一堂基于STEM的新穎程序設(shè)計(jì)課

李忠偉

案例背景

《循環(huán)結(jié)構(gòu)》案例是廣東省佛山市高中信息技術(shù)課程校本化研究活動(dòng)之“計(jì)算思維的培養(yǎng)”的一節(jié)公開(kāi)課。教材內(nèi)容取材于廣東教育出版社的高二信息技術(shù)（選修1）算法與程序設(shè)計(jì)第二章第4節(jié)第一課時(shí)，并結(jié)合石門(mén)高級(jí)中學(xué)機(jī)器人校本課程進(jìn)行設(shè)計(jì)，學(xué)時(shí)為1課時(shí)?！堆h(huán)結(jié)構(gòu)》一課將STEM教學(xué)理念融入課堂。STEM教育理念源于美國(guó)，其代表科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）融合，旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才，同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中有意識(shí)地向?qū)W生滲透計(jì)算思維，即利用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的思維和方法。

學(xué)情分析

本節(jié)之前學(xué)生已學(xué)習(xí)了程序的順序和分支結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人仿真編程軟件的使用基本熟悉。這節(jié)課較之順序、分支結(jié)構(gòu)有一定的難度。由于只上了幾節(jié)程序基礎(chǔ)課，大部分學(xué)生用代碼編寫(xiě)程序的能力較弱。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，降低難度，筆者對(duì)循環(huán)結(jié)構(gòu)這一章節(jié)采用循序漸進(jìn)的方法。首先用流程圖的編程模式進(jìn)行教學(xué)，暫時(shí)忽略具體代碼，關(guān)注算法本質(zhì)，希望讓學(xué)生更容易接受和體驗(yàn)學(xué)習(xí)編程的成就感。高中生信息技術(shù)水平差異化非常突出，教師要兼顧到各個(gè)層次的學(xué)生。教師設(shè)計(jì)不同難度的編程任務(wù)，讓學(xué)生們都能在課堂上“吃飽”。教師在課件上提供豐富的學(xué)習(xí)資源以供他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)，如提供自主學(xué)習(xí)的微視頻導(dǎo)學(xué)材料等。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：認(rèn)識(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)的概念、作用、分類及其在編程中的廣泛應(yīng)用。掌握循環(huán)結(jié)構(gòu)中的多次循環(huán)（固定次數(shù)循環(huán)）、永遠(yuǎn)循環(huán)（死循環(huán)）和條件循環(huán)的區(qū)別和應(yīng)用。學(xué)會(huì)綜合利用循環(huán)結(jié)合順序和分支三大結(jié)構(gòu)編寫(xiě)機(jī)器人行走等一系列的應(yīng)用問(wèn)題。

過(guò)程與方法目標(biāo)：能通過(guò)類比的方法去應(yīng)用循環(huán)結(jié)構(gòu)編寫(xiě)程序。能正確運(yùn)用循環(huán)結(jié)構(gòu)去解決機(jī)器人行走等一系列應(yīng)用問(wèn)題。初步體驗(yàn)自頂向下、逐步求精、模塊化程序設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的過(guò)程和方法。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過(guò)程序設(shè)計(jì)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)精神。培養(yǎng)學(xué)生編程興趣。

教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：循環(huán)結(jié)構(gòu)中條件循環(huán)的執(zhí)行流程及編程應(yīng)用。

難點(diǎn)：循環(huán)結(jié)構(gòu)的靈活應(yīng)用。

整體思路

本課先是從學(xué)生感興趣的機(jī)器人問(wèn)題出發(fā)，教師演示滅火機(jī)器人滅火和掃地機(jī)器人回家充電的情境。然后，教師提出問(wèn)題：機(jī)器人是如何搜索到火源和充電器的？從而激發(fā)學(xué)生探究問(wèn)題的興趣。接著，教師以問(wèn)題解決的教學(xué)模式，將循環(huán)結(jié)構(gòu)的知識(shí)，按照“什么是循環(huán)結(jié)構(gòu)——為什么要用循環(huán)結(jié)構(gòu)——循環(huán)結(jié)構(gòu)分類——循環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用”一步一步地循漸推進(jìn)。教學(xué)中采用案例教學(xué)，貼近學(xué)生生活實(shí)際，如機(jī)器人叫醒程序“聞光起叫”、機(jī)器人滅火程序等，讓學(xué)生體驗(yàn)完成機(jī)器人編程項(xiàng)目的成功感。

●教學(xué)過(guò)程

1.創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引入新課

教師播放兩段視頻，一是我校學(xué)生在美國(guó)參加國(guó)際中學(xué)生機(jī)器人滅火比賽獲得冠軍的比賽視頻；二是家庭掃地機(jī)器人掃完地回家充電的視頻。學(xué)生看后既感到新鮮又充滿疑惑。例如，滅火機(jī)器人它是如何自動(dòng)搜索到火源的？掃地機(jī)器人是如何找到充電器的？教師引導(dǎo)學(xué)生分析，機(jī)器人是由程序驅(qū)動(dòng)的，滅火機(jī)器人在找到火源前，它不停地重復(fù)行走以搜索火源目標(biāo)；而掃地機(jī)器人快沒(méi)電了，在找到充電器前，它都在不停地重復(fù)行走以搜索充電器目標(biāo)。因此，看似它們?cè)谧霾煌娜蝿?wù)，但程序本質(zhì)是一樣的，即在一定的條件下，重復(fù)執(zhí)行行走和搜索目標(biāo)的動(dòng)作。而描述這種重復(fù)的算法步驟的程序結(jié)構(gòu)，就是這節(jié)課要學(xué)的內(nèi)容——循環(huán)結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)意圖：機(jī)器人問(wèn)題情境讓學(xué)生倍感新鮮，富有時(shí)代感。機(jī)器人的各種走路算法是一個(gè)個(gè)靈活應(yīng)用循環(huán)結(jié)構(gòu)編程的典型案例。通過(guò)機(jī)器人仿真編程環(huán)境，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按學(xué)生的意圖做出各種反應(yīng)，呈現(xiàn)效果生動(dòng)形象，更能吸引學(xué)生學(xué)習(xí)程序的興趣。

2.循環(huán)結(jié)構(gòu)概念

教師講解循環(huán)結(jié)構(gòu)的概念，描述重復(fù)執(zhí)行某段算法的程序結(jié)構(gòu)。它和順序、分支結(jié)構(gòu)一起組成程序的三大類型結(jié)構(gòu)。教師講解循環(huán)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行流程。

學(xué)生聆聽(tīng)并理解循環(huán)結(jié)構(gòu)的概念，閱讀流程圖掌握循環(huán)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行流程，回答教師提出的問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生儲(chǔ)備循環(huán)結(jié)構(gòu)的知識(shí)為后續(xù)編程解決問(wèn)題夯實(shí)基礎(chǔ)。用流程圖的方法講解循環(huán)結(jié)構(gòu)執(zhí)行流程。通過(guò)對(duì)比教學(xué)法，讓學(xué)生理解循環(huán)與分支、順序結(jié)構(gòu)的區(qū)別。

3.循環(huán)結(jié)構(gòu)作用與分類

教師通過(guò)分別用循環(huán)結(jié)構(gòu)和順序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走正方形的兩個(gè)程序的對(duì)比演示，引導(dǎo)學(xué)生歸納循環(huán)結(jié)構(gòu)的作用，它可以極大地減少程序重復(fù)書(shū)寫(xiě)的工作量。

學(xué)生對(duì)比分別用順序結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走正方形的例子，感悟采用循環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，形成簡(jiǎn)練和繁冗的強(qiáng)烈反差，讓學(xué)生感悟循環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

4.循環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

（1）多次循環(huán)

教師講解多次循環(huán)的概念和使用方法，布置機(jī)器人走正六邊形的編程練習(xí)任務(wù)。

學(xué)生計(jì)算走正六邊形轉(zhuǎn)彎的角度（如圖1），動(dòng)手編寫(xiě)和調(diào)試程序。學(xué)生總結(jié)并掌握多次循環(huán)結(jié)構(gòu)的編程方法。

設(shè)計(jì)意圖：機(jī)器人走正六邊形軌跡的程序是走正方形程序的進(jìn)階，需要靈活求解轉(zhuǎn)彎的角度，也通過(guò)任務(wù)的稍微改變考察學(xué)生知識(shí)的遷移和應(yīng)用能力，有一定的難度梯度，符合學(xué)生認(rèn)知和能力發(fā)展規(guī)律。同時(shí)，這里也給學(xué)生設(shè)置了一個(gè)慣性思維陷阱，很多學(xué)生誤認(rèn)為機(jī)器人轉(zhuǎn)彎角度是內(nèi)角，其實(shí)是內(nèi)角的補(bǔ)角。

（2）永遠(yuǎn)循環(huán)

教師演示機(jī)器人不停發(fā)出叫聲并眨眼睛的編程例子的實(shí)現(xiàn)方法。

學(xué)生觀看演示，掌握永遠(yuǎn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的編程方法。

設(shè)計(jì)意圖：這個(gè)編程例子為下面完成的“聞光起叫”機(jī)器人叫人起床程序作鋪墊。由相對(duì)容易理解的永遠(yuǎn)循環(huán)知識(shí)點(diǎn)過(guò)渡到下面難度相對(duì)高的條件循環(huán)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生知識(shí)的遷移和能力的提高，符合其心理認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。

（3）條件循環(huán)

教師講解條件循環(huán)的概念和應(yīng)用場(chǎng)景，布置學(xué)生練習(xí)機(jī)器人“聞光起叫”編程。

教師巡回指導(dǎo)學(xué)生，檢查學(xué)生學(xué)習(xí)成果。

學(xué)生兩人分組協(xié)作動(dòng)手編寫(xiě)和調(diào)試程序，上交作業(yè)。學(xué)生觀看同學(xué)演示。學(xué)生歸納掌握條件循環(huán)結(jié)構(gòu)的編程方法。

設(shè)計(jì)意圖：機(jī)器人“聞光起叫”讓學(xué)生和“聞雞起舞”相聯(lián)系，覺(jué)得幽默有趣，學(xué)習(xí)熱情高漲。該環(huán)節(jié)是本課的重點(diǎn)難點(diǎn)所在，因?yàn)闂l件循環(huán)的循環(huán)體是否執(zhí)行涉及循環(huán)條件表達(dá)式是否成立的問(wèn)題。在實(shí)際教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生往往會(huì)忽略循環(huán)條件變量是否改變的問(wèn)題。學(xué)生的整體算法思路沒(méi)錯(cuò)，但循環(huán)體里面常常忘記給循環(huán)變量進(jìn)行重新賦值，以致循環(huán)條件在程序執(zhí)行自始至終都是原來(lái)的初值，導(dǎo)致變成死循環(huán)或者沒(méi)有執(zhí)行循環(huán)體的錯(cuò)誤。因此，本環(huán)節(jié)教師先不提醒學(xué)生，采用在他們動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)候，允許部分學(xué)生犯錯(cuò)，然后通過(guò)他們運(yùn)行程序發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，這個(gè)時(shí)候，再引導(dǎo)學(xué)生尋找和分析問(wèn)題的根源。從犯錯(cuò)中得到經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從而深刻體會(huì)到循環(huán)條件編程的關(guān)鍵點(diǎn)，也就更好地突破了循環(huán)條件應(yīng)用的教學(xué)難點(diǎn)。

5.解決問(wèn)題——機(jī)器人搜索火源問(wèn)題

教師采用自頂向下、逐步求精模塊化的編程方法引導(dǎo)學(xué)生獲得解決問(wèn)題的算法，布置練習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生自主探索機(jī)器人搜索火源的算法。教師檢查學(xué)生學(xué)習(xí)成果，讓學(xué)生用游戲表演的方式展示機(jī)器人搜索火源的行走算法。

教師展示仿真環(huán)境的程序測(cè)試效果。

學(xué)生閱讀課件獲得解決問(wèn)題的算法，觀看同學(xué)表演機(jī)器人行走算法，加深理解。

學(xué)生完善教師提供的半成品程序，調(diào)試程序和仿真環(huán)境測(cè)試，提交作業(yè)。

設(shè)計(jì)意圖：水到渠成，綜合利用本節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)，解決新課導(dǎo)入的問(wèn)題。讓學(xué)生學(xué)以致用，體驗(yàn)學(xué)習(xí)成功感。通過(guò)游戲模擬機(jī)器人行走，加深學(xué)生對(duì)機(jī)器人搜索火源的“S”形行走算法的理解。

6.回顧和拓展

（1）回顧梳理

教師課堂小結(jié)，回顧本節(jié)課學(xué)習(xí)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)循環(huán)結(jié)構(gòu)的知識(shí)點(diǎn)。教師引導(dǎo)學(xué)生回顧自頂向下，逐步求精模塊化的編程方法。師生一起瀏覽網(wǎng)絡(luò)課件學(xué)習(xí)社區(qū)中學(xué)生提出的典型疑難問(wèn)題并進(jìn)行解答。

（2）拓展提升

教師簡(jiǎn)單介紹循環(huán)結(jié)構(gòu)在其他編程領(lǐng)域中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生課外閱讀拓展材料，激勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)和機(jī)器人知識(shí)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)課件，及時(shí)搜集和解答學(xué)生的疑難問(wèn)題，提高課堂的互動(dòng)性。開(kāi)拓學(xué)有余力的學(xué)生的視野，讓各層次的學(xué)生都能“吃飽”。通過(guò)課堂小結(jié)和評(píng)價(jià)，讓學(xué)生獲得進(jìn)一步的感悟和提升。

● 教學(xué)評(píng)價(jià)

為了獲得學(xué)生對(duì)本課的學(xué)習(xí)效果的評(píng)估數(shù)據(jù)，課件設(shè)計(jì)了學(xué)生學(xué)習(xí)自我評(píng)價(jià)反饋環(huán)節(jié)（如圖2）。讓學(xué)生學(xué)完這節(jié)課后，對(duì)自己的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行自我評(píng)估，同時(shí)也讓學(xué)生對(duì)教師的教學(xué)提出改進(jìn)建議。對(duì)學(xué)生提交的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以側(cè)面地了解學(xué)生哪個(gè)知識(shí)點(diǎn)還沒(méi)有掌握，從而改進(jìn)教學(xué)環(huán)節(jié)。教師爭(zhēng)取從學(xué)生的反饋獲得改進(jìn)建議，形成民主的教學(xué)氛圍，從而更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)和突破本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

● 教學(xué)反思

這節(jié)程序設(shè)計(jì)課的教學(xué)內(nèi)容和編程案例與機(jī)器人應(yīng)用教學(xué)的一些內(nèi)容進(jìn)行了整合，旨在利用循環(huán)結(jié)構(gòu)解決機(jī)器人的一些應(yīng)用問(wèn)題，可以說(shuō)是程序設(shè)計(jì)和機(jī)器人編程應(yīng)用教學(xué)的一堂整合課。在教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)設(shè)計(jì)是有意識(shí)地向?qū)W生滲透學(xué)科思維例如計(jì)算思維的培養(yǎng)，試圖將STEM教育理念引入課堂，將其融合在一起。具體體現(xiàn)在每個(gè)應(yīng)用機(jī)器人的編程小項(xiàng)目對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)本身就是一個(gè)個(gè)需要完成的小工程（E）；機(jī)器人走正六邊形轉(zhuǎn)彎角度的求解就是數(shù)學(xué)（M）思維的訓(xùn)練；還有機(jī)器人應(yīng)用亮度傳感器測(cè)試環(huán)境光的亮度是電子技術(shù)（T）的應(yīng)用等；而最為重要的是在程序解決問(wèn)題的過(guò)程中，向?qū)W生有意識(shí)滲透了自頂向下、逐步求精、模塊化的編程思想。整堂課，學(xué)生整體參與度較高，能完成課堂編程任務(wù)。但是，也有不足之處，如限于場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)，沒(méi)能給學(xué)生提供真實(shí)的機(jī)器人編程體驗(yàn)等。