配合完成項(xiàng)目的運(yùn)行，對突發(fā)情況處理游刃有余且淡定自如。整個(gè)團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)可圈可點(diǎn)，評委老師連連稱贊，給予“讓機(jī)器人來管理交通吧”項(xiàng)目極大的肯定和鼓勵(lì)。4C 小組一路披荊斬棘、突破重圍，順利進(jìn)入全國總決賽，并且不負(fù)眾望，獲得了中國高校計(jì)算機(jī)大賽K12 組最佳作品獎(jiǎng)。為學(xué)校贏得榮譽(yù)的同時(shí)，4C 小組自身也得到了鍛煉，拓寬了視野、開闊了眼界。借助這個(gè)項(xiàng)目，大家能夠充分體會(huì)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性，每一次演練后，大家及時(shí)復(fù)盤、總結(jié)問題、調(diào)整策略，不放過任何一個(gè)可能影響整體項(xiàng)目的細(xì)小環(huán)節(jié)。因?yàn)?C 小組心里始終明白，要打的是一場“配合戰(zhàn)”。

三、Swft Playgrounds 校本課程實(shí)踐提升教師團(tuán)隊(duì)教科研水平

Swift Playgrounds 平臺里不是所有內(nèi)容都適合小學(xué)生學(xué)習(xí)，如何在Swift Playgrounds 平臺中選擇適合小學(xué)生的教學(xué)模塊？通過教學(xué)實(shí)踐，授課教師團(tuán)隊(duì)依托對學(xué)生作業(yè)、課堂練習(xí)等各方面的數(shù)據(jù)收集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，依此判斷所選教學(xué)內(nèi)容是否符合小學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，課時(shí)安排是否合理。通過組內(nèi)公開課，打造優(yōu)秀課例，收集教學(xué)資源建立資源庫，為后期課程推廣，積累經(jīng)驗(yàn)。

學(xué)校組織骨干教師成立Swift 編程教研組，由教研組長帶領(lǐng)教師團(tuán)隊(duì)從新班開課到組織校內(nèi)學(xué)生聯(lián)賽，從申請合肥市教育信息技術(shù)研究課題HDJ21015 到校本課程編寫，Swift 編程教研組積極學(xué)習(xí)先進(jìn)的教育理念，豐富自己的知識，開闊視野，認(rèn)真上好每一節(jié)課，積極推廣運(yùn)用好課題研究的成果經(jīng)驗(yàn)，提高課堂效率，培養(yǎng)學(xué)生的參與精神和創(chuàng)新思維能力。

為讓更多家長朋友了解Swift Playgrounds，更大力度地推廣Swift Playgrounds 校本課程，學(xué)校充分利用微信公眾號的“家長學(xué)?！逼脚_進(jìn)行宣傳。Swift 編程教研組撰寫方案、出試題、組織監(jiān)考、評選、頒獎(jiǎng)，穩(wěn)扎穩(wěn)打，力求在這個(gè)新的領(lǐng)域中教學(xué)相長。

經(jīng)過幾年的歷練，Swift Playgrounds 實(shí)踐探究讓參與學(xué)習(xí)的學(xué)生和老師在編程技術(shù)、語言表達(dá)和現(xiàn)場展示等方面都取得了明顯的進(jìn)步。Swift Playgrounds 項(xiàng)目學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的所有成員系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了Swift 語言，學(xué)習(xí)如何寫代碼，提高邏輯思維能力以及做事的條理性和專注度，促進(jìn)養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。部分老師也順利成為官方認(rèn)證的Apple Teacher。學(xué)生們開始習(xí)慣用細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度去認(rèn)識事物，在遇到難題時(shí)，會(huì)換個(gè)思路去判斷，主動(dòng)思考問題出在哪里，然后想辦法去解決問題。這就是在培養(yǎng)小學(xué)生的計(jì)算思維。Swift Playgrounds 真是大有魅力，很多現(xiàn)實(shí)世界中無法完成的事情，可以通過Swift 編程得以實(shí)現(xiàn)。學(xué)生看到自己創(chuàng)造的成果，學(xué)習(xí)興趣越來越高！

愛上一門學(xué)科容易，堅(jiān)持下去卻不簡單。日新月異的數(shù)字化技術(shù)讓人們的生活越來越便捷，越來越智能?？萍寂d國，科技強(qiáng)國，強(qiáng)國在少年，強(qiáng)國于現(xiàn)在！學(xué)問勤中獲，學(xué)問探中得———屯溪路小學(xué)將不斷奮斗，讓莘莘學(xué)子用讀、寫、算和計(jì)算思維看世界，用科技開創(chuàng)更美好的未來！