立足三大環(huán)節(jié)，培育計(jì)算思維

黃麗娟

摘 要：培育學(xué)生的計(jì)算思維，需要不斷向理論求索、向?qū)嵺`深潛、向課堂扎根。在新課標(biāo)指引之下，要致力于把程序結(jié)果的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蜻^(guò)程的教學(xué)，以過(guò)程的夯實(shí)帶動(dòng)結(jié)果的評(píng)估應(yīng)用。蘇科版小學(xué)信息技術(shù)五年級(jí)Scratch模塊《克隆飛機(jī)大戰(zhàn)》一課，立足問(wèn)題界定、抽象建模、調(diào)試完善三大環(huán)節(jié)，以問(wèn)題解決為載體，帶領(lǐng)學(xué)生在提高解決問(wèn)題能力的同時(shí)，培育計(jì)算思維。

關(guān)鍵詞：小學(xué)信息科技；計(jì)算思維；Scratch；《克隆飛機(jī)大戰(zhàn)》

計(jì)算思維作為信息科技課程核心素養(yǎng)之一，是指“個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，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)”^［1］。培育學(xué)生的計(jì)算思維，需要不斷向理論求索、向?qū)嵺`深潛、向課堂扎根。筆者認(rèn)為，在新課標(biāo)指引下，要致力于把程序結(jié)果的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蜻^(guò)程的教學(xué)，以過(guò)程的夯實(shí)帶動(dòng)結(jié)果的評(píng)估應(yīng)用，培育學(xué)生的計(jì)算思維。在編程教學(xué)中，教師可以立足問(wèn)題界定、抽象建模、調(diào)試完善三大環(huán)節(jié)，以問(wèn)題解決為載體，帶領(lǐng)學(xué)生在提高解決問(wèn)題能力的同時(shí)，培育計(jì)算思維。本文以蘇科版小學(xué)信息技術(shù)五年級(jí)Scratch模塊《克隆飛機(jī)大戰(zhàn)》一課為例，來(lái)具體說(shuō)明。

一、問(wèn)題界定：用自然語(yǔ)言描述真實(shí)情境下的項(xiàng)目需求

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)，以真實(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷思維過(guò)程，建構(gòu)知識(shí)，提升問(wèn)題解決能力。^［2］一個(gè)好的項(xiàng)目問(wèn)題，往往源于對(duì)現(xiàn)實(shí)情境中項(xiàng)目需求的深入挖掘。因此，在確立問(wèn)題時(shí)需要交代清楚需設(shè)計(jì)什么樣的問(wèn)題，根植于這樣的情境土壤，再明確項(xiàng)目的具體需求。

（一）融通生活，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境

一般來(lái)說(shuō)，教材情境是教學(xué)內(nèi)容的重要依托。一方面，我們可以基于教材，深入理解教材的“本意”和“原汁原味”，用教材教；另一方面，我們還可以融通生活，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，使教學(xué)內(nèi)容更具真實(shí)感、意義感。

《克隆飛機(jī)大戰(zhàn)》一課，教材中的情境是下落的飛機(jī)與火炮之間的大戰(zhàn)（見(jiàn)圖1），情境設(shè)置比較簡(jiǎn)單。在實(shí)際授課時(shí)，教師以新冠肺炎疫情為切入點(diǎn)，將教材上的飛機(jī)角色替換成駕駛飛機(jī)的病毒，將火炮角色替換成疫苗，從原來(lái)的“飛機(jī)火炮大戰(zhàn)”變?yōu)椤耙呙绮《敬髴?zhàn)”。教師出示圖2，激趣設(shè)疑：“新冠肺炎疫情停課期間，楊同學(xué)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了這款抗疫小游戲，你們想不想用Scratch軟件把它制作出來(lái)呢？”

通過(guò)真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，展示疫苗與病毒之間的頑強(qiáng)斗爭(zhēng)，表達(dá)“抗疫有我，眾志成城”的堅(jiān)決，賦予課題以現(xiàn)實(shí)意義。

（二）逐級(jí)分解，描述項(xiàng)目需求

在提出問(wèn)題情境之后，教師帶領(lǐng)學(xué)生將其逐層分解為一個(gè)個(gè)小問(wèn)題，直至分解到最小的問(wèn)題單元。學(xué)生采用自然語(yǔ)言或流程圖的方式描述需求，再依據(jù)解題邏輯，自下而上逐層遞歸來(lái)解決問(wèn)題。

本課中，教師帶領(lǐng)學(xué)生從“疫苗病毒大戰(zhàn)”的問(wèn)題情境出發(fā)，按照角色分解任務(wù)和需求。學(xué)生用自然語(yǔ)言分別描述出各角色的行為狀態(tài)、角色與角色之間的互動(dòng)關(guān)系等，得到下頁(yè)表1。

學(xué)生用自然語(yǔ)言描述的過(guò)程，也是思維逐步清晰的過(guò)程，為接下來(lái)程序語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化打好了基礎(chǔ)。

二、抽象建模：用程序語(yǔ)言建構(gòu)問(wèn)題解決中的算法過(guò)程

Scratch教學(xué)中的抽象是引導(dǎo)學(xué)生將真實(shí)復(fù)雜問(wèn)題與場(chǎng)景抽象、簡(jiǎn)化，提取出相應(yīng)的角色與舞臺(tái)，并進(jìn)行歸納、整理，分析它們各自的表現(xiàn)行為，用自然語(yǔ)言進(jìn)行描述。這在上述環(huán)節(jié)中其實(shí)已有提及。接下來(lái)，就要通過(guò)控件轉(zhuǎn)化，將學(xué)生的自然語(yǔ)言描述變?yōu)槌绦蛘Z(yǔ)言——這就是建模。抽象建模思想是計(jì)算思維的重要本質(zhì)內(nèi)涵。

（一）理解“控件”，奠定抽象之基

要讓程序教學(xué)成為“有米之炊”的活動(dòng)，則必須要以適當(dāng)?shù)闹R(shí)積累為基礎(chǔ)，這樣學(xué)生才有進(jìn)一步探究的依據(jù)和資源?！翱丶弊鳛橐豁?xiàng)知識(shí)，是程序腳本組成的最小單位，是學(xué)生解決問(wèn)題、發(fā)展計(jì)算思維的基礎(chǔ)材料，類似于寫作中的字和詞。

其實(shí)，不僅僅局限于本課，在Scratch教學(xué)初期，我們都采用“讀一讀”“譯一譯”“歸歸類”“搭一搭”等活動(dòng)，讓學(xué)生熟悉10個(gè)模塊中的具體控件，并形成整體的初步印象，使之成為學(xué)生日后進(jìn)行抽象建模隨時(shí)調(diào)用的材料。當(dāng)這些零碎的材料通過(guò)有機(jī)組合，嵌入有意義的情境中，用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，它的價(jià)值就實(shí)現(xiàn)了。

（二）轉(zhuǎn)化語(yǔ)言，明晰提取之源

抽象和建模是程序設(shè)計(jì)的核心步驟，關(guān)鍵在于將問(wèn)題分解時(shí)的自然語(yǔ)言描述轉(zhuǎn)化為程序語(yǔ)言。實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，巧妙運(yùn)用“關(guān)鍵詞—關(guān)鍵控件”的方法，找到自然語(yǔ)言中的“關(guān)鍵詞”，隨后調(diào)用先前積累的“控件庫(kù)”，提取相應(yīng)的“關(guān)鍵控件”，從而獲取搭建程序的基礎(chǔ)材料。

本課中，學(xué)生找到了“很多個(gè)病毒”“碰到地面”“消失”“變成炸毀造型”等關(guān)鍵詞，通過(guò)與“控件庫(kù)”的鏈接，提取“克隆”“當(dāng)克隆體啟動(dòng)時(shí)”“碰到邊緣”“刪除本克隆體”“切換到造型”等關(guān)鍵控件，完成了從自然語(yǔ)言到程序語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化。當(dāng)然，能否順利提取“關(guān)鍵控件”，還取決于學(xué)生對(duì)控件的熟悉程度以及與自然語(yǔ)言的勾連程度。

（三）搭建腳本，串聯(lián)建模之線

教學(xué)至此，由自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化后的“關(guān)鍵控件”，依然是零散的、孤立的，是各個(gè)互為意義的控件的簡(jiǎn)單堆疊。因此，需要有一根明確的主線，串聯(lián)起這些“關(guān)鍵控件”，使之能結(jié)構(gòu)化地指向問(wèn)題解決，賦予其整體性和意義性。

一段完善的程序需要“關(guān)鍵控件”與“輔助控件”的組合?！瓣P(guān)鍵控件”由前期自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化而來(lái)，“輔助控件”則由后期調(diào)試得來(lái)，是對(duì)前期自然語(yǔ)言不完善之處的補(bǔ)充、修正與完善。本課中，圖3中的“等待”“重復(fù)執(zhí)行”等控件就起到“輔助控件”的作用。讓學(xué)生參與到程序設(shè)計(jì)的建構(gòu)中去，掌握單個(gè)控件與整體程序腳本之間的普遍聯(lián)系，可以有效促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。

三、調(diào)試完善：用“三化”策略迭代提升算法解決的實(shí)現(xiàn)效率

具備計(jì)算思維的學(xué)生，能嘗試模擬、仿真、驗(yàn)證解決問(wèn)題的過(guò)程，反思、優(yōu)化解決問(wèn)題的方案。^［3］因此，一段程序初步編寫完成之后，還需要回溯，再調(diào)試、再加工、再打磨與再優(yōu)化，是從“細(xì)化”到“簡(jiǎn)化”“優(yōu)化”，最后到“模塊化”的逐階遞進(jìn)，不斷地追求程序設(shè)計(jì)的最優(yōu)化和程序運(yùn)行的輕量化。在此過(guò)程中，循序漸進(jìn)地培育學(xué)生的計(jì)算思維。

（一）內(nèi)容細(xì)化，環(huán)環(huán)相扣

內(nèi)容細(xì)化既著眼于腳本搭建的細(xì)微之處，同時(shí)又觀照前后整體，包括每個(gè)角色之間的運(yùn)行方式、相互關(guān)聯(lián)等，更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)思維。以本課中的“病毒”角色為例，不僅要考慮其“克隆”后“克隆體”往下落的過(guò)程，還需要考慮其初始化時(shí)的位置，不能出現(xiàn)在“邊緣”等角色自身的細(xì)節(jié)性問(wèn)題，碰到“疫苗”角色后要切換“炸毀”造型并消失的角色間關(guān)聯(lián)性問(wèn)題。整個(gè)過(guò)程環(huán)環(huán)相扣，哪怕最微小的差錯(cuò)也不能被忽略，因?yàn)樽钗⑿〉牟铄e(cuò)也有可能出現(xiàn)結(jié)果的“謬以千里”。

（二）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，清晰精練

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化主要是針對(duì)程序流程上煩瑣、冗長(zhǎng)、臃腫的問(wèn)題而提出的。例如，在對(duì)“很多個(gè)病毒從空中往下掉”這段自然語(yǔ)言進(jìn)行程序語(yǔ)言轉(zhuǎn)換時(shí)，大多數(shù)學(xué)生借助原有經(jīng)驗(yàn)，很容易想到用“復(fù)制”來(lái)解決，這是一種方法。但這種方法就意味著，有多少個(gè)病毒掉下，就要復(fù)制多少個(gè)病毒角色，且后續(xù)如果腳本需要微調(diào)，這些復(fù)制品也一并都要修改，這無(wú)形中增加了大量重復(fù)操作的時(shí)間。而利用“克隆”控件對(duì)程序進(jìn)行簡(jiǎn)化，就巧妙地避開(kāi)了這些問(wèn)題。

（三）控件優(yōu)化，輕量適切

控件優(yōu)化更傾向于追求控件運(yùn)用的適切性。尤其是在兩類具有相似作用的控件使用上，要依據(jù)程序輕量化、適切性等原則，進(jìn)行合理選用。例如，“隱藏”與“刪除本克隆體”控件的選用，本課中，學(xué)生知道了用“隱藏”控件雖然能讓飛機(jī)消失，但它一直還在程序后臺(tái)運(yùn)行著，占用著電腦的內(nèi)存，當(dāng)飛機(jī)越來(lái)越多的時(shí)候，很可能出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象；而“刪除本克隆體”就能讓程序?qū)崿F(xiàn)輕量化?？丶?yōu)化依賴于遷移，而遷移的實(shí)現(xiàn)有賴于遷移源和遷移目標(biāo)所共同具備的因素，而思維，恰恰“是一種自覺(jué)地理解共同因素的過(guò)程”。學(xué)生在遷移、辨析等活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)了思維的活化與深化，有效發(fā)展了計(jì)算思維。

參考文獻(xiàn)：

［1］［2］［3］ 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：5，3，5.