基于可視化工具的小學生計算思維培養(yǎng)

摘要：在信息社會化的今天，計算思維已與閱讀、寫作、算術(shù)一樣，成為每個現(xiàn)代公民必備的素質(zhì)。通過對教學實踐的觀察思考以及不斷的教學實踐探索，筆者總結(jié)出基于可視化工具對小學生計算思維的培養(yǎng)方法。本論文對利用故事板、作品規(guī)劃表、流程圖等多種可視化工具培養(yǎng)小學生計算思維的方法作了詳細的介紹，并結(jié)合Scratch教學實踐來進行說明。

關(guān)鍵詞：計算思維;可視化工具;小學生;Scratch

中圖分類號：G623.58文獻標識碼：A? 文章編號：1003-2177（2020）13-0092-03

1 計算思維與可視化工具

1.1計算思維的定義及特征

我國高中信息技術(shù)課程標準修訂組組長任友群教授將計算思維定義為：是一種獨特的解決問題的過程，反映出計算機科學的基本思想方法。同時任教授指出計算思維包括以下特征：（1）采用抽象和分解的方法形式化復雜問題，建立結(jié)構(gòu)模型，形成更加高效、可執(zhí)行的解決方案;（2）運用計算機學科基本概念與工具方法判斷、分析、綜合各種信息資源，強調(diào)個體與信息系統(tǒng)的交互思考過程;（3）是一種獨特的問題解決能力組合，融合設(shè)計、算法、批判、分析等多種思維工具，綜合運用可以形成系統(tǒng)化的問題解決方案[1]。

我國2017版“普通高中信息技術(shù)課程標準”對計算思維所作的定義是：計算思維是以計算機領(lǐng)域的學科方法界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案，總結(jié)利用計算機解決問題的過程與方法，并可遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中的一種學科思維[2]。

從以上對計算思維的定義及其特征可以看出計算思維就是利用計算機知識解決問題的方法并遷移到其他知識中去的思維，計算思維的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在學生利用計算機解決實際問題中所表現(xiàn)的思維，這些思維包括設(shè)計思維、算法思維以及創(chuàng)新思維等一系列思維。

1.2可視化工具

任友群教授在《數(shù)字土著何以可能？——也談計算思維進入中小學信息技術(shù)教育的必要性和可能性》一文中談到計算思維進入我國中小學信息技術(shù)教育可能性的時候提到可以將計算思維從方法習得、工具應(yīng)用、思維遷移三個層面與中小學信息技術(shù)課程融合并落實。在文中，任教授倡導“使用流程圖等工具培養(yǎng)鍛煉學生學會清晰表達個人思想”、“信息技術(shù)課程應(yīng)當注重培養(yǎng)學生綜合運用多種思維工具解決問題的能力”以及“在信息技術(shù)課程中，更需要引導學生將計算思維合理地應(yīng)用至日常生活與學習之中，形成一種思維習慣”。此外，任教授還提出讓學生體驗使用計算思維求解問題的一般過程和方法，最終達到能夠在實際問題中靈活地遷移和應(yīng)用計算思維的目標。

所謂可視化，就是把數(shù)據(jù)、信息和知識等抽象內(nèi)容，以直觀可視的方式表達出來，并對數(shù)據(jù)進行更深層次的認識和解讀[3]。Scratch編程軟件是一款積木式的可視化編程軟件，操作簡單，利用它學習者可以輕松地創(chuàng)作出各種故事、動畫、游戲作品。此外，常見的可視化工具有圖示圖表，概念圖、思維導圖、思維地圖等，筆者結(jié)合具體的教學實際及教學內(nèi)容設(shè)計采用的可視化工具有故事板、作品規(guī)劃表、流程圖、思維圖等。

2 利用可視化工具培養(yǎng)學生計算思維

結(jié)合任友群教授關(guān)于中小學計算思維教育落實的策略方法的建議，筆者設(shè)計了故事板、作品規(guī)劃表、流程圖、思維圖等可視化工具培養(yǎng)學生的設(shè)計思維、算法思維以及創(chuàng)新思維，滲透計算思維的培養(yǎng)。

2.1故事板、作品規(guī)劃表——培養(yǎng)設(shè)計思維

設(shè)計思維是為改進問題或結(jié)果所提供實用和富有創(chuàng)造性的解決方案的一種思維。它是一種以解決方案為導向的思維形式，它不是從某個問題入手，而是從目標或者是要達成的成果著手，繼而探索問題中的各項變量及解決方案。在教學中筆者采用了故事板、作品規(guī)劃表兩種可視化工具向?qū)W生滲透設(shè)計思維的培養(yǎng)。通過故事板、作品規(guī)劃表這兩種可視化工具不僅有利于引導學生把抽象的設(shè)計思維用可視化的形式表現(xiàn)出來，還能夠?qū)W生的想象力、表達能力等綜合能力進行較全面的了解，從而培養(yǎng)學生分析問題和創(chuàng)造設(shè)計的能力。故事板的完成要求學生在創(chuàng)作前對所創(chuàng)作故事的背景、角色、內(nèi)容進行一個整體的設(shè)計。作品規(guī)劃表則要求學生對游戲作品的背景以及角色功能進行設(shè)計分析，對創(chuàng)作中可能存在的問題進行預(yù)測分析，并提出解決方案。學生在編寫程序腳本的過程中可以隨時對故事板和作品規(guī)劃表的內(nèi)容進行修改完善。學生在設(shè)計故事板、作品規(guī)劃表的過程就是對作品的初步設(shè)計與構(gòu)思，對故事板和作品規(guī)劃表不斷修改、完善的過程就是提出問題、解決問題的過程，同時也是對程序不斷調(diào)試、優(yōu)化、完善的過程。

在《角色的移動及定位》一課的教學中，筆者以續(xù)編龜兔賽跑的故事為主題進行教學，編寫程序腳本之前，筆者運用故事板引導學生對故事的背景、角色以及將發(fā)生的事情進行整體的規(guī)劃設(shè)計，所用的故事板如圖1所示。學生在完成故事板的過程中，心里已經(jīng)對故事有了一個詳細的規(guī)劃設(shè)計，對角色間將發(fā)生的對話、行動、心理都有了一定的預(yù)設(shè)，故事仿佛在心里上演了一次，對所設(shè)計的故事進行了一次上演，因此學生在編寫故事腳本的時候效率得到了大大的提高，創(chuàng)作的故事充滿了創(chuàng)意。同樣的，在《垃圾齊分類——綜合創(chuàng)作》一課的教學中，筆者先指導學生填寫作品規(guī)劃表，與學生一起對作品的背景、角色功能以及可能運用到的指令進行分析預(yù)測，所運用的作品規(guī)劃表如圖2所示。通過事先對作品的分析設(shè)計，學生編寫過程中遇到的問題大大減少，解決問題的效率也明顯得到了提高。通過故事板、作品規(guī)劃表可視化工具將思維可視化，既方便老師給學生提供連續(xù)、及時的指導和幫助，也讓了學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力得到鍛煉，大大提高學生編寫程序的效率。學生正是通過對故事版和作品規(guī)劃表的編寫、修改、完善的過程，切身體驗到設(shè)計作品的過程及其樂趣，產(chǎn)生整體設(shè)計規(guī)劃的意識。

2.2流程圖——滲透算法思維

算法思維可認為是運用一定的方法和步驟來解決問題的思維，它強調(diào)解決同類問題的邏輯性、條理性和程序化。為了讓學生更好地認識、理解和掌握Scratch 積木，發(fā)展利用編程解決問題的算法思維，教學中筆者使用了大量的流程圖幫助學生理解晦澀難懂的編程思想，同時要求學生在編程操作前嘗試編寫角色流程圖，從而向?qū)W生滲透算法思維[4]。流程圖的繪制就是一個將算法思維可視化的過程，通過流程圖的繪制學生可以直觀明了地理解程序的內(nèi)在邏輯。在講解《角色的移動及定位》一課時，筆者將烏龜與兔子的腳本以流程圖的形式向?qū)W生呈現(xiàn)，讓學生通過直觀的流程圖理解線性編程結(jié)構(gòu)在計算機中的執(zhí)行過程。在進行重復執(zhí)行積木教學時，為了讓學生更好地理解循環(huán)結(jié)構(gòu)在計算機的執(zhí)行邏輯，筆者同樣采用了流程圖的方式向?qū)W生展示，通過與學生一起分析計算機執(zhí)行腳本的過程，幫助學生理解計算機在解決該類問題的方法步驟，培養(yǎng)其算法思維。對于較難理解的分支結(jié)構(gòu)，在進行“如果……否則……”積木的教學時，筆者以有趣的海洋世界為主題進行教學，運用了流程圖幫助學生理解積木在計算機的執(zhí)行過程，如圖3所示。通過流程圖，學生可以清晰明了地理解腳本在計算機中的執(zhí)行過程，感受計算機在解決問題中的邏輯性、條理性和程序化，從而更好地理解計算機在解決生活中的實際問題的一般思想和方法，從而達到向?qū)W生滲透算法思維的目的。

2.3思維圖——拓展創(chuàng)新思維

創(chuàng)新思維可以理解為以新穎獨創(chuàng)的方法或角度解決問題的思維過程。在教學中主要體現(xiàn)在學生從不同的角度對范例作品進行創(chuàng)新，或者創(chuàng)造性地將所學的知識進行遷移應(yīng)用到其它的作品中，而思維圖的使用可以有效地引導學生進行思維發(fā)散從而實現(xiàn)遷移創(chuàng)新[5]。在教學中筆者主要運用思維圖拓展學生思維，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，達到創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。在《角色的移動及定位》一課教學中，當學生完成龜兔比賽的故事創(chuàng)作后，筆者便向?qū)W生提問：可以從哪些方面對作品進行創(chuàng)新？利用所學的Scratch知識還可以創(chuàng)編哪些故事？通過兩個思維圖的展示，引導學生從不同的角度對作品進行優(yōu)化，鼓勵他們創(chuàng)造性地將所學的知識遷移到其他作品中去，從而拓展學生的思維，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。在《角色的移動及定位》一課中所使用的思維圖，如圖4所示。

3 教學觀察與反思

通過對課堂的觀察以及課后與學生的交流，筆者有以下幾點發(fā)現(xiàn)：

3.1學生學習熱情高漲

絕大部分學生在學習Scratch編程軟件的過程中始終表現(xiàn)出極大的學習興趣和積極性，很多學生主動利用課余時間創(chuàng)作出各種故事、游戲作品帶到課堂上展示，與老師同學們一起分享交流，這在其他軟件的學習中較為少見。

3.2學生作品兩極分化明顯

部分學生覺得編寫故事板和作品規(guī)劃品過于麻煩，因此當他們想到一個創(chuàng)作主題的時候常常在腦中大概暢想一下后便迫不及待地動手開始進行編程創(chuàng)作，并沒有對諸如角色的選取、造型的效果以及故事的情節(jié)等這些細節(jié)進行詳細的思考預(yù)設(shè)[6]。導致他們在創(chuàng)作過程中反復出現(xiàn)各種各樣相同或類似的問題，從而在一個問題上浪費大量的時間，本人也因此失去了創(chuàng)作的耐心和熱情，最后創(chuàng)作出來的作品要么半途而廢要么效果不如已意，學習興趣也因此大打折扣。同時，也有部分同學慢慢養(yǎng)成了運用可視化工具對作品進行詳細的規(guī)劃設(shè)計的習慣，由于事先已經(jīng)作了規(guī)劃，這些同學在創(chuàng)作的過程中效率高，遇到問題時也可以及時向相應(yīng)的同學和老師請教，創(chuàng)作出來的作品較具有新意，令人驚喜，學習的熱情也因此變得高漲，學習也越來越積極主動。

3.3男女生學習興趣點各有不同

女生普遍對故事類的創(chuàng)作更有興趣也更擅長于故事類作品的創(chuàng)作，男生則對游戲類作品興趣更濃，也更喜歡創(chuàng)作游戲類作品，這也許與學生平時的閱讀興趣和生活習慣有關(guān)，一般認為女生較喜歡看故事書和編造故事，而男生則比較關(guān)注與游戲相關(guān)的內(nèi)容。

4 結(jié)語

新課程標準強調(diào)對核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，對學生計算思維的培養(yǎng)，而計算思維對于許多一線教師，尤其是小學教師來說仍是比較抽象的概念，在教學實踐中如何具體落實培養(yǎng)小學生的計算思維還是一個難題。筆者在對如何在教學中培養(yǎng)學生計算思維的相關(guān)文獻的學習分析后，結(jié)合自己的教學實踐，對基于可視化工具的小學生計算思維的培養(yǎng)進行了探索，采用了故事板、作品規(guī)劃表、流程圖、思維圖等可視化工具培養(yǎng)學生的計算思維，為廣大的一線小學信息技術(shù)教師在培養(yǎng)學生計算思維方面提供參考，但是探索過程中仍存在許多的不足，在未來的教學實踐中，筆者將在此基礎(chǔ)上進行更多的嘗試探索。

參考文獻

[1]任友群，隋豐蔚，李鋒.數(shù)字土著何以可能？——也談計算思維進入中小學信息技術(shù)教育的必要性和可能性[J].中國電化教育，2016（1）：1-8.

[2]中華人民共和國教育部制訂.普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2018.

[3]李芒，蔡旻君，蔣科蔚，等.可視化教學設(shè)計方法與應(yīng)用[J].電化教育研究，2013，34（03）：16-22.

[4]李鋒.中小學計算思維教育：STEM課程的視角[J].中國遠程教育，2018（2）：44-49+78.

[5]柯清超，呂曉紅.信息時代的項目式學習：課堂教學的重構(gòu)與超越[J].中小學數(shù)字化教學，2018 （3）：7-9.

[6]王娟.基于Scratch的創(chuàng)意計算思維可視化研究[D].上海：上海師范大學，2015.

（責編：楊梅）

課題：《基于Scratch編程教學的小學生計算思維的培養(yǎng)研究》（HDJYKY2018C005）的研究成果。

作者簡介：黃雪英（1985—），女，廣西貴港人，本科，小學二級教師，研究方向：教學技術(shù)學。