基于計算思維培養(yǎng)的小學(xué)圖形化編程與古詩詞融合教學(xué)探索

【摘 要】如何提升學(xué)生計算思維能力是當(dāng)前信息科技教育探究的熱點領(lǐng)域。本文在厘清計算思維本質(zhì)的基礎(chǔ)之上，簡要分析了當(dāng)前圖形化編程的教學(xué)現(xiàn)狀，并以Kitten圖形化編程融合古詩詞學(xué)習(xí)為例，在“詩詞大玩家”益智游戲教學(xué)過程中滲透計算思維核心六要素，旨在幫助學(xué)生通過圖形化編程的學(xué)習(xí)提升計算思維能力，增強信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】計算思維；圖形化編程；核心素養(yǎng)；融合教學(xué)

【中圖分類號】G434 【文獻標(biāo)志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）09-055-03

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的頒布，讓計算思維再次成為信息科技課堂教學(xué)關(guān)注的熱點。相比于信息意識、數(shù)字化學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任這三大素養(yǎng)，計算思維因其價值定位和“面向?qū)W科”的特性格外受到大家的關(guān)注。因此，在信息科技課堂教學(xué)過程中，如何培養(yǎng)學(xué)生計算思維成為眾多教育工作者探究的焦點[1]。

計算思維本質(zhì)

厘清和把握計算思維的本質(zhì)是能夠高效開展信息科技課堂教學(xué)的重要保證。計算思維概念最早是由周以真教授在2006年3月提出的，并在2014年進行進一步完善，她認(rèn)為計算思維是運用計算機科學(xué)的思維方式及基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，并像計算機科學(xué)家一樣思考問題、理解問題、解決問題等涵蓋計算機科學(xué)的思維活動。從定義中可以看出，計算思維是一種思維活動，且應(yīng)該是每一位普通人都應(yīng)該具備的一項“技能”，而這種“技能”就是分析問題、解決問題的能力。因此，從本質(zhì)上說，計算思維是通過分解、建模、抽象、算法設(shè)計等手段以達到問題解決的思維活動過程。而分解、建模、抽象、算法設(shè)計則是計算思維的四大核心要素，也有學(xué)者認(rèn)為還包括評估和遷移兩個要素，即六大核心要素[2]。

圖形化編程教學(xué)現(xiàn)狀

為提升學(xué)生編程素養(yǎng)和能力，很多地區(qū)在小學(xué)中高年段開設(shè)了以圖形化編程為主的程序設(shè)計課程，但目前圖形化編程教學(xué)尚存一些問題。第一，章節(jié)之間的連續(xù)性不強，知識點比較獨立，而且每一課的內(nèi)容即為完成特定效果的操作步驟，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中按照流程就可以實現(xiàn)相應(yīng)的效果，但分析問題、解決問題的能力并未得到提升。第二，教學(xué)形式比較機械化，雖然在授課過程中教師會以任務(wù)驅(qū)動的方式推進，部分教師還設(shè)置了游戲闖關(guān)來增強學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性和積極性，但學(xué)生在完成任務(wù)時多數(shù)是參照教師給出的代碼，有的甚至只需修改個別參數(shù)，課堂看似很活躍，但學(xué)生的思維并沒有得到很好的訓(xùn)練。學(xué)習(xí)圖形化編程的最終目的并不是把學(xué)生培養(yǎng)成程序員，而是以問題為驅(qū)動，借助圖形化編程工具完成算法設(shè)計，在不斷的調(diào)試和完善中解決問題，而問題的解決過程正是思維變化的過程，圖形化編程工具則將思維變化過程進一步可視化、具體化[3]。

案例設(shè)計與實施

陜西師范大學(xué)張立國教授提出，計算思維的培養(yǎng)策略可以從三個方面進行探索：一是基于游戲化理念，二是基于問題解決理念，三是基于可視化理念。因此，筆者從計算思維的本質(zhì)出發(fā)，以上述三大理念為指引，結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知基礎(chǔ)，將圖形化編程教學(xué)與小學(xué)生古詩詞學(xué)習(xí)相融合，設(shè)計并創(chuàng)作“詩詞大玩家”游戲。通過融入古詩詞學(xué)習(xí)以增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，進一步調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生在教師的幫助與指導(dǎo)下進行問題分析和算法設(shè)計，以實現(xiàn)動手操作能力和計算思維能力的提升[4]。

1.設(shè)計背景

（1）案例背景。此案例以近幾年熱門節(jié)目《詩詞大會》為切入點，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，五、六年級的學(xué)生對該節(jié)目都不陌生，甚至有學(xué)生對其中的環(huán)節(jié)了如指掌。以學(xué)生身邊的真實節(jié)目為背景，一方面可以增強課程內(nèi)容的代入感，另一方面也為學(xué)生后續(xù)設(shè)計游戲環(huán)節(jié)提供了“腳手架”。筆者將圖形化編程與古詩詞學(xué)習(xí)結(jié)合起來，通過對益智游戲“詩詞大玩家”的設(shè)計與開發(fā)，提升學(xué)生計算思維以及增強學(xué)生對學(xué)習(xí)古詩詞的興趣。

（2）內(nèi)容背景。本案例所涉及的內(nèi)容涵蓋了五年級上冊所有的知識點，如移動、交互、變量、隨機數(shù)、圖章、條件判斷、循環(huán)等，此外，還有部分新增的內(nèi)容，如列表的使用等，屬于一款綜合性的益智游戲，學(xué)習(xí)內(nèi)容為圖形化編程的進階內(nèi)容。因此，在教學(xué)過程中主要以第二課堂為主陣地，每周有兩次課，每次課程2課時，學(xué)生創(chuàng)作時間比較充足；學(xué)習(xí)對象是五、六年級的學(xué)生，因為這個學(xué)段的學(xué)生有一定的編程能力和算法思維，創(chuàng)作欲和表現(xiàn)欲比較強烈。

2.內(nèi)容安排

本案例創(chuàng)作過程中摒棄了以往“先易后難”“先基礎(chǔ)后實踐”的教學(xué)安排，而是以項目設(shè)計與開發(fā)的歷程組建學(xué)習(xí)內(nèi)容。整體內(nèi)容分為“課題引入”“游戲設(shè)計”“游戲創(chuàng)作”三個部分。其中“課題引入”部分包括“介紹試玩”和“工具選擇”兩個環(huán)節(jié)，主要是讓學(xué)生通過游戲體驗激活原有認(rèn)知，為后續(xù)的游戲設(shè)計提供靈感和借鑒?！坝螒蛟O(shè)計”分為“功能設(shè)計”和“環(huán)節(jié)設(shè)計”，其目的是讓學(xué)生通過前面的游戲試玩，再結(jié)合自己的思考，完成游戲設(shè)計。而“游戲創(chuàng)作”部分則包括“程序編寫”和“迭代修改”兩個環(huán)節(jié)，旨在通過算法設(shè)計、程序編寫完成游戲制作，并通過迭代修改完善游戲功能。在課時安排方面，學(xué)習(xí)總時長為6周（24課時），其中課題導(dǎo)入1課時，游戲設(shè)計3課時，游戲創(chuàng)作20課時。

3.實施路徑

（1）組建學(xué)習(xí)小組。組建學(xué)習(xí)共同體可以幫助學(xué)生拓展思維，增強合作和交流能力，通過發(fā)揮不同學(xué)生的優(yōu)勢完善游戲設(shè)計。在此過程中不僅可以提升學(xué)生獨立思考、自主學(xué)習(xí)能力，更重要的是可以增強學(xué)生溝通交流、合作探究、批判性思維等高階思維能力。因此，在正式開展學(xué)習(xí)活動之前，按照組間同質(zhì)、組內(nèi)異質(zhì)的原則組建學(xué)習(xí)小組，每組3～4名學(xué)生。在學(xué)習(xí)過程中，通過頭腦風(fēng)暴完成功能設(shè)計和環(huán)節(jié)設(shè)計，并借助思維導(dǎo)圖進行呈現(xiàn)，將計算思維中的分解、建模、抽象等主要步驟通過繪制“問題解決流程圖”的形式進行集中體現(xiàn)，通過技術(shù)工具將隱性思維顯性化，幫助教師隨時了解學(xué)生的思維變化過程。

（2）梳理教學(xué)流程。提煉并優(yōu)化教學(xué)流程是通過圖形化編程提升學(xué)生計算思維的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng) “任務(wù)驅(qū)動—教師講授—學(xué)生練習(xí)”的圖形化編程教學(xué)模式，雖然可以幫助學(xué)生掌握編程工具的基本操作，了解模塊命令的使用方法，但不利于學(xué)生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)。學(xué)生學(xué)習(xí)之初積極性很高，但在熟悉了學(xué)習(xí)方法和流程以后便會進入倦怠期，學(xué)習(xí)效果將難以持續(xù)，久而久之，學(xué)生會對編程學(xué)習(xí)產(chǎn)生厭倦情緒。而產(chǎn)生這一現(xiàn)象的最主要原因就是學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容簡單，學(xué)習(xí)過程機械，缺乏創(chuàng)意。

在本案例的創(chuàng)作過程中，筆者充分發(fā)揮學(xué)生的主體性和創(chuàng)造性，摒棄了以往的教學(xué)方式，按照“問題提出—方案設(shè)計—畫流程圖—撰寫腳本—評價反饋—遷移應(yīng)用”的教學(xué)流程，重點幫助學(xué)生通過獨立思考、小組討論分析問題，厘清問題解決的思路，借助流程圖進一步將學(xué)生的思維顯性化，并通過程序搭建和調(diào)試來驗證方案的可行性。該流程基本囊括了計算思維的核心六要素，在整個游戲創(chuàng)作過程中，學(xué)生始終保持很高的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)作欲，很好地將Scratch圖形化編程的基礎(chǔ)知識和在生活中的游戲體驗遷移到自己的游戲創(chuàng)作中來。下面以“巧用圖章工具”一課為例進行闡述。

本案例是完成游戲創(chuàng)作的重要節(jié)點，其主要目標(biāo)是能夠利用文字印章工具實現(xiàn)將從“五言題目”列表中隨機抽取的題目逐字顯示在九宮格里。筆者將計算思維六要素融入到教學(xué)流程中。首先，引導(dǎo)學(xué)生將需解決的問題分解成“如何在題目列表中隨機抽取一道題”“如何將抽取的題目與九宮格的位置建立聯(lián)系”“如何利用循環(huán)和圖章工具將文字顯示出來”三個子問題。然后，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生找到列表和圖章之間的融合點，并實現(xiàn)文字復(fù)制的最優(yōu)方案，通過以上兩步幫助學(xué)生完成問題分解和建模。接著，讓學(xué)生繪制出流程圖，再根據(jù)流程圖搭建程序并調(diào)試優(yōu)化。最后通過作品分享、師生互評、生生互評的方式進一步優(yōu)化作品，并思考如何在現(xiàn)有作品的基礎(chǔ)之上繼續(xù)實現(xiàn)游戲功能，進而讓學(xué)生完成抽象、算法設(shè)計、評價和遷移應(yīng)用四個環(huán)節(jié)。讓學(xué)生通過分析問題、歸納總結(jié)、搭建程序、交流反饋等活動完成對問題的解決，在實際教學(xué)過程中，課堂氣氛活躍，學(xué)生積極思考，計算思維能力得到明顯提升[5]。

（3）展示學(xué)習(xí)成果，增強學(xué)生創(chuàng)作的成就感。本案例在設(shè)計和創(chuàng)作的過程中依托了編程貓在線編程和UMU兩個數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺。通過編程貓在線編程平臺學(xué)生可以在線進行圖形化編程，重要的是可以在線分享自己的作品，除了可以讓老師和同學(xué)欣賞和評價自己的作品以外，也可以將作品分享給朋友和父母。而UMU平臺則是存儲和展示學(xué)生的學(xué)習(xí)證據(jù)，包括學(xué)習(xí)任務(wù)單、思維導(dǎo)圖、每次課的源程序代碼以及最終的案例匯報視頻等。數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺的運用一方面可以極大提升學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)能力，這也是信息科技學(xué)科的核心素養(yǎng)之一；另一方面通過可視化的技術(shù)運用可以極大地增強學(xué)生的創(chuàng)作熱情。除此以外，更為重要的是過程性學(xué)習(xí)證據(jù)可以完整地表征學(xué)生思維變化的過程，也為過程性評價提供了重要的數(shù)據(jù)支撐[6]。

教學(xué)總結(jié)與反思

本案例通過6周的教學(xué)實踐，學(xué)生生成了很多有創(chuàng)意的作品，通過最后一課的作品展示和分享可以看出，有些小組的作品雖然最后的功能還沒有完全實現(xiàn)，但是游戲的頁面設(shè)計、功能設(shè)計、環(huán)節(jié)設(shè)計都非常有創(chuàng)意。例如，“詩詞小達人”小組在美術(shù)教師的指導(dǎo)下設(shè)計了非常唯美和逼真的游戲頁面；在環(huán)節(jié)設(shè)計方面他們聽取了英語老師的建議，將環(huán)節(jié)分為“游戲試玩”和“挑戰(zhàn)自我”兩個環(huán)節(jié)，讓詩詞挑戰(zhàn)者可以先通過“游戲試玩”環(huán)節(jié)了解游戲規(guī)則，然后再進入挑戰(zhàn)環(huán)節(jié)；在游戲結(jié)束環(huán)節(jié)該小組采用的規(guī)則是給游戲挑戰(zhàn)者180秒的固定時間，時間到則游戲結(jié)束。而“玩轉(zhuǎn)詩詞”小組則在游戲結(jié)束環(huán)節(jié)采取了不同的規(guī)則，他們采用的是增加或減少“答題次數(shù)”的方式，給每位游戲挑戰(zhàn)者3次“答題次數(shù)”，每答對一題增加一次答題次數(shù)，反之則減少一次。UMU數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺上也積累了學(xué)生豐富的學(xué)習(xí)過程性證據(jù)，部分學(xué)生將小組完成的游戲作品讓語文教師欣賞以后得到了極大的肯定。學(xué)生通過案例的學(xué)習(xí)不僅掌握了圖形化編程學(xué)習(xí)的方法，更為重要的是增強了計算思維等高階思維能力。

經(jīng)過修改和完善，“玩轉(zhuǎn)詩詞”小組作品獲得了2023年廣東省科技勞動教育暨學(xué)生信息素養(yǎng)提升實踐活動和2023年深圳市中小學(xué)生網(wǎng)絡(luò)夏令營活動小學(xué)組程序設(shè)計類一等獎。組委會評委的肯定也進一步反映了作品創(chuàng)意好、質(zhì)量高，學(xué)生學(xué)習(xí)方法得當(dāng)。

圖形化編程被眾多學(xué)者認(rèn)為是提升學(xué)生計算思維的有效途徑之一，但學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式至關(guān)重要。學(xué)習(xí)內(nèi)容要以學(xué)生生活或?qū)W習(xí)中的真實問題為切入點，以增強學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)創(chuàng)作靈感；學(xué)習(xí)方式以“玩中學(xué)”“做中學(xué)”和“創(chuàng)中學(xué)”為主，讓學(xué)生在實踐的過程中提升分析問題和解決問題的能力，要借助圖形化編程的特點和優(yōu)勢，通過可視化工具讓學(xué)生計算思維的培養(yǎng)真正落實在課堂上。

注：本文系2023年深圳市光明區(qū)教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于跨學(xué)科學(xué)習(xí)的小學(xué)高年段人工智能教學(xué)實踐研究”（課題立項號：GMQN202317）階段性研究成果

參考文獻

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