Processing在高中信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：信息技術(shù)教學(xué)注重對學(xué)生計(jì)算思維等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，Processing具有開源簡潔、可視化反饋和應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，打破了傳統(tǒng)編程工具的局限性，為高中信息技術(shù)教學(xué)提供了新的思路。本文根據(jù)項(xiàng)目學(xué)習(xí)相關(guān)理論，提出了Processing項(xiàng)目教學(xué)策略，該策略以學(xué)生探究活動(dòng)為中心，包含情境創(chuàng)設(shè)、項(xiàng)目分析、任務(wù)探究、反思優(yōu)化和總結(jié)拓展五個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，作者基于大單元教學(xué)理念，設(shè)計(jì)開發(fā)了Processing算法與程序設(shè)計(jì)課程，在高中信息技術(shù)教學(xué)中開展了實(shí)踐，促進(jìn)了學(xué)生核心素養(yǎng)、設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：Processing；程序設(shè)計(jì)；計(jì)算思維；大單元教學(xué)；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）21-0000-04

算法與程序設(shè)計(jì)是高中信息技術(shù)教學(xué)的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維等核心素養(yǎng)的重要載體?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）提倡以學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中突出學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)，但傳統(tǒng)的編程工具難以支持學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)作出有創(chuàng)意的、功能豐富的編程作品。而Processing提供了對圖片、動(dòng)畫和聲音進(jìn)行編程的環(huán)境，用戶可以通過少量的代碼快速生成視覺藝術(shù)、動(dòng)態(tài)影像和互動(dòng)設(shè)計(jì)等作品，其具有開源簡潔、可視化反饋、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)、設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力，能為高中信息技術(shù)教學(xué)提供新的思路。

Processing應(yīng)用的可行性分析

Processing免費(fèi)開源，支持Java和Python語言進(jìn)行編程，代碼簡潔易懂，與高中信息技術(shù)中的“算法與程序設(shè)計(jì)”教學(xué)內(nèi)容契合。Processing以視覺設(shè)計(jì)為主，學(xué)生能從可視化的運(yùn)行效果中更直觀地理解代碼的功能和邏輯，發(fā)現(xiàn)并分析程序中存在的問題。此外，Processing以數(shù)字藝術(shù)為背景，可以用來制作各種視覺作品，也可以和多平臺(tái)結(jié)合，創(chuàng)作各種藝術(shù)裝置和公共空間的展覽裝置。

基于Processing的算法與程序設(shè)計(jì)大單元課程

新課標(biāo)中提倡的應(yīng)對知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行重組式、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，其根本也是指向大單元教學(xué)。大單元教學(xué)是以大主題或大任務(wù)為中心，對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行分析、整合、重組和開發(fā)，形成具有明確的主題、目標(biāo)、任務(wù)、情境、活動(dòng)、評價(jià)等要素的結(jié)構(gòu)化的教學(xué)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)對單元邏輯的分析和厘清，指向?qū)W科核心素養(yǎng)和學(xué)科大概念。

1.課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

筆者在對粵教版《高中信息技術(shù)（必修1）》第三章“算法基礎(chǔ)”、第四章“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”，以及Processing相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析后，將課程內(nèi)容設(shè)計(jì)為“算法與程序設(shè)計(jì)”大單元，并劃分為三個(gè)子單元和一個(gè)跨學(xué)科專題，三個(gè)子單元分別是繪圖與動(dòng)畫、邏輯與交互、循環(huán)之美和運(yùn)動(dòng)模擬，各個(gè)子單元既有自己的主題概念，又相互之間緊密聯(lián)系，層層遞進(jìn)。在每個(gè)子單元或?qū)ｎ}下面，圍繞單元核心概念設(shè)計(jì)1～3個(gè)項(xiàng)目范例，學(xué)生通過項(xiàng)目范例學(xué)習(xí)算法和程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，并在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施的過程中了解程序設(shè)計(jì)的一般過程，培養(yǎng)計(jì)算思維等核心素養(yǎng)。在完成各個(gè)子單元的學(xué)習(xí)后，學(xué)生將以小組合作的形式創(chuàng)作Processing作品并進(jìn)行交流展示，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)開展項(xiàng)目合作，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

在具體的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)中（如右表），子單元一的教學(xué)內(nèi)容包含程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、Processing繪圖和動(dòng)畫的基礎(chǔ)知識(shí)等；子單元二的教學(xué)內(nèi)容以選擇結(jié)構(gòu)為核心，融入Processing鼠標(biāo)和鍵盤交互；子單元三的教學(xué)內(nèi)容以循環(huán)結(jié)構(gòu)為核心，以列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為輔，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法之間的聯(lián)系；跨學(xué)科專題為綜合性較強(qiáng)的一個(gè)單元，實(shí)現(xiàn)了編程和物理的跨學(xué)科教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用物理中的相關(guān)知識(shí)，通過編程模擬物體的直線運(yùn)動(dòng)、反彈運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)等，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科項(xiàng)目。

2.項(xiàng)目范例設(shè)計(jì)

新課標(biāo)指出，“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)是指學(xué)生在教師引導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)問題，以解決問題為導(dǎo)向開展方案設(shè)計(jì)、新知學(xué)習(xí)、實(shí)踐探索，具有創(chuàng)新特質(zhì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)”。在Processing算法與程序設(shè)計(jì)課程中，學(xué)生受到每個(gè)單元中項(xiàng)目范例的驅(qū)動(dòng)，自主學(xué)習(xí)知識(shí)技能并應(yīng)用知識(shí)解決問題、產(chǎn)生成果和創(chuàng)新。因此，項(xiàng)目范例的設(shè)計(jì)是學(xué)生項(xiàng)目學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）指向單元目標(biāo)，層層遞進(jìn)

項(xiàng)目范例應(yīng)以單元核心概念為引領(lǐng)，突出程序設(shè)計(jì)的核心思想和方法，同時(shí)注重知識(shí)點(diǎn)和難度的螺旋上升，由易到難，使學(xué)生循序漸進(jìn)地進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和探究。

（2）融入跨學(xué)科內(nèi)容，拓寬視野

在項(xiàng)目范例中融入數(shù)學(xué)、物理、藝術(shù)等學(xué)科內(nèi)容，讓學(xué)生能夠運(yùn)用其他學(xué)科知識(shí)解決編程問題，或者通過編程輔助其他學(xué)科的研究學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。同時(shí)，通過跨學(xué)科項(xiàng)目讓學(xué)生體會(huì)信息技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用和價(jià)值，培養(yǎng)其對信息技術(shù)的興趣和志趣，拓寬視野，激發(fā)創(chuàng)意。

（3）不宜冗長，反饋及時(shí)

學(xué)生能通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)獲得成就感，形成及時(shí)的學(xué)習(xí)反饋。因此，項(xiàng)目范例不一定要涵蓋單元所有的知識(shí)點(diǎn)，一個(gè)單元可以由多個(gè)項(xiàng)目范例組成，使每個(gè)項(xiàng)目范例能在1～2個(gè)課時(shí)內(nèi)完成。

基于Processing的算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

在教學(xué)中，教師應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生通過對圖形圖像和動(dòng)態(tài)交互功能的原理進(jìn)行分析，提取項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)所需的關(guān)鍵信息，并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)算法、編程調(diào)試，讓學(xué)生學(xué)會(huì)透過現(xiàn)象看本質(zhì)，培養(yǎng)計(jì)算思維等核心素養(yǎng)。通過反復(fù)實(shí)踐，筆者提出了Processing項(xiàng)目教學(xué)策略（如圖1）。

1.情境創(chuàng)設(shè)

教師通過具體的項(xiàng)目應(yīng)用情境和案例激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提出本項(xiàng)目所要解決的問題。例如，在《運(yùn)動(dòng)模擬》一課中，通過中國臺(tái)球運(yùn)動(dòng)員奪冠和AR臺(tái)球輔助增強(qiáng)系統(tǒng)的視頻，引導(dǎo)學(xué)生了解通過計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)動(dòng)的具體應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確課程探究目標(biāo)。

2.項(xiàng)目分析

在項(xiàng)目分析環(huán)節(jié)，教師需要從宏觀角度引導(dǎo)學(xué)生對項(xiàng)目進(jìn)行分析，找到問題解決的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)問題分解，讓學(xué)生學(xué)會(huì)由易到難解決復(fù)雜問題的方法，并形成系統(tǒng)思維。例如，在《運(yùn)動(dòng)模擬》一課中，教師提出問題：“要模擬小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要知道哪些數(shù)據(jù)？”學(xué)生結(jié)合相關(guān)物理知識(shí)，通過討論和分析，提出模擬小球運(yùn)動(dòng)軌跡需要知道的影響因素，并進(jìn)一步根據(jù)影響因素和運(yùn)動(dòng)軌跡對問題進(jìn)行分解：①根據(jù)影響因素分解——不計(jì)摩擦力，無能量損失；考慮能量損失；考慮摩擦力；②根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡分解——水平方向運(yùn)動(dòng)；斜方向運(yùn)動(dòng)；碰到邊界反彈。

3.任務(wù)探究

在任務(wù)探究環(huán)節(jié)，教師需要設(shè)置層層遞進(jìn)、循序漸進(jìn)的探究任務(wù)鏈，并結(jié)合圖示和啟發(fā)性問題引導(dǎo)學(xué)生不斷對問題進(jìn)行分析，抽象提取出問題解決的關(guān)鍵特征，采用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)，并構(gòu)建合適的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)算法、編程調(diào)試。同時(shí)，教師需要為學(xué)生提供相關(guān)的學(xué)習(xí)資源以支持學(xué)生的探究活動(dòng)。例如，在《運(yùn)動(dòng)模擬》一課中，可設(shè)置如下探究任務(wù)鏈——模擬1：水平反彈（假設(shè)：不計(jì)摩擦力，無能量損失，水平向右擊球）；模擬2：任意方向反彈（假設(shè)：不計(jì)摩擦力，無能量損失，任意方向擊球）。

對于“模擬1：水平反彈”任務(wù)，設(shè)置以下啟發(fā)性問題和運(yùn)動(dòng)過程分析示意圖（如圖2）：

Q1：繪制初始位置的小球，需要知道哪些數(shù)據(jù)？

Q2：假設(shè)小球運(yùn)動(dòng)速度是5像素/幀，在第1幀的時(shí)候，小球的位置坐標(biāo)x和y分別應(yīng)該是多少？在第2幀的時(shí)候呢？

Q3：假設(shè)上一幀小球的位置坐標(biāo)是（x，y），那么當(dāng)前幀小球位置坐標(biāo)應(yīng)該是多少？

Q4：小球碰到邊界時(shí)會(huì)怎樣？有哪些變量的值會(huì)發(fā)生改變？如何改變？

在啟發(fā)性問題的推動(dòng)下，學(xué)生逐步構(gòu)建起數(shù)學(xué)模型并設(shè)計(jì)算法、編程調(diào)試。

進(jìn)入“模擬2：任意方向反彈”，小球狀態(tài)的改變將涉及兩個(gè)方向（x方向和y方向），需要運(yùn)用到物理學(xué)中運(yùn)動(dòng)的合成與分解，即運(yùn)動(dòng)可以分解為兩個(gè)或多個(gè)互相垂直的直線運(yùn)動(dòng)，這也是物理學(xué)中研究較復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的一種常用方法。為讓學(xué)生更好地從水平運(yùn)動(dòng)過渡到任意方向運(yùn)動(dòng)，可設(shè)計(jì)啟發(fā)性問題引導(dǎo)學(xué)生先思考垂直運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，通過比較水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)的異同，再進(jìn)一步推理構(gòu)建出任意方向運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并在水平反彈程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，編程調(diào)試。

對于“模擬任意方向反彈”設(shè)置以下啟發(fā)性問題和運(yùn)動(dòng)過程分析示意圖（如圖3）：

Q1：如果小球在豎直方向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)過程中每一幀的數(shù)據(jù)如何變化？和水平運(yùn)動(dòng)相比有何異同？

Q2：在臺(tái)球比賽中通常是任意方向擊球，當(dāng)小球向任意方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)過程中每一幀的數(shù)據(jù)如何變化？

4.反思優(yōu)化

學(xué)生在進(jìn)行探究活動(dòng)的過程中，不可避免會(huì)遇到問題，這恰恰是學(xué)習(xí)最有價(jià)值的時(shí)候。教師在巡視指導(dǎo)的過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題，并將問題共享，組織學(xué)生進(jìn)行討論、分析和質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生思考問題解決辦法，并進(jìn)一步通過相關(guān)學(xué)習(xí)資源引導(dǎo)學(xué)生探究新知，實(shí)現(xiàn)更高階的任務(wù)。例如，在《運(yùn)動(dòng)模擬》一課的教學(xué)中，學(xué)生開始時(shí)并沒有意識(shí)到小球的位置坐標(biāo)和速度都是全局變量，導(dǎo)致在程序運(yùn)行時(shí)報(bào)錯(cuò)。這時(shí)，教師組織學(xué)生討論錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因，并給學(xué)生提供“全局變量和局部變量”的學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化代碼，解決問題。再如，程序最開始并沒有考慮小球的半徑問題，導(dǎo)致小球運(yùn)動(dòng)時(shí)有“出界”的問題。這時(shí)，教師組織學(xué)生討論優(yōu)化方案，修改邊界判定閾值，組織學(xué)生交流展示。反思優(yōu)化環(huán)節(jié)和任務(wù)探究環(huán)節(jié)是相輔相成、循環(huán)促進(jìn)的，是實(shí)現(xiàn)對學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的重要過程，能讓學(xué)生對問題的分析更加透徹、對知識(shí)的理解更加深刻，同時(shí)也有助于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和問題解決能力。

5.總結(jié)拓展

在總結(jié)拓展環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)本課所學(xué)，交流項(xiàng)目中遇到的問題及收獲，并提供相應(yīng)的拓展任務(wù)，讓學(xué)有余力和感興趣的學(xué)生繼續(xù)深入探究，如在《運(yùn)動(dòng)模擬》一課中，筆者為學(xué)生提供了“落體運(yùn)動(dòng)”和“圓周運(yùn)動(dòng)”兩個(gè)拓展任務(wù)。此外，教師也可為學(xué)生提供計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)動(dòng)的其他場景，包括運(yùn)動(dòng)模擬在物理、數(shù)學(xué)和社會(huì)研究等領(lǐng)域中的應(yīng)用，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行科學(xué)研究的重要方式，拓展學(xué)生的視野，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對計(jì)算機(jī)科學(xué)的興趣。

結(jié)語

充分利用Processing的開源簡潔、可視化反饋和應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢，開展高中信息技術(shù)算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維的可視化，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。此外，Processing豐富的功能和完善的學(xué)習(xí)資源也能支持學(xué)生開展更加個(gè)性化的項(xiàng)目實(shí)踐，融入跨學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)制作富有創(chuàng)意的作品，有助于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、審美趣味和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

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