基于計(jì)算思維培養(yǎng)的 Scratch編程教學(xué)的實(shí)踐與研究

【摘要】計(jì)算思維是當(dāng)前全球教育領(lǐng)域備受關(guān)注的話題，在一些歐美國家被譽(yù)為現(xiàn)代社會(huì)人才所必須具備的能力之一，從而引發(fā)眾多學(xué)者對(duì)計(jì)算思維教育的研究。Scratch采用可視化、模塊化的編程方式，只需要將預(yù)先設(shè)定好的積木組合到一起，就可以構(gòu)成程序代碼，完成特定的任務(wù)，使編程如同搭積木一樣簡單且有趣。本文以“勇闖迷宮”為例，從創(chuàng)設(shè)情境、有效抽象、合理分解、設(shè)計(jì)算法和編寫程序五個(gè)方面，探討如何在Scratch編程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維?！娟P(guān)鍵詞】計(jì)算思維;Scratch編程教學(xué);思維導(dǎo)圖計(jì)算思維作為信息時(shí)代學(xué)生認(rèn)識(shí)世界、改造世界的方法論工具，也是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要成分。計(jì)算思維以解決問題為目的，問題抽象是解決它的前提，達(dá)到自動(dòng)化則是目的。計(jì)算思維的培養(yǎng)有著舉足輕重的作用。Scratch編程軟件是一種培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的熱門工具，初中信息技術(shù)學(xué)科選擇Scratch進(jìn)行編程教學(xué)，讓學(xué)生通過簡便的積木式指令模塊的操作，學(xué)習(xí)程序組建，學(xué)會(huì)分析問題、解決問題的思維方法，進(jìn)而發(fā)展計(jì)算思維能力，這對(duì)于信息科技核心素養(yǎng)的培育很有必要。2018年1月，教育部印發(fā)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》，首次將計(jì)算思維納入了信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)。該課程標(biāo)準(zhǔn)指出，計(jì)算思維是指個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。在基于計(jì)算思維培養(yǎng)的Scratch編程教學(xué)的實(shí)踐與研究中，筆者以“勇闖迷宮”游戲創(chuàng)編為明線，以計(jì)算思維形成的過程為暗線，明暗交織、環(huán)環(huán)相扣，讓學(xué)生在游戲創(chuàng)編中不斷感受人機(jī)交互的樂趣，提升計(jì)算思維能力，提高信息意識(shí)。創(chuàng)設(shè)情境，引出游戲問題創(chuàng)設(shè)情境，以游戲體驗(yàn)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)編程思維，引出如何設(shè)計(jì)“勇闖迷宮”程序的問題?！坝玛J迷宮”游戲的劇情是由學(xué)生設(shè)計(jì)的，劇情內(nèi)容是勇士穿越迷宮，獲得能量石，拯救仙女。學(xué)生通過游戲體驗(yàn)，能夠簡單地描述游戲的規(guī)則：使用方向鍵控制勇士的上下左右四個(gè)方向的移動(dòng);當(dāng)勇士碰到能量石時(shí)，提示信息：“獲得能量石！”游戲結(jié)束。有效抽象，設(shè)計(jì)迷宮地圖所謂有效抽象，是指依據(jù)計(jì)算模型，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中涉及的問題通過忽略一些次要的內(nèi)容進(jìn)行抽象和形式化表達(dá)，為編寫程序提供依據(jù)。有效抽象是解決問題的關(guān)鍵步驟，學(xué)會(huì)有效抽象，可以更容易地找到解決問題的切入點(diǎn)。教師組織“勇闖迷宮”游戲的需求分析，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合游戲規(guī)則，有效抽象問題，設(shè)計(jì)個(gè)性化游戲迷宮圖。學(xué)生親手設(shè)計(jì)迷宮，畫出迷宮中形形色色的通道，設(shè)置勇士和能量石角色的初始位置，為后續(xù)進(jìn)一步解決問題奠定了基礎(chǔ)。合理分解，構(gòu)建思維導(dǎo)圖所謂合理分解，是指將一個(gè)大的問題分解成若干個(gè)簡單部分或模塊，使復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)可解決的小問題，助力學(xué)生更好地分析、解決問題。在Scratch編程教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“勇闖迷宮”游戲這個(gè)大問題進(jìn)行分解，探討游戲的背景、角色以及角色的主要?jiǎng)幼?，?gòu)建思維導(dǎo)圖。通過問題的合理分解，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“勇闖迷宮”游戲?qū)崿F(xiàn)有兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是勇士上下左右行走的控制問題，二是勇士碰到迷宮墻壁的退回問題。設(shè)計(jì)算法，簡化執(zhí)行流程算法是計(jì)算思維中的重要概念，是一系列解決問題的清晰指令，它代表用系統(tǒng)的方法來描述解決問題的一種策略機(jī)制。學(xué)生經(jīng)過有效抽象問題和合理分解問題后，對(duì)于“勇闖迷宮”游戲的編程有了一定的基礎(chǔ)。這時(shí)候使用流程圖可以將復(fù)雜的游戲問題更直觀化，加深學(xué)生對(duì)該程序的理解。為了設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的活動(dòng)，教師可以為初中學(xué)生提供部分執(zhí)行流程，留出一部分內(nèi)容讓學(xué)生去填空，降低編程的難度，增加編程的趣味性。筆者以勇士不能穿越迷宮墻壁的部分流程為例（圖1），通過學(xué)生填寫Y坐標(biāo)值的變化情況，使學(xué)生更高效地設(shè)計(jì)算法，深入了解程序執(zhí)行的過程，提高后續(xù)編寫代碼的效率。編寫程序，調(diào)試優(yōu)化腳本程序調(diào)試是指將編寫的程序進(jìn)行測試，修正語法或邏輯錯(cuò)誤的過程。調(diào)試、優(yōu)化是保證程序更加正確合理的必不可少步驟。在Scratch編程教學(xué)中，教師為學(xué)生提供了探究單，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)模塊功能，并結(jié)合流程圖，利用“控制”“動(dòng)作”“外觀”“事件”等Scratch模塊中的指令，編寫“勇闖迷宮”游戲。在編寫程序的過程中，教師要注重指導(dǎo)學(xué)生通過觀察Scratch程序運(yùn)行的及時(shí)反饋，引導(dǎo)學(xué)生從“勇闖迷宮”游戲的功能、程序復(fù)雜度等方面重新審視該程序，并不斷調(diào)試、優(yōu)化程序。如勇士不會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)方向調(diào)整角度，如何優(yōu)化？勇士運(yùn)動(dòng)過快或者過慢怎么辦？根據(jù)測試Scratch程序時(shí)所發(fā)現(xiàn)的問題，學(xué)生做出進(jìn)一步的診斷，找出原因、想出辦法。學(xué)生通過不斷調(diào)試程序，理解程序的執(zhí)行邏輯過程，提高用信息技術(shù)解決問題的能力，提高計(jì)算思維能力。計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素