模塊化設(shè)計(jì)助力小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)

李艷程

【摘 要】計(jì)算思維作為信息科技學(xué)科的四大核心素養(yǎng)之一，被寫進(jìn)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，標(biāo)志著計(jì)算思維在培養(yǎng)具備核心競(jìng)爭(zhēng)力的未來(lái)人才中有著重要地位。本文通過(guò)一些Scratch教學(xué)案例探索模塊化設(shè)計(jì)如何助力小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)，為當(dāng)前小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng)；計(jì)算思維；模塊化設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）06-068-02

小學(xué)生正處于思維發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，培養(yǎng)他們的計(jì)算思維將對(duì)他們未來(lái)的學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中，計(jì)算思維作為核心素養(yǎng)之一，必將推動(dòng)信息科技學(xué)科教與學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展。

模塊化設(shè)計(jì)與計(jì)算思維

計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法[1]，在問(wèn)題解決過(guò)程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)[2]。

模塊化設(shè)計(jì)是一種分而治之的思想。在軟件工程領(lǐng)域，模塊化設(shè)計(jì)是一種將軟件系統(tǒng)分解為若干獨(dú)立模塊，每個(gè)模塊都具有特定的功能，可以單獨(dú)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，最終通過(guò)組合這些模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)整體功能的方法。模塊化設(shè)計(jì)同樣存在著抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)的思維活動(dòng)，因此，模塊化設(shè)計(jì)與計(jì)算思維存在著一定的關(guān)聯(lián)性。在教學(xué)中滲透模塊化設(shè)計(jì)將有助于小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)和解決問(wèn)題能力的提升。

模塊化設(shè)計(jì)在Scratch教學(xué)中的運(yùn)用

在Scratch教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)將學(xué)習(xí)項(xiàng)目通過(guò)項(xiàng)目分層、任務(wù)分解和建模以及算法封裝的方式化整為零，各個(gè)擊破解決問(wèn)題，進(jìn)而提升學(xué)生計(jì)算思維。

1.項(xiàng)目分層讓思路更清晰

分層在軟件架構(gòu)中有著廣泛的運(yùn)用，是一種系統(tǒng)思維。它把項(xiàng)目按照功能或任務(wù)分成幾個(gè)層次，各個(gè)層次之間是可以實(shí)現(xiàn)互通的，并且有著不同的任務(wù)。筆者把Scratch編程分成“界面布局層”“邏輯腳本層”“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層”“外接硬件層”。界面布局層負(fù)責(zé)游戲界面的展示，包括創(chuàng)建角色和場(chǎng)景構(gòu)圖；邏輯腳本層負(fù)責(zé)通過(guò)編寫腳本代碼塊來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的游戲效果或功能；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理；外接硬件層主要任務(wù)是對(duì)外接設(shè)備的控制和互通數(shù)據(jù)。

“創(chuàng)建‘海底世界場(chǎng)景”是福建教育出版社信息技術(shù)六年級(jí)上冊(cè)第3課，是綜合編程的第一課。教師可通過(guò)分層幫助初涉編程的學(xué)生理清編程思路，了解編寫程序的完整過(guò)程。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下完成編程任務(wù)，最后教師設(shè)計(jì)問(wèn)題：請(qǐng)你說(shuō)一說(shuō)這節(jié)課是如何一步一步打造這個(gè)作品的？學(xué)生通過(guò)回憶能初步形成一個(gè)流程：選擇舞臺(tái)背景；添加角色；設(shè)計(jì)角色動(dòng)作；編寫角色腳本；測(cè)試程序。教師板書流程圖，進(jìn)而在流程圖的基礎(chǔ)上將整個(gè)流程抽象為“界面布局”“邏輯腳本”兩個(gè)層次。在界面布局層主要有舞臺(tái)背景、添加角色、設(shè)計(jì)角色動(dòng)作三項(xiàng)任務(wù)，而在邏輯腳本層主要有編寫角色腳本和測(cè)試程序兩項(xiàng)任務(wù)，這兩項(xiàng)任務(wù)是循環(huán)往復(fù)直至達(dá)到預(yù)期效果的。最終形成思維導(dǎo)圖，讓學(xué)生更直觀地理解完整編程過(guò)程，初步建立分層概念。

在六年級(jí)下冊(cè)的人工智能教學(xué)中還會(huì)涉及“外接硬件層”，主要任務(wù)是機(jī)器人搭建、傳感器的選擇和與傳感器的通信。在Scratch編程教學(xué)中滲透分層架構(gòu)的概念，可以幫助學(xué)生更好地理解編程的基本原則，理清編程的思路，提高邏輯思維能力和解決問(wèn)題的能力，從而促進(jìn)計(jì)算思維的發(fā)展。

2.任務(wù)分解、建模讓結(jié)構(gòu)更合理

分解是將復(fù)雜問(wèn)題拆分為更小、更易處理的部分（通常稱為“模塊”），然后分別解決這些小問(wèn)題。在編程時(shí)我們通常可以將程序任務(wù)分解為“輸入、計(jì)算、輸出”三個(gè)模塊，這是計(jì)算機(jī)編程中最基本的三大模塊，幾乎所有計(jì)算機(jī)程序都由這三個(gè)基本模塊組成。在學(xué)習(xí)編程時(shí)，理解這三個(gè)模塊的作用和原理可以幫助學(xué)生更好地組織和設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)和算法。

以福建教育出版社信息技術(shù)六年級(jí)上冊(cè)第4課“趣味編程1：猜數(shù)游戲”為例，主題要求小貓隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)，請(qǐng)學(xué)生輸入一個(gè)數(shù)，小貓立刻做出判斷。若學(xué)生輸入的數(shù)大了，小貓?zhí)崾尽按罅?，再猜”，學(xué)生再次輸入；若小了則提示“小了，再猜”，學(xué)生再次輸入；若學(xué)生輸入的數(shù)相等則提示“恭喜你，答對(duì)了”。

學(xué)生通過(guò)自然語(yǔ)言描述程序流程，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)程序中主要涉及輸入、計(jì)算、輸出三個(gè)模塊。輸入模塊是指程序從外部獲取數(shù)據(jù)或信息的模塊，而數(shù)據(jù)來(lái)源可以是鍵盤、鼠標(biāo)或文件等。這個(gè)模塊負(fù)責(zé)接收學(xué)生輸入的數(shù)據(jù)，需要使用“詢問(wèn)”積木塊，通過(guò)輸入框輸入數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)到變量中供程序后續(xù)使用。計(jì)算模塊是指程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理或計(jì)算的模塊，通常需要考慮程序結(jié)構(gòu)，用到一些數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及算法。在這個(gè)項(xiàng)目中，該模塊負(fù)責(zé)將學(xué)生輸入的數(shù)值與小貓產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行比較，需要用到邏輯判斷運(yùn)算。輸出模塊是指程序?qū)⒂?jì)算結(jié)果反饋給學(xué)生的模塊，這個(gè)模塊負(fù)責(zé)輸出計(jì)算結(jié)果，需要使用“說(shuō)話”積木塊、“顯示文本”積木塊或“播放聲音”積木塊等。此時(shí)小貓根據(jù)比較結(jié)果“說(shuō)”出相應(yīng)的內(nèi)容，再判斷是否進(jìn)入循環(huán)。

學(xué)生通過(guò)分解任務(wù)、分析問(wèn)題，運(yùn)用所學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)明確程序所需積木塊，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言建立聯(lián)系，從計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的角度分解主題，選擇程序結(jié)構(gòu)、建立I/O模型、設(shè)計(jì)算法，從而解決問(wèn)題，有效地提升了計(jì)算思維。

3.算法封裝讓設(shè)計(jì)更高效

封裝是面向?qū)ο蟪绦虻闹饕卣?，指的是把抽象得到的?shù)據(jù)和行為（或功能）像黑匣子一樣“封裝”成一個(gè)整體。在Scratch中，我們可以將重復(fù)使用的代碼塊封裝成自定義的積木，以便在需要時(shí)重復(fù)使用。這種封裝的思想可以培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維和復(fù)用意識(shí)。

如在福建教育出版社信息技術(shù)六年級(jí)上冊(cè)第8課“繪制基本幾何圖形”中，教師可以在學(xué)生完成繪制正N邊形的基礎(chǔ)上讓學(xué)生嘗試?yán)L制圖形（圖1）。

圖1? 學(xué)生繪制的幾何圖形

教師和學(xué)生通過(guò)共同分析發(fā)現(xiàn)，該圖形是由正五邊形復(fù)制、旋轉(zhuǎn)360°和正三角形復(fù)制、旋轉(zhuǎn)360°疊加后得到的。此時(shí)教師引入“自制積木”，并引導(dǎo)學(xué)生將繪制正N邊形的程序封裝為“正N邊形繪制”的自定義積木，以便通過(guò)重復(fù)多次調(diào)用完成圖形的繪制。

教師在此基礎(chǔ)上還可以再讓學(xué)生嘗試?yán)L制更多正N邊形的組合圖形，如“五邊形+六邊形”“五邊形+一百邊形+八邊形”等。學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)單地改變參數(shù)、多次調(diào)用“正N邊形繪制”的自制積木，繪制出絢麗多彩的圖形，避免了大量的復(fù)制和粘貼，使程序變得簡(jiǎn)潔，大大提高了編程的效率。這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)了在周長(zhǎng)不變的情況下，邊數(shù)越多的正多邊形越接近圓形的規(guī)律，鍛煉了對(duì)問(wèn)題的抽象、建模和算法實(shí)現(xiàn)的能力，有效地促進(jìn)了計(jì)算思維的發(fā)展。

結(jié)? 語(yǔ)

模塊化設(shè)計(jì)可以有效地幫助學(xué)生解決問(wèn)題、編寫程序和創(chuàng)新思考。小學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)如何使用模塊化編程、掌握常見(jiàn)的模塊和算法、培養(yǎng)抽象思維和建模能力以及注重實(shí)踐和反思等方法，可以更好地提升計(jì)算思維。

參考文獻(xiàn)

周純，以單元表現(xiàn)性評(píng)價(jià)促進(jìn)初中生計(jì)算思維的發(fā)展[J]. 中國(guó)信息技術(shù)教育，2023（1）.

李鋒，李冬梅，魏雄鷹，朱莎. 發(fā)展關(guān)鍵能力 提升數(shù)字素養(yǎng)與技能：義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）的內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)施建議[J]. 教師教育學(xué)報(bào)，2022（5）.