程序設(shè)計(jì)模塊化，計(jì)算思維深度化

萬詩強(qiáng)

如何在小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，一直是信息技術(shù)教研活動中的熱門話題。編程教育也一直是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的極佳方式。因此，小學(xué)階段的編程學(xué)習(xí)不應(yīng)僅讓學(xué)生掌握編程技能，更應(yīng)聚焦于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。這就要求教師在實(shí)際教學(xué)中圍繞計(jì)算思維的抽象、分解、建模、評估等內(nèi)涵要素來設(shè)計(jì)教學(xué)，啟迪學(xué)生，從而讓計(jì)算思維的培養(yǎng)落到實(shí)處。筆者在一線教學(xué)中發(fā)現(xiàn)模塊化程序設(shè)計(jì)思想對培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的抽象、分解等內(nèi)涵能力至關(guān)重要。下面，筆者以蘇科版小學(xué)五年級圖形化編程課為例，闡述如何在教學(xué)中滲透模塊化程序設(shè)計(jì)思想，深化學(xué)生的計(jì)算思維。

● 自頂向下，模塊化分解問題

制作游戲是小學(xué)階段圖形化編程的一種經(jīng)典應(yīng)用，也是學(xué)生非常感興趣的編程創(chuàng)作形式。一個游戲的制作往往需要實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的功能，在實(shí)際教學(xué)中，如果在學(xué)生體驗(yàn)完一個游戲后就要求他們制作，學(xué)生往往難以下手。究其原因，主要是學(xué)生面對復(fù)雜問題時，缺少自頂向下分解問題的能力，而這種能力正是計(jì)算思維內(nèi)涵中“分解”的體現(xiàn)。學(xué)生的困境主要表現(xiàn)在兩個方面：一是編程前難以分清各子功能，理清各子功能之間的關(guān)系;二是編程時難以將子功能的自然語言表述“翻譯”成具體的編程腳本。針對第一個困境，教師可以借助模塊化程序設(shè)計(jì)思想來引導(dǎo)學(xué)生，將復(fù)雜問題分解為子問題;對于第二個困境，教師需要將子問題表述的“粒度”細(xì)分，分解到便于學(xué)生構(gòu)建底層邏輯的程度，即幫助學(xué)生構(gòu)建自然語言與編程指令之間的對應(yīng)關(guān)系，然后再讓學(xué)生結(jié)合認(rèn)知水平嘗試構(gòu)建子模塊，解決子問題。

例如，在講授《吃豆子游戲》一課時，游戲中需要實(shí)現(xiàn)豆子從舞臺上方隨機(jī)掉落的功能，這樣的功能描述是比較籠統(tǒng)的。筆者首先引導(dǎo)學(xué)生將復(fù)雜的功能嘗試分解為兩大子功能，即①在舞臺上方隨機(jī)出現(xiàn)，②不停地下降;其次根據(jù)子功能的描述引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建具體的子模塊腳本，利用移動坐標(biāo)、隨機(jī)數(shù)控件實(shí)現(xiàn)第一個子功能;最后利用減小Y坐標(biāo)、重復(fù)執(zhí)行控件實(shí)現(xiàn)豆子下降（如圖1）。這樣自頂向下的引導(dǎo)，能讓學(xué)生體會到模塊化分解任務(wù)的優(yōu)勢，體驗(yàn)?zāi)K化分解復(fù)雜問題、模塊化實(shí)現(xiàn)子功能的過程，這是對學(xué)生計(jì)算思維中“分解”內(nèi)涵的一種培養(yǎng)。

● 重讀腳本，模塊化理解程序

課堂中，在學(xué)生完成某一部分任務(wù)的腳本編寫后，教師可以在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)引導(dǎo)學(xué)生重讀腳本，在重讀過程中要經(jīng)常提問學(xué)生對某一段程序的理解，如這個腳本片段實(shí)現(xiàn)了什么功能？誰能用自己的話概括一下這段腳本的作用？這樣的引導(dǎo)有助于學(xué)生從模塊化視角重讀腳本、理解程序，長此以往，學(xué)生眼中看到的就不再是一個個具體底層指令搭建成的腳本，而是基于模塊的腳本，每一個模塊就對應(yīng)了之前分析的子功能，這也讓學(xué)生對程序腳本有了更加抽象化的認(rèn)識。

例如，在講授《花朵繽紛》一課時，筆者發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生缺乏對程序腳本模塊化的認(rèn)識。如圖2所示，腳本1是利用圖章、旋轉(zhuǎn)以及重復(fù)5次完成的一朵五瓣花瓣的繪制，腳本2是升級功能時部分學(xué)生的錯誤腳本，筆者原本希望利用隨機(jī)數(shù)和移動坐標(biāo)指令完成在舞臺上隨機(jī)開花的功能，但不少學(xué)生會把移動隨機(jī)位置指令放到重復(fù)5次里，這樣就破壞了原本的“開花”功能——整個花散開了。究其原因，是學(xué)生對重復(fù)5次的理解不夠模塊化、抽象化。隨后筆者調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)，增加了引導(dǎo)學(xué)生重讀“重復(fù)5次”這段腳本的環(huán)節(jié)，讓學(xué)生用自己的語言概括這段重復(fù)5次的功能——印出一朵花。學(xué)生在這個過程中就有了對程序腳本模塊化的認(rèn)識，在后續(xù)的功能升級中，就很少有“花開散”的現(xiàn)象出現(xiàn)了。

● 交流展評，模塊化評估功能

筆者提倡“自頂向下的問題模塊化”“重讀腳本的程序模塊化”是幫助學(xué)生構(gòu)建程序設(shè)計(jì)模塊化思想的兩大引導(dǎo)策略，但并不意味著有了這兩種引導(dǎo)，學(xué)生便不再犯錯。在實(shí)際的教學(xué)中，如果學(xué)生編寫的程序還是存在模塊關(guān)系混淆等問題，就需要教師組織學(xué)生進(jìn)行及時交流展評，逐一評估子功能。由于每一個子模塊都是實(shí)現(xiàn)某個子功能的，所以在評估功能時，要提供給學(xué)生模塊化思想。學(xué)生若能以模塊化的視角去審視腳本與子功能之間的關(guān)系，便能又一次加深對功能與腳本之間對應(yīng)關(guān)系的認(rèn)識，并養(yǎng)成“逐段”調(diào)試程序的習(xí)慣，也就進(jìn)一步深化了計(jì)算思維。

例如，在《小貓出題》一課中，程序的功能比較清晰，經(jīng)過適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)學(xué)生是能夠?qū)ⅰ靶∝埑鲱}”分解為“出題”“詢問”“判斷正誤”三個子功能的。如圖3腳本1所示，三段腳本是三個子功能的具體實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生對三段腳本之間的邏輯關(guān)系的理解有些混亂，圖3腳本2是一位學(xué)生的典型錯誤腳本，該學(xué)生將“詢問”的指令放到了“出題”模塊中。這時，如果教師還是一味地從程序腳本視角講解邏輯關(guān)系，則很容易讓學(xué)生的理解更不清晰。既然如此，何不讓學(xué)生展示作品、相互評估功能呢？在展示過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)每次答題輸入正確答案后程序輸出卻顯示錯誤，筆者引導(dǎo)學(xué)生以模塊化的視角去審視腳本，依次評估功能，學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)了加數(shù)2每次在用戶提交后會改變，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)腳本模塊之間的混亂問題。這時，筆者告訴學(xué)生，編程過程中出現(xiàn)問題很正常，關(guān)鍵是要學(xué)會將腳本與子功能對應(yīng)起來，依次去評估功能是否正常。這樣，學(xué)生計(jì)算思維中的“評估”能力就得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

● 課例統(tǒng)整，模塊化重構(gòu)作品

程序的模塊化不但能讓腳本便于閱讀、理解，還有利于腳本代碼的復(fù)用。這取決于學(xué)生對腳本抽象化理解的程度。學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)是一個循序漸進(jìn)的過程，在學(xué)習(xí)之初，學(xué)生能初步以模塊化視角理解程序便是打好了基礎(chǔ);隨著學(xué)習(xí)的深入，在學(xué)生掌握“定義新積木”這一技能后，筆者認(rèn)為有必要對學(xué)過的復(fù)雜腳本進(jìn)行回顧、重構(gòu)，這既有助于學(xué)生深化模塊化程序設(shè)計(jì)思想，也有助于學(xué)生今后在遇到相似問題時進(jìn)行計(jì)算思維的建模。

例如，《畫城堡》一課的重點(diǎn)是學(xué)習(xí)新建積木塊和使用積木塊的作用，難點(diǎn)是理解積木塊的作用并在程序設(shè)計(jì)中靈活使用積木塊。在圖形化編程中定義積木塊是實(shí)現(xiàn)模塊化程序設(shè)計(jì)的一種有效方法，要想用好積木塊還得先理解模塊化的程序設(shè)計(jì)思想。筆者在講授完《畫城堡》一課后，安排了一節(jié)課例統(tǒng)整的練習(xí)課，首先帶領(lǐng)學(xué)生回顧《畫多邊形》一課中的拓展練習(xí)，如圖4腳本1所示，讓學(xué)生觀察圖形中有沒有重復(fù)出現(xiàn)的基本圖形、是否可以用新建積木塊來簡化原來的腳本。經(jīng)過一番點(diǎn)撥后，大部分學(xué)生可以完成新建“畫正方形”積木塊來簡化腳本，實(shí)現(xiàn)積木塊的復(fù)用，如圖4腳本2所示。在這樣的腳本重構(gòu)中，學(xué)生能夠進(jìn)一步體會到“積木塊”在模塊化程序設(shè)計(jì)中的作用。在此基礎(chǔ)上，筆者還設(shè)計(jì)了幾組類似的“風(fēng)車型”圖案，如圖4拓展圖形所示，大部分學(xué)生遇到相似問題很快識別出了基礎(chǔ)圖形，并著手創(chuàng)建基礎(chǔ)圖形的積木塊，在原有腳本基礎(chǔ)上稍作修改便完成了圖形的繪制。可見，這類問題在學(xué)生腦海中建立了模型，學(xué)生的計(jì)算思維也得到了進(jìn)一步的深化。

● 結(jié)束語

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，編程語言、編程平臺會不斷更新，但思維層面的訓(xùn)練是一脈相承的。模塊化程序設(shè)計(jì)思想是一種分而治之的解決問題之道，這種設(shè)計(jì)思想與計(jì)算思維的內(nèi)涵能力培養(yǎng)有很密切的關(guān)聯(lián)性。而滲透模塊化程序設(shè)計(jì)思想的編程教學(xué)是從抽象到具體再到抽象的過程，具體講是從“問題的抽象認(rèn)知”到“模塊的具體分解”再到“腳本的抽象理解”的過程。因此，在小學(xué)圖形化編程教學(xué)中滲透模塊化程序設(shè)計(jì)思想，有利于計(jì)算思維的培養(yǎng)在小學(xué)階段落地，使學(xué)生的計(jì)算思維走向深度化。

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