小學Kodu編程課程中計算思維教學實踐

陳久華 王榮良

計算思維（Computational Thinking）是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類行為。其中，求解問題包括使用計算機技術或設備解決問題以及用計算機科學的思想解決問題；設計系統包括設計計算機系統，也包括用計算機科學的思想來設計一般系統。由此可見，計算思維可以指導人們設計與使用計算機，其更大的功能在于通過對計算及計算機的實現等機理的認識，反映客觀規律，并用以指導人們的社會生活。計算思維教育，就是通過對計算原理和過程的認識，掌握基本的計算方法，理解計算思維的本質，從而學會應用計算思維解決實際問題。計算思維教育可以落實到數學方法和工程方法的學習，如遞歸法、分治法以及形式化表達等方法，來理解計算思維的抽象、自動化等本質屬性。

如果說，在高中或者大學階段可以通過實施計算機編程、計算機原理類的課程，來開展計算思維教育，那么，小學階段是否也能開展計算思維教育呢？小學階段的學生，尤其是低齡段的學生，主要依賴于無意注意，以具體形象思維為主，通過直觀感知事物的特征和規律。因此，在小學階段開展計算思維教育，不適合從枯燥的計算機原理性知識學習的途徑進行，而應該采用滲透教育的方法，讓學生在有趣的作品制作過程中體驗和理解計算思維。第一，早期開展的中小學計算機編程等課程，盡管也涉及計算機原理部分的教學，但是往往過分關注具體的編程技術以及細節，而缺乏關注計算的本質與思維。因此，在中小學開展計算思維教育，不是簡單的計算機原理或計算機編程的學習，也不是各種算法的學習，而是要通過適量的計算機知識與技能的學習，真正理解計算思維的本質。第二，在小學開展計算思維教育，應該有一個適合小學生的學習平臺或環境，具有趣味性、技術門檻低等特點，以便在教學過程中學生不必過多地關注操作性技能和規定。Kodu是一款游戲軟件開發工具，具有三維場景和模式化的編程方式，易學易用，是一個適合小學生使用的程序開發工具。第三，兒童化編程軟件融入小學信息科技的課堂，讓小學生從小接觸計算機編程，其目的不僅是讓學生學會編程，更是使其體驗一個程序完整的開發過程，知道計算機工作和解決問題的方式，從而發展學生的計算思維。“小學生Kodu趣味程序設計”課程的開發，就是將信息科技課堂實踐經驗和資料積累向課程、教材和教學轉化，為小學的計算思維的普及教學提供載體。

計算思維的本質是抽象和自動化，下面是在小學開展Kodu編程教學中，滲透計算思維本質教育的教學實踐。

在編程中體會抽象

所謂抽象，是指通過分析的途徑，運用概念在人腦中再現對象本質的方法，從眾多的事物中抽取共同的、本質性的特征，而舍棄其非本質的特征。在小學階段，學生可以通過數學課感受數和形的抽象概念，但是通過計算思維教育，學生可以更全面地感受抽象。在兒童化編程的教學過程中，抽象也是必不可少的。學生學會抽象可以更容易找到編程的切入點，梳理游戲的規則，并且最終將游戲規則轉變為Kodu程序。下面通過案例《吃蘋果》來說明。

環節一：從故事抽象規則

上課伊始，教師出示游戲故事情境：我們的小伙伴Kodu擁有一個美麗的蘋果園，蘋果樹下落滿了成熟的蘋果，小伙伴Kodu要收集這些蘋果，并將蘋果搬運到自己的小屋里。然而，我們的小伙伴并不知道，有一個特別喜歡偷吃蘋果的壞蛋已經盯上這里了。

教師然后提出問題，讓學生互相討論：根據這個故事情境，你可以制定怎樣的游戲規則？同時，教師出示相關的學習表格（如表1），輔助學生思考。

如果憑空討論，學生難免沒有頭緒，無從下手，或是異想天開，設想一些Kodu軟件無法實現的內容。通過這樣的形式，教師引導學生有針對性地對故事情節進行分析和梳理，抽象出自己的游戲規則，學習表格不僅提供了抽象的方法，也為之后編寫程序提供了便利。

環節二：從規則編寫語句

制定了游戲規則，可以說是完成了編程的第一步，有了編寫程序的依據。這時，教師出示部分Kodu程序（如下圖）。

讓學生先讀一讀出示的程序，用“在什么情況，做什么事情”這樣的句式來翻譯這段程序，幫助學生熟悉“when-do”句式的含義。when就是條件，而do就是動作。接著提出問題，學生分析每一條游戲規則中，哪部分是條件，哪部分是動作。最后，學生理清所有的條件和動作，在Kodu中完成程序的編寫。

在制定計劃后，如果直接開始編寫程序，學生往往分不清楚條件和動作，會對教師提出諸如“when里面怎么沒有eat啊”“do里面怎么找不到bump”之類的問題。這些都反映了學生沒有搞清楚自己寫的程序，哪些是條件，哪些是動作。通過環節二，可以有效地幫助學生抽象出規則中的條件和動作，理解“when-do”句型，更加有效地完成Kodu程序的編寫。

對小學階段的學生來說，抽象概念的理解與運用是比較困難的。在Kodu編程實踐中，采用“故事情節→游戲規則→編程語句”的實踐路徑，可以有效引導學生體驗和運用抽象。

在編程中認識自動化

自動化是計算思維的本質之一。所謂自動化，是指機器設備、系統或過程在沒有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，經過自動檢測，實現預期目標的過程。與其他課程不同，計算機編程最大的特點就是自動化，利用計算機本身的功能，解決實際的問題。程序的執行過程就是自動化的具體分析體現。在Kodu《捕魚達人》一課中，有Kodu、漁夫爺爺以及小魚等多個角色，程序代碼也比較復雜，教師通過教學程序調試的方法，讓學生感受計算機執行語句和執行結果的關系，同時促進學生理解自動化的意義。

環節一：體驗程序調試

在學生寫完程序之后，教師提出問題：現在大家的程序已經編好，是不是可以直接提交給老師了呢？

大部分學生會不約而同地說出“不可以，還要檢查程序”。

教師繼續追問道：“那么在寫完程序之后，我們該如何檢查程序呢？”

有些學生說：“自己寫好以后把程序讀一讀，就會發現錯誤。”

教師提出一種調試程序的方法：運行程序→觀察程序→分析錯誤的程序→改進程序。讓學生按照這個方法測試，看能不能發現程序中的問題。

按照這個方式，不少學生都找到了自己程序中出現的部分。

環節二：理解程序執行過程

教師提出問題：是誰告訴你們程序在哪里出錯了？并進一步闡述：計算機最大的一個特點就是自動化，它在運行程序時，是一條一條語句逐步執行預先設計的任務。計算機一旦執行了錯誤的程序，表現出的現象與你原來設計的要求不一致。你需要像計算機執行程序一樣地思考，理解計算機執行每一步語句應該有的現象，與實際的執行結果比較，根據錯誤的現象，找到錯誤的程序語句，并把它修改正確。

教師為學生提供了調試程序的學習單（如表2）。

學生依照教師提供的程序調試方法，對照游戲規則，對《捕魚達人》這個游戲進行調試，觀察并記錄錯誤現象。在找到錯誤之后，學生互相討論，分析解決這些問題的方法，修改程序，重復調試的環節，直到程序完全正確。

計算機是自動執行程序的，但計算機的自動化是一個黑匣子，沒有辦法看到每一步程序的執行過程，只能通過執行結果來感受。對小學生來說，以程序調試為切入點，通過尋找計算機程序實際執行結果與最初設計方案的不一致，讓學生嘗試像計算機執行程序一樣思考執行語句應該對應的動作，從而發現問題并解決問題。這一過程既是程序調試的過程，也是理解自動化的過程。

2012年10月，英國宣布了新的ICT課程，將ICT學科的教學層次從基礎應用型提升到創造發明型，要重視培養學生的計算思維。我國的信息技術教育也正從知識與技能的學習向能力與思維方式轉變，從信息技術的應用向信息技術的創造轉變。我們希望通過基于計算思維為核心的“小學Kodu趣味程序設計”課程的實施讓小學生常有一些靈感迸發出來，讓這些閃光點成為一個意想不到的創意，讓學生在自主、合作、交流、思考的過程中，促進思維發展，在學會編程過程中，提高科學創新的能力。