计算思维在Scratch程序设计教学中的实践

龙源期刊网程序设计教学中的实践作者：黄红伟来源：《中国信息技术教育》2019年第19期龙源期刊网龙源期刊网摘要：本文首先对计算思维相关概念进行介绍，在此基础上总结出使用计算思维进行教学的方法和注意事项;然后以Scratch小车巡线为例，对使用计算思维进行具体教学进行了展示和分析，并在此过程中进一步阐释了计算思维的核心思想;最后对计算思维在教学中的使用进行了总结。关键词：计算思维;Scratch;编程教学;小车巡线中图分类号：G434;文献标识码：A;论文编号：1674-2117（2019）19-0037-04●引言计算思维在当前教育领域备受关注，除了信息技术教师，国内外众多专家、教授也正在开展相关研究。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中明确指出，信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个核心要素组成。[1]计算思维逐步走进中学信息技术教师的视野。在国外中小学信息技术教育中计算思维也备受关注。美国计算机学科教师协会（ComputerScienceTeacherAssociation）2011年推出了新版本“K-12计算机课程标准”，计算思维是其重要内容之一。2013年英国公布新的中小学国家课程——计算（Computing），取代原来的ICT（InformationandCommunicationTechnology），计算思维也是其重要内容。计算思维在国内外都引起高度重视。因此，在中小学如何有效地培养学生的计算思维值得探讨。龙源期刊网●计算思维的概念及理解2006年，美国卡内基梅隆大学周以真（JeannetteM.Wing）教授在美国计算机权威刊物ComimmicationsoftheACM上提出计算思维（ComputationalThinking）的概念。周教授从计算机实际教学出发对计算思维进行了阐释。周教授认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。[2]可以看到，计算思维的思想来源于计算机科学，整个逻辑体系有明显的算法思维。2013年，英国南安普敦大学的CynthiaSelby博士和JohnWoollard博士提出计算思维包括算法思维（AlgorithmicThinking）、评估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalisation）这五个方面的要素。[3]算法思维是采用编程解决问题的方式，首先对问题进行抽象，建立模型，然后将大的问题分解、细化，最后通过编程解决问题。计算思维源于计算机学科，其内涵在算法思维基础上进行了扩展和升华。计算思维的核心是通过流程控制，让受众找到解决问题的方法，再按照明确步骤一步步解决。该思想不仅仅适用于计算机相关学科，同样适用于其他所有学科及我们的日常生活。●基于计算思维的Scratch教学Scratch是麻省理工学院的终身幼稚园团队（LifelongKindergartenGroup）开发的图形化编程工具，主要面对青少年开放。在Scratch编程作品中最常用的计算概念有七个：顺序、循环、并行、事件、条件、运算符和数据。[4]相对于代码形式编程，Scratch具有如下优势：①将代码封装为可以拖动的“积木块”，更易上手。②通过不同积木块可以实现简单的图片、音频以及动画效果，趣味性强。③图形化代替代码编程，避免了语法错误，节省了语法调试时间。Scratch编程因其趣味性及易用性而迅速在国内外中小学普及。国内很多中小学都开设了Scratch编程课程，但同时也暴露出许多问题，如：①各阶段（小学、初中以及高中）教学重点不突出，没有层次感;②Scratch软件内容讲解远胜于程序思维培养;③以结果为导向，重结果，轻过程，即教师在安排教学任务时太注重学生对知识点的掌握和作业完成情况，而忽略了问题分析、思维引导，从而导致思维培养的缺失。编程课程原本是最好开展计算思维培养教学的课程，却由于上述原因导致对学生计算思维能力培养的弱化。因此，笔者在前文中一直称其为“Scratch编程教学”，而实际上应为“Scratch程序设计教学”。前者的重点是“编程”，重在体验与实践，后者的落脚点则是“设计”，注重学生思维的培养、能力的形成。Scratch教学应该以学生计算思维培养为核心，注重培养学生分析问题、解决问题的能力，而不是软件操作、技能学习。所以，教师在教学设计时应该分配更多时间在问题引导、问题分析上，弱化具体知识与技能。当然，也可以利用自学手册或者自主学习平台让学生完成知识与技能的学习。●计算思维在Scratch教学中的实践龙源期刊网教学中，教师应根据具体教学内容，在把握整体的前提下合理分配教学任务，考虑计算思维的各方面要素，或利用其中一种或几种思维方式来设计课堂教学活动。下面，笔者通过“巡线小车”的教学案例来分析如何在Scratch教学中实现对学生计算思维能力的培养。1.巡线小车任务要完成小车巡线，首先需要完成小车的绘制和巡线轨迹的绘制，教师先准备好如图1所示的簡易小车模型并绘制巡线轨迹，如图2所示。然后将小车角色大小设为定值，起始坐标统一。每位学生都需要设计程序完成小车从起点通过巡线到达终点的任务，并且在巡线过程中不能出现飞线的情况（飞线：小车头部两个圆出现在黑线的同一侧）。为了增加课堂的趣味性，同时发挥学生的竞争意识，这里加入背景音乐和计时器功能，每位学生都可以看到自己小车巡线完成需要的时间。初始化代码如上页图3、图4所示。在教学安排上，教师应该提前将课堂任务所需的素材准备好，这样可以有效节省课堂时间，为计算思维培养留出足够时间。2.导学案的设计导学案的特点是“先教后学”“少教多学”，以学生的自主性、探究性为主。该方式可以将传统的“教”变为“导”，有利于培养学生的自学能力。因而，导学案的设计应立足于讲授的知识。本节课在知识技能上需要学生掌握侦测类型积木块中的颜色侦测，进一步理解重复执行和条件判断，所以教师可以将知识放到导学案中，在课前留给学生部分时间自学即可。3.情境导入情境导入的目的是联系课堂内容激发学生学习兴趣。笔者这里以无人车作为导入，引出本堂课的教学内容——小车巡线。4.问题分析直接实现小车自动巡线有点困难，因此要首先抛出问题引导学生思考：“很多同学都玩过遥控车，用遥控器如何控制遥控车绕着轨道跑动？在直道的时候如何操作遥控器？弯道呢？”“直道直接前进，弯道转弯。”大部分学生都能回答上来。接着，教师拿出简单模型（可以用纸盒或木块制作，也可以就地取材将黑板擦作为小车）在黑板上绘制的轨道上模拟，询问学生何时应该直行，何时应该左转，何时应该右转。通过该问题，引导学生联系生活实际，找到问题的答案，并归纳解决。在该过程中应用到了计算思维中的概括、抽象和分解。逻辑框图如图5所示。龙源期刊网接下来进一步引导学生思考：“以上过程是我们模拟小车运动时判断的情况。人眼能识别直道和弯道以及弯道向左还是向右，那Scratch中的小车如何判断这些情况？”让学生观察小车前端有两个颜色不同的圆，最开始将小车完全放在黑线上，提问学生此时黄色圆在黑线哪一侧，右侧绿色的圆在哪一侧，引导学生观察，启发学生思考。然后向右移动Scratch舞台上的小车，使小车右侧绿色圆移动到黑线上，接着移过黑线（如图6、图7）。在这个范围内反复移动小车，让学生思考右转的临界条件，得出当绿色圆碰到黑线时应该右转，同理可以得出左转的条件。经过该过程，在教师的引导下，学生思考得出小车巡线的原理——经过颜色判断确定何时直行、何时左转以及何时右转。通过教师引导，将小车巡线问题抽象为颜色判断问题，再将颜色判断进行分解，即侦测到不同颜色执行不同操作（左转或右转）。该过程的逻辑框图如图8所示。学生通过对遥控小车到巡线小车的分析，将现实问题进行概括、抽象，进而逐步分解，直到问题被拆分为能直接解决的“块”。可以看到，无论是生活中的遥控小车控制，还是Scratch中的小车巡线，都需要用到计算思维。只不过很多时候我们在使用时，往往凭借“直觉”进行判断。根据类似的问题，总结分析出当下问题的解决方式，其实这就是一种“直觉”，就是计算思维的思想。但是由于没有刻意训练，这种“直觉”的养成需要有大量的事件（经验）积累，并且往往还需要学生具备一定的灵感，所以在教学中刻意培养学生的这种“直觉”是非常重要的。5.流程设计根据前面的分析，学生已经理解了小车巡线的方法。在该过程中学生的计算思维得到了有效的培养，但此时学生的认知是碎片化的，他们虽然知道何时直行、何时左转及何时右转，却往往没有全局观，整个流程设计没有进行思考，所以在此基础上需要学生进行梳理。该过程可以通过流程图或者文字描述的方式实现，具体方式应该结合课程知识进行要求。6.动手实践根据流程设计，让学生完成程序编写。这一步主要是知识与技能的实践，让学生完成课堂任务。●运用计算思维开展Scratch教学的思考由于Scratch具有简洁性、易用性及趣味性的特点，其在中小学信息技术课程中被越来越广泛地使用。但是教材标准的不统一也导致一些问题的出现，如教学目标不清晰、教学重点不突出、教学内容层次感不强等。笔者认为，Scratch软件本身已经弱化了编程语法知识，降低了入门难度，增强了趣味性，因此，在教学过程中教师应重点培养学生的计算思维能力，在设计教学的过程时，应从计算思维的三维目标及五要素的角度进行设计。[5]当然，也不能生搬硬套，在设计过程中应该结合课程内容，因地制宜，灵活使用。●结语龙源期刊网是图形化编程非常好的工具，我们要充分利用其简单、有趣的特点，合理设计教学内容，重视学生思维的培养，同时要深入挖掘计算思維的核心内涵，在知识与技能传授的基础上进一步培养学生思考问题、解决问题的能力，有效地锻炼学生的建模、抽象、分析等计算思维[6]，让学生在信息化时代能够实现个性化发展，以更好地适应未来社会的需要。参考文献：[1]王荣良.信息技术课程中算法学习的价值探索[J].中国电化教育，2008（08）：79-81.[2]JeannetteM.Wing.Computationalthinking[J].CommunicationsoftheACM，2006，49（03）.[3]SelbyC，WoollardJ.Computationalthinking：thedevelopingdefinition[J].SpecialInterestGrouponComputerScienceEducation，2014.[4]BrennanK.&ResnickM.NewFrameworksforStudyingandAssessingtheDevelopmentofComputationalThinking[EB/OL].http//web.media.mit.edu/kbrennan/files/Brennan_Resnick_AERA2012_CT.pdf.[5]钟柏昌，李艺.计算思维的概念演进与信息技术课程的价值追求[J].课程·教材·教法，2015（07）：87-93.[6]HendersonPB.CortinaTJ.WingJMComputationalThinking[C].NewYork：ACMPress，2007.