讓“計算思維”在Scratch實例教學(xué)中落地生根

趙輝

在已出版的Scratch教材《游俠傳》的序言中有一段話：在創(chuàng)作Scratch作品的時候，并不只是要求學(xué)生學(xué)習(xí)如何編寫計算機(jī)程序，而是學(xué)習(xí)如何創(chuàng)造性地思考，如何系統(tǒng)化地推理，而這些都是未來他們獲得成功和人生幸福的核心能力。計算思維是信息技術(shù)學(xué)科的核心思維，在Scratch實例教學(xué)中融入“計算思維”的思想，能有效地訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)其解決具體問題的能力。計算思維的具體內(nèi)容包括思維與歸納、程序與算法、抽象與自動化、分解與建模、測試和調(diào)試等。根據(jù)Scratch課程的目標(biāo)，筆者篩選出計算思維中的抽象、分解、算法、糾錯和歸納五個核心要素開展教學(xué)實踐，并結(jié)合Scratch實例教學(xué)經(jīng)驗，總結(jié)出Scratch實例編程教學(xué)的常規(guī)教學(xué)流程圖（如圖1）。

Scratch課程的內(nèi)容不能枯燥地講解算法知識點，教師應(yīng)該把知識點滲透到各個實例中，由一個個鮮活的實例層層遞進(jìn)知識點，讓學(xué)生通過制作實例來學(xué)習(xí)編程，體驗一個程序完整的開發(fā)過程，知道計算機(jī)程序解決問題的方法，從而發(fā)展學(xué)生的計算思維。所以，教學(xué)實例的選擇必須注重從學(xué)生的實際生活出發(fā)，提煉生活中的問題，貼近學(xué)生的認(rèn)知，對案例的熟悉度和理解程度是對實例抽象和分解的基礎(chǔ)。筆者就以《口算軟件》為例，談?wù)凷cratch實例教學(xué)中滲透計算思維本質(zhì)教育的一般操作流程和策略方法。

抽象建模，形成思維

所謂抽象，是指通過忽略可有可無的細(xì)節(jié)來降低難度。將一個現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)變成為計算機(jī)可以處理的問題。抽象是選擇案例后實施編程前的一項重要工作，學(xué)會抽象可以更容易找到Scratch編程的切入點，更好地理清程序規(guī)則。

1.情境模擬，化抽象為具體

教師根據(jù)實例內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)，有針對性地設(shè)計任務(wù)情境，并讓學(xué)生扮演角色模擬情境過程，在高度仿真的情境中感受程序抽象問題，讓抽象問題具體呈現(xiàn)出來。

首先筆者通過情境模擬二年級學(xué)生舉辦一個口算大賽。模擬過程：讓2位學(xué)生帶上頭飾，一位扮演二年級的學(xué)生，一位是扮演電腦小博士。教師說開始，并請電腦小博士出一道2個數(shù)相加和為20以內(nèi)的加法題，學(xué)生回答問題，電腦小博士思考后說：“恭喜！答對了”或“答錯了！加油哦！”（如圖2）。筆者接下來讓學(xué)生“玩”程序，把剛才的仿真情境在電腦中重演一遍。隨后筆者提出問題：①程序里有幾個角色？②表演中的“學(xué)生”角色在哪里？學(xué)生經(jīng)過初步判斷得出四個角色分別是電腦小博士、加數(shù)、被加數(shù)、答案，后面是舞臺背景，里面包括“口算大賽”“+”“=”等元素。但這僅僅是理清了一部分角色，其中加數(shù)、被加數(shù)和答案并非是角色，這為后面埋下伏筆。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生觀察和思考后，得出表演中的實際角色“學(xué)生”就是軟件的使用者，在程序中可以不用出現(xiàn)。

用模擬情境的方式導(dǎo)入大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生在“玩”中感知程序的操作方法及各對象的關(guān)系，從而把抽象的程序變得具體，并可以“觸摸”。

2.思維導(dǎo)圖，從無形到有形

思維導(dǎo)圖能很好理清程序中角色的關(guān)系，讓學(xué)生一目了然地了解現(xiàn)實生活和計算機(jī)世界的聯(lián)系，學(xué)會把無形的思維過程轉(zhuǎn)化為直觀有形的導(dǎo)圖。筆者通過情境模擬，并以問答的形式，引導(dǎo)學(xué)生思考程序所需要的角色；讓學(xué)生仔細(xì)觀察舞臺上的加數(shù)和被加數(shù)，使其發(fā)現(xiàn)每次重新出題時，加數(shù)和被加數(shù)發(fā)生變化。像加數(shù)和被加數(shù)這樣在程序運行過程中沒有固定的值，隨時發(fā)生變化的量，稱為變量。從而引出本節(jié)課的重點——變量。筆者出示程序的思維導(dǎo)圖（如圖3），并層層提問，引導(dǎo)學(xué)生思考問題的關(guān)鍵點。以“圖”的方式來整體規(guī)劃，將現(xiàn)實生活中的對象與計算機(jī)要處理的對象一一對應(yīng)，化無形為有形。

分解問題，理清思維

計算思維中分解的概念是把一個看起來困難的問題重新闡釋成我們知道怎樣去解決的問題。經(jīng)過分解后，這些零散的部分才能夠被理解和解決，從而降低大型實例的設(shè)計難度。學(xué)生通過分解問題，理清每個角色的動作與編程思路，將難點進(jìn)行分解并一一突破，從而從無序狀態(tài)中脫離出來，找到解決問題的關(guān)鍵點。

1.簡化自然語言，分解出程序步驟

筆者引導(dǎo)學(xué)生通過抓重點詞的方法，去葉存枝，有效地把握程序運行的方向，這樣制作范例時思路會更加清晰。經(jīng)過抽象建模，筆者要求學(xué)生根據(jù)思維導(dǎo)圖，對編輯過程進(jìn)行自然語言描述。簡化學(xué)生的自然語言描述，最后圈出重點詞：出題目、詢問、回答、思考、說。經(jīng)筆者引導(dǎo)后得出：“回答”是程序操作的個人行為。最后分解得出電腦小博士的程序步驟：出題目→詢問→判斷→說。

2.拆分執(zhí)行效果，細(xì)化出腳本模塊

學(xué)生操作程序并仔細(xì)觀察確定程序的四個主要問題，再在此基礎(chǔ)上細(xì)化出所需要的模塊：①加數(shù)和被加數(shù)的數(shù)值范圍如何賦值？②詢問框和答案如何顯示？③正確答案是如何計算出來的？④何時說“對了”或者“錯了”？

其中問題④最復(fù)雜，它是電腦小博士的思考過程，也是步驟中的第三步“判斷”。為了幫助學(xué)生理清規(guī)則，筆者讓他們描述電腦小博士的思考過程，利用語文中“如果……否則……”的關(guān)聯(lián)詞來造句，從而理解條件判斷語句。

師：這個條件判斷的條件是什么？

生：題目回答正確。

師：怎么樣才算回答正確呢？（這也是比較難以理解的，因為學(xué)生難以體會到電腦的思考過程是如何）什么情況下算答對？

生：答案與回答進(jìn)行比較時。

從而教師引出邏輯運算符腳本模塊：等于號（=）。最后，將其梳理為“當(dāng)……時，角色會……”的Scratch語言結(jié)構(gòu)，得出使用判斷腳本模塊。當(dāng)答案和回答相等時，電腦小博士會說“答對了”！否者會說“答錯了”！分析一系列問題后，學(xué)生細(xì)化腳本模塊。

提煉算法，訓(xùn)練思維

算法是通過一種清晰定義的步驟來解決問題的方法。之前抽象和分解起到了鏈接自然描述語言和軟件編程語言的作用。在此基礎(chǔ)上，要針對每個小問題，形成解決問題的算法。此時放手讓學(xué)生在Scratch中進(jìn)行程序設(shè)計是很困難的，因為分支和循環(huán)很難表達(dá)清楚，為此筆者借助流程圖突破重難點來提煉算法。

1.流程圖護(hù)航，自主“擺弄”

“擺弄”是Scratch編程學(xué)習(xí)的精髓。由于學(xué)生設(shè)計經(jīng)驗不足，所以筆者給出流程圖（如圖4），這樣能更有效、更規(guī)范地描述算法，引導(dǎo)學(xué)生在Scratch中找到相應(yīng)的代碼塊。學(xué)生已經(jīng)知道所需的腳本模塊，通過流程圖和所需模塊，嘗試自主搭建，體驗“擺弄”模塊的樂趣。學(xué)生通過細(xì)化腳本模塊，查看流程圖，思路基本形成，這為自主完成奠定了基礎(chǔ)，為自主學(xué)習(xí)提供了支點。

2.重難點突破，吃透算法

“口算軟件”的重難點是：搭建條件判斷語句，從而對變量有初步的認(rèn)識。為了解決“條件如何搭建”的問題，學(xué)生展開了激烈的討論，并討論得出了多種算法設(shè)計。雖然不同的算法執(zhí)行的效果會略有差別，但重要的是學(xué)生在討論和不斷擺弄的過程中，拓展了思路，發(fā)展了計算思維，這才是教師期望達(dá)到的目的。案例中要讓程序自動出題，需要利用循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過比對執(zhí)行效果，學(xué)生會非常容易理解循環(huán)算法，并能合理利用。

糾錯調(diào)試，鞏固思維

“糾錯”是Scratch教學(xué)中另一個重要的環(huán)節(jié)，貫穿了整個課程的學(xué)習(xí)過程。從學(xué)生設(shè)計腳本程序時，糾錯的行為就始終伴隨著，更體現(xiàn)了“擺弄”的重要性。學(xué)生在調(diào)試作品時，需要像計算機(jī)執(zhí)行程序一樣去思考執(zhí)行語句，理解執(zhí)行每一步模塊應(yīng)該出現(xiàn)的現(xiàn)象，并與實際的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)現(xiàn)效果與預(yù)想的有偏離時，就要不斷地糾錯，調(diào)整程序，采用不同的算法實現(xiàn)效果，在“構(gòu)思—編程—測試—調(diào)試”的過程中進(jìn)行糾錯，反復(fù)磨練，這樣學(xué)生不僅在知識、技能上會有進(jìn)步，在計算思維上也會有所提升。

1.閱讀腳本，糾錯更自主

閱讀是人類的基本技能之一，但在信息技術(shù)教學(xué)中常常被忽視，在程序調(diào)試時，它是一種行之有效的方法。隨著程序?qū)W習(xí)的深入，學(xué)生發(fā)現(xiàn)運行錯誤，想要尋找問題的根源，卻因為程序代碼模塊數(shù)量的增加而無法找到出錯代碼。為此，筆者引導(dǎo)學(xué)生一邊讀代碼，一邊添加“注釋”，這是一種糾錯思維，也很好地解決了問題腳本定位的問題。例如，邊讀“口算軟件”腳本邊注釋。“點擊綠旗開始，將變量加數(shù)和被加數(shù)賦值為0到20之間的一個隨機(jī)數(shù)值”（注釋：出題）；“如果加數(shù)+被加數(shù)=回答”（注釋：判斷）；“就詢問請回答并等待”（注釋：詢問）；“如果正確‘恭喜，答對了’，否則就說‘答錯了，加油’”（注釋：說）。這是一道題目的出題過程，要讓程序重復(fù)出題，則需要再讓這段程序腳本重復(fù)執(zhí)行。學(xué)生經(jīng)過讀一讀和注釋后，再加上教師的引導(dǎo)，就會發(fā)現(xiàn)腳本中的錯誤，不斷調(diào)整角本。

2.小組協(xié)作，調(diào)試更有效

教師為學(xué)生提供如何調(diào)試程序的學(xué)習(xí)單。對“口算軟件”這個程序先進(jìn)行調(diào)試，觀察并記錄錯誤的現(xiàn)象，找出錯誤語句后，學(xué)生相互討論，分析解決這些問題的方法，修改程序，重復(fù)調(diào)整的環(huán)節(jié)，直到程序完全正確。

例如，在《口算軟件》教學(xué)中，程序出現(xiàn)不能正常出題，或者出題內(nèi)容不是1到20之間的一個隨機(jī)數(shù)，學(xué)生應(yīng)該先找到問題語句，并對其進(jìn)行分析，填寫糾錯學(xué)習(xí)單（如表1），記錄程序中的錯誤現(xiàn)象和錯誤語句，再考慮“如何修正”；如果不會修正，則可以通過小組協(xié)作來解決問題，或者請教師單獨指導(dǎo)調(diào)試。學(xué)生通過對程序的糾錯調(diào)試，不僅鍛煉了自身的計算思維能力，而且對知識進(jìn)行了鞏固，為拓展埋下了伏筆。

歸納總結(jié)，沉淀思維

歸納是去情境化的過程，讓學(xué)生剝離實例學(xué)習(xí)所運用的各種編程技巧和方法，能通過類比的方法，把握共性問題，將一個問題的解決方法遷移到另一個問題中，形成一種內(nèi)在的思維能力。經(jīng)過前面四步，學(xué)生已經(jīng)初步形成了計算思維能力，但這種思維能力并不成熟和穩(wěn)定，需要在教師的引導(dǎo)和任務(wù)支配下才能完成，因此，學(xué)生需要借助歸納、實踐來強(qiáng)化和鞏固學(xué)習(xí)結(jié)果。

1.分析方案，再用變量歸納總結(jié)

經(jīng)過這種去情境化的過程后，學(xué)生就可以接受更多的挑戰(zhàn)性任務(wù)，進(jìn)行創(chuàng)意計算作品的自由創(chuàng)作。本節(jié)課主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容是“變量”應(yīng)用，變量強(qiáng)大的功能為學(xué)生提供了挑戰(zhàn)性的任務(wù)，讓學(xué)生的創(chuàng)新力超前發(fā)展，使其在實現(xiàn)想法過程中獲得成功的喜悅。教師再增加拓展環(huán)節(jié)：我們?yōu)椤翱谒丬浖碧睃c功能吧，為腳本添加一個“評分方案”。學(xué)生思考變量的起始分值和分值變化，并填寫完成表2。再創(chuàng)作為程序的升級環(huán)節(jié)，筆者通過一系列的問題和表格來引導(dǎo)學(xué)生運用變量控件解決問題。在創(chuàng)作的過程中，學(xué)生不僅要對變量進(jìn)行識記和理解，更需要對變量進(jìn)行深入的分析和靈活的運用，這對學(xué)生的計算思維提出了更高的要求。

2.作品展示，分享、交流、沉淀思維

作品展示是對學(xué)生的肯定，也是學(xué)生再學(xué)習(xí)的一種方式。學(xué)生介紹作品，不僅是展示自己的機(jī)會，也是對知識進(jìn)行歸納總結(jié)。經(jīng)過思考和學(xué)習(xí)后，學(xué)生的作品比原來更有想法、更豐滿了（如圖5）。學(xué)生在分享和交流中，不僅鍛煉了語言表達(dá)能力，理清了思路，也獲得了快樂，沉淀了思維。

教無定法，教師只有在教學(xué)設(shè)計時融入計算思維，不斷地改善自己的程序設(shè)計教學(xué)策略，提高學(xué)生學(xué)習(xí)編程的熱情和積極性，才能讓學(xué)生在自主、協(xié)作、交流、分享的過程中，促進(jìn)思維的發(fā)展，才能讓“計算思維”在編程實例教學(xué)中落地生根，讓每一位學(xué)生學(xué)會創(chuàng)造性地思考。