以Scratch程序設(shè)計(jì)教學(xué)搭建學(xué)生計(jì)算思維的“金字塔”

徐薇薇

〔摘? ? 要〕? 本文以2022年版《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》中所述的信息科技課程的四個(gè)關(guān)鍵能力之一——計(jì)算思維的提升為主導(dǎo)線索，依托于小學(xué)五年級(jí)的Scratch教學(xué)內(nèi)容，總結(jié)出了小學(xué)階段在計(jì)算思維培養(yǎng)上需要重視的四個(gè)基礎(chǔ)元素（亦即培養(yǎng)目標(biāo)）：分析與抽象能力；做出邏輯判斷的能力；進(jìn)行優(yōu)化與迭代的能力；建模與應(yīng)用的能力。本文以計(jì)算思維的四個(gè)基本要素為目標(biāo)，根據(jù)多年的課堂實(shí)踐，積累總結(jié)出Scratch課堂教學(xué)中有效培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模式：分析設(shè)計(jì)抽象-編寫修正邏輯-反思迭代優(yōu)化-歸納應(yīng)用建模，通過有效的教學(xué)模式，搭建學(xué)生計(jì)算思維的“金字塔”。

〔關(guān)鍵詞〕? 信息科技；計(jì)算思維；教學(xué)模式；Scratch程序設(shè)計(jì)

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? ? （2024）? 14? ? 049-051

一、計(jì)算思維及其在信息科技課中的重要性

2022年3月，教育部對(duì)新的義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了官方公布。這也是信息科技課程首度被納入國家教育課程體系，凸顯出國家對(duì)義務(wù)教育階段信息科技課程的高度重視。新版本的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》，明確了信息科技的重要性，指出，信息科技在當(dāng)前的科技世界中是至關(guān)重要的一環(huán)，關(guān)鍵的研究內(nèi)容包括數(shù)字信息的表現(xiàn)方式以及在實(shí)際應(yīng)用中相關(guān)的科學(xué)原理、思考方式、處理流程與實(shí)際應(yīng)用情況。讓學(xué)生提高信息敏感度、計(jì)算思維、對(duì)數(shù)字學(xué)習(xí)以及創(chuàng)新的理解和在信息社會(huì)中的責(zé)任感，是信息科技課程的核心教育目標(biāo)。特別是計(jì)算思維被獨(dú)立出來作為信息科技課程的重要培養(yǎng)目標(biāo)之一。2011年ISET和CSTA聯(lián)合提出，計(jì)算思維是解決問題過程中的關(guān)鍵步驟，包括問題識(shí)別、數(shù)據(jù)分析、抽象思考、設(shè)計(jì)算法、最優(yōu)選擇以及推廣等六個(gè)關(guān)鍵方面。而在這個(gè)過程中，個(gè)人需要具備自信、堅(jiān)定、寬容以及解決開放式問題的能力，并且需具備與他人進(jìn)行良好溝通合作的能力。在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中，計(jì)算思維被定義為：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維方式，在解決問題的過程中進(jìn)行抽象、分解、建模和設(shè)計(jì)算法等思維活動(dòng)。

經(jīng)過之前的解釋和理解，我們可以輕松地看出，計(jì)算思維是信息科技教學(xué)的核心能力之一，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)影響深遠(yuǎn)。在新的課程框架和教學(xué)策略的推動(dòng)下，如何有效增強(qiáng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，將成為教師主要的研究課題，能夠培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的新教學(xué)模式和策略，會(huì)變成教師研究的關(guān)鍵。

二、在Scratch程序教學(xué)中學(xué)生計(jì)算思維的表現(xiàn)及可能性分析

Scratch是一款源自美國MIT的開源編程工具，專為8歲或更大的孩子設(shè)計(jì)。其教學(xué)材料與眾不同，通過使用Scratch進(jìn)行編程教育，學(xué)生的計(jì)算思維能力可以得到顯著提高。在使用Scratch進(jìn)行編程創(chuàng)新的過程中，學(xué)生的邏輯理解能力、數(shù)字創(chuàng)新能力以及問題解決能力也獲得了提升。與傳統(tǒng)的C、C++等編程語言不同，學(xué)習(xí)Scratch不僅僅是為了培養(yǎng)編程人才，它不需要學(xué)生以傳統(tǒng)的方式逐行輸入代碼，而是通過拖拽預(yù)設(shè)的代碼模塊，用類似于“拼積木”的方式，使編程過程變得更直觀和迅速。這種圖像化的編程方法降低了記憶枯燥命令的壓力，在舞臺(tái)區(qū)，學(xué)生可以直觀地看到他們的編程設(shè)計(jì)帶來的效果，從而在學(xué)習(xí)過程中深入地體驗(yàn)到編程的樂趣。在教材體系中，Scratch屬于五年級(jí)的重要教學(xué)內(nèi)容。五年級(jí)學(xué)生已經(jīng)初步具備抽象思維能力，數(shù)學(xué)計(jì)算能力也有一定的積累，對(duì)于事物的分析和邏輯思維都具有了自己的獨(dú)立思考，同時(shí)計(jì)算機(jī)操作和信息意識(shí)已經(jīng)有3～4年級(jí)兩年的鋪墊，完全具有信息化編程能力。綜上所述，無論從學(xué)情上還是教學(xué)內(nèi)容上，教師完全能夠在課堂上運(yùn)用合適的教學(xué)方法和教學(xué)策略，通過Scratch圖形化編程，對(duì)學(xué)生實(shí)施計(jì)算思維的培養(yǎng)。

三、Scratch程序教學(xué)中學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)

按照《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的要求，學(xué)生應(yīng)掌握計(jì)算思維，能進(jìn)行問題的抽象、解析、構(gòu)建模型，且能通過構(gòu)造算法制定解決問題的策略；有能力模擬、模仿、證實(shí)解決問題的流程，對(duì)解決方案進(jìn)行反思、提高，同時(shí)有靈活運(yùn)用這些策略解決其他問題的能力。同一標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，處于第三學(xué)段（即5～6年級(jí)）的學(xué)生在練習(xí)計(jì)算思維的表現(xiàn)上有以下幾點(diǎn)：通過在日常生活中接觸算法，理解算法的特性及其效用，能用自然語言、流程圖等方式表現(xiàn)算法；在特定活動(dòng)環(huán)境中，能對(duì)簡易問題進(jìn)行抽象、解剖、構(gòu)造模型，并構(gòu)建簡潔的解決方案；檢驗(yàn)問題解決方案的效率，能對(duì)解決流程及方法進(jìn)行反思和升華。

根據(jù)Scratch的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和研究，以及小學(xué)生的年齡特性和發(fā)展規(guī)律，筆者總結(jié)了小學(xué)階段計(jì)算思維的四個(gè)基礎(chǔ)元素（也就是我們要培養(yǎng)的目標(biāo)）：1.分析抽象能力，即針對(duì)各種問題進(jìn)行深入思考、分析，并抽象出適當(dāng)?shù)乃惴ǎ?.邏輯判斷能力，即理解問題引發(fā)的各種關(guān)聯(lián)性和可能性，并進(jìn)行決策執(zhí)行；3.優(yōu)化迭代能力，即對(duì)問題的解決策略進(jìn)行進(jìn)一步完善，并對(duì)自己的代碼進(jìn)行迭代提升；4.建模應(yīng)用能力，即采用計(jì)算機(jī)科學(xué)的方式對(duì)問題解決的方法和思維過程進(jìn)行總結(jié)，創(chuàng)建模型，并對(duì)類似的問題進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用。

四、Scratch程序教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)模式

通過在教學(xué)中不斷實(shí)踐、反思和總結(jié)，筆者以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維四個(gè)基本要素為目標(biāo)，以Scratch教學(xué)為內(nèi)容，總結(jié)出“分析設(shè)計(jì)-編寫修正-反思迭代-歸納應(yīng)用”教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。四個(gè)教學(xué)過程與四個(gè)教學(xué)目標(biāo)既有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，每個(gè)過程和目標(biāo)又存在螺旋上升的聯(lián)系。具體闡述如下。

（一）通過分析主題、設(shè)計(jì)算法，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的抽象能力

在Scratch教程的每一部分，學(xué)生需先對(duì)主題加以理解并對(duì)預(yù)期的成果進(jìn)行詳細(xì)分解，規(guī)劃出需要解決的各個(gè)子任務(wù)，之后再根據(jù)每一項(xiàng)任務(wù)和要求尋找解題的策略和途徑。比如在第5課《畫正多邊形》中，先出示復(fù)雜圖形，讓學(xué)生分析該圖形是由4個(gè)正三角形每次旋轉(zhuǎn)同樣的角度組成的，每個(gè)正三角形又是由3條直線每次旋轉(zhuǎn)同樣的角度組成的，然后再引出“畫筆”功能及該模塊的相應(yīng)控件。由此，我們將大任務(wù)分解為小任務(wù)，將具象的畫線變?yōu)槌橄蟮某绦虮磉_(dá)。

在每課的開始階段，教師要引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)從直觀思考到抽象思考的過渡及平衡。把培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維的重點(diǎn)融入解決問題的步驟中，使學(xué)生在探討不同算法的具體應(yīng)用時(shí)形成辯證思維，避免空洞無物的抽象概念教學(xué)。比如對(duì)猜數(shù)游戲和投票選舉這些學(xué)生熟悉的示例，在討論時(shí)引入算法，以此輔助學(xué)生自然地構(gòu)建知識(shí)體系。

（二）通過編寫程序、修正梳理，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維邏輯能力

通過解讀每個(gè)角色的形象、對(duì)話、狀態(tài)，學(xué)生能夠依據(jù)需求選取合適的命令和參數(shù)，并對(duì)其執(zhí)行順序進(jìn)行剖析和構(gòu)建。這是一種從表面到內(nèi)在、從簡單到復(fù)雜，逐漸深入理解問題和事物的方式，也是提升學(xué)生在計(jì)算思維中的算法及邏輯能力的一種方法。

繼續(xù)以《畫正多邊形》一課為例，學(xué)生在通過第一個(gè)環(huán)節(jié)具象到抽象的過程后，可以自主探究編寫出一個(gè)正三角形的程序。教師在展示分析學(xué)生程序的過程中，要注意將學(xué)生的程序進(jìn)行修正梳理及指導(dǎo)點(diǎn)撥。在學(xué)生用腳本畫出三角形后，指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)的角度是外角且正多邊形的外角和是360度，在此邏輯上，學(xué)生可以清楚地畫出任意一正多邊形。在這個(gè)過程中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生應(yīng)明確把握各個(gè)角色之間的聯(lián)系，同時(shí)理解每個(gè)角色腳本的算法和邏輯過程。這樣的訓(xùn)練可極大地助力提升學(xué)生在邏輯思維和算法使用方面的能力，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)生在計(jì)算思維領(lǐng)域內(nèi)的邏輯技能的進(jìn)步。

在一些更為復(fù)雜的多角色案例中，學(xué)生需要解析每一角色的登場次序、互動(dòng)關(guān)系等邏輯思維。一旦學(xué)生構(gòu)建出明確的解決方案，他們就會(huì)精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)每一角色具體的劇本，并據(jù)此找出有效的指令，調(diào)整指令的各類參數(shù)和出現(xiàn)順序，持續(xù)調(diào)試并最后完成每一角色的設(shè)計(jì)程序，獲得所需效果。學(xué)生在編程時(shí)必須清楚各個(gè)角色的相互關(guān)系，除了自己進(jìn)行編程實(shí)踐，也可以通過體驗(yàn)程序，從多方面熟悉程序，閱讀理解、修改運(yùn)行程序，培養(yǎng)計(jì)算思維的邏輯能力。對(duì)比較復(fù)雜的算法，教師也可以在和學(xué)生一起討論算法思想的基礎(chǔ)上，展示程序代碼，讓學(xué)生設(shè)置和調(diào)整參數(shù)、觀察討論，最后執(zhí)行驗(yàn)證。

（三）通過反思判斷、迭代算法，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的優(yōu)化能力

教師成功地激活了各個(gè)小組的潛能，構(gòu)造了一個(gè)班級(jí)學(xué)習(xí)集體，并通過小組間的相互研究和分享，使學(xué)生能夠?qū)Ω鞣N算法和腳本有所對(duì)比和分析判斷。他們可以從指令數(shù)、執(zhí)行效率和效果表現(xiàn)等方面進(jìn)行比較，然后對(duì)自己的腳本進(jìn)行修改和迭代，讓它們達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。這就是計(jì)算思維中對(duì)優(yōu)化能力的訓(xùn)練。

在《繪制多邊形》這個(gè)教學(xué)案例中，畫三條邊的程序是重復(fù)的，我們可以將其轉(zhuǎn)化為可循環(huán)執(zhí)行的腳本。整個(gè)程序的流程會(huì)由順序結(jié)構(gòu)變?yōu)檠h(huán)結(jié)構(gòu)。三個(gè)三角形也是重復(fù)的腳本，可以將程序進(jìn)一步重復(fù)嵌套。我們通過對(duì)腳本的改進(jìn)以及迭代方法的應(yīng)用，令程序更精簡、清晰，且易于維護(hù)和改動(dòng)。在這一過程中，學(xué)生對(duì)計(jì)算思維中的優(yōu)化和迭代特性有了更深入和實(shí)質(zhì)的理解。

（四）通過歸納整理、模式應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的建模能力

在教學(xué)活動(dòng)中，教師著重于指導(dǎo)學(xué)生從編程過程中學(xué)習(xí)并總結(jié)出一些獨(dú)特的學(xué)習(xí)策略和思考模式。這包括通過從解決單一問題課題到創(chuàng)設(shè)一整類問題和情境的方法論，讓學(xué)生對(duì)這種相似問題具有自我應(yīng)對(duì)策略。這即是計(jì)算思維模型能力的培育。

例如，《畫正多邊形》課后的“探究屋”第二題，就是學(xué)生在課堂基本任務(wù)建模后的應(yīng)用。如果學(xué)生已經(jīng)理解了4個(gè)三角形的程序模型，就完全可以通過修改相應(yīng)參數(shù)完成5個(gè)正方形的程序搭建。

在掌握了基礎(chǔ)理論和基本觀點(diǎn)之后，學(xué)生注重關(guān)注日常生活中的相應(yīng)主題，通過啟發(fā)式教學(xué)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并探索現(xiàn)象背后的原理，試圖運(yùn)用已學(xué)的手段解決相關(guān)問題。這反映了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的梳理、融合應(yīng)用以及進(jìn)一步創(chuàng)新的能力，而這一過程也是提升學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行建模以及知識(shí)遷移能力的教育方法。

從整體來看，在實(shí)施“分析—設(shè)計(jì)—抽象，編程—修正—迭代，反省—優(yōu)化—應(yīng)用，并最后形成模型”這個(gè)教學(xué)方法的過程中，每一環(huán)節(jié)都充分蘊(yùn)涵了計(jì)算思維的一項(xiàng)或多項(xiàng)特征，學(xué)生就像在構(gòu)建一個(gè)“金字塔”，層層遞進(jìn)，不斷上升。這種教育方式不僅讓學(xué)生的編程水平和信息技術(shù)素養(yǎng)得到了明顯提升，更是極其有效且高效地提升了他們的計(jì)算思維能力。在實(shí)施這一教學(xué)方法的一年中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的計(jì)算思維能力明顯增強(qiáng)，同時(shí)，他們的創(chuàng)新思維、邏輯推理、軟件優(yōu)化和模型應(yīng)用能力也得到了顯著提高。

【本文系南京市江寧區(qū)“十四五”規(guī)劃課題“信息技術(shù)教學(xué)中基于問題解決的計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐研究”的階段性成果，編號(hào)：?JN2021/305】

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