基于計算思維培養的LogoUp3D課堂教學模式探索

郭瑩

摘要：計算思維是課程核心素養的重要組成部分，如何改變學生依葫蘆畫瓢完成作品建模的現狀？如何促進學生計算思維核心素養的全面提升？筆者以近一年的LogoUp 3D教學實踐為例，談談自己的思考與體會。

關鍵詞：計算思維 3D打印 教學模式

計算思維是課程核心素養的重要組成部分，是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。具備計算思維的學生能夠采用計算機領域的學科方法界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據;通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案;總結利用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關的其他問題解決中。[1]

LogoUp 3D是一款符合教育部《中小學綜合實踐活動綱要》及福建省教育廳基礎教育處【2017】66號文件規定的三維程序式編程軟件，它引入現代語法和Scratch式的積木設計，編寫的每一個語句，都能實時地在三維圖形中顯示出來，實現所見即所得，是培養學生空間想象能力、創客精神和計算思維的一個得力工具。

如何改變學生依葫蘆畫瓢，按照教師的制作步驟或范例提示一步步操作完成作品建模的現狀？如何促進學生計算思維核心素養的全面提升，創設“以生為本，以學生為中心，以學為主”的課堂，實現“多維互動·主體體驗”課堂教學改革項目的扎實落地？筆者在近一年的LogoUp 3D教學實踐中，做了如下嘗試：

一、自主探究與小組合作，融合多學科知識建立結構模型

建模過程中需要掌握基本的數學、物理等學科知識，利用一些常見的幾何特性計算模型的距離、角度和度數。例如：在上《五邊形首飾盒》這一課時，學生首先觀察、分析一個盒子由哪些部分組成，盒子分為上下2個部分，分別是底座和上蓋。底座和上蓋又分別由不同的零件構成，底座分為下底板、外壁、內壁三個部分，上蓋分別為頂部、外壁兩個部分，分析完后就可以分別來做每個部件。

底座的下底板和外壁的五邊形邊長均設定為50毫米，而內壁的五邊形邊長應為多少呢？某小組同學嘗試根據教材提供的參數47.5毫米進行建模，發現實際打印出來的底座內壁的五邊形邊長過大，導致首飾盒蓋子蓋不上。學生對教材上的參數提出質疑，邊長過大會導致蓋子蓋不上，邊長過小蓋子又會蓋不緊，邊長的數值具體應為多少呢？小組通過討論、探究分析，利用三角函數，為某小組演算稿，計算得出內壁邊長應為47.1毫米，而非課本提供的參數47.5毫米。通過運算，從數學歸納的角度體會建模過程，讓學生“知其然”并“知其所以然”，由此建立起數學知識、編程思想與3D設計之間的橋梁。同時，也對學生勇于質疑教材錯誤的精神提出肯定，引導學生形成批判性思維。

二、以“程序設計”為主線，以“實例”為驅動，由淺入深，運用合理算法形成解決問題的方案

當學生掌握基本的語法繪制簡單圖形后，就需要引入重復語句、變量定義、過程函數、條件語句，構建較為復雜的模型。

1.重復語句（循環語句）——程序化繁為簡

例如在上《玩轉魔方》一課時，要求學生繪制一個10*10*10的正方體陣列，首先引導學生觀察模型的組成，學生經過分析后發現這個結構中擁有大量的重復結構，代碼需要重復多次，如果使用復制粘貼會浪費很多時間，而且代碼很長也不利于閱讀，是否有更為簡便的方法？由此引出重復語句，引導學生不斷地應用REPEAT語句，先繪制一個正方形，再繪制一行正方形，再繪制平面上的正方形陣列，拉伸為正方體后，最后繪制10層這樣的立方體，逐步實現這樣一個三維模型。

通過“魔方”實例，讓學生掌握REPEAT…END這個語法并嵌套使用，解決代碼重復問題，繪制出具有重復元素的幾何模型，化簡程序寫作。

2.定義變量——程序求同存異

例如在上《路障》一課時，學生通過觀察后發現路障（除底座外）底部圓形在拉伸至頂部圓形的過程中大小不是一成不變的，而是按一定比例不斷縮小，且兩種顏色交替。那么繪制這樣一個在統一的過程中有一些規律變化的模型，該如何進行操作呢？由此引出“變量”，由它來完成這種不一般的重復。變量是以非數字符號的變量名命名來存儲數字等數據，可以通過VAR語法來定義變量，并且隨時訪問變量名來調用變量，或是改變變量的值。

引導學生先設置一種顏色，然后底部圓形在拉伸的過程中按一定比例縮小，再設置另一種顏色，圓形在原有基礎上再繼續按一定比例縮小，以上操作重復4次

通過“路障”實例，讓學生在重復語句中運用變量結合公式，更加靈活地繪制幾何形狀。

3.條件語句——區分不同的分支

《路障》一課中，顏色也是規律變化的，如果將顏色也定義為變量，該如何操作呢？由此引出條件判斷語句。

學生先定義其中一種顏色，然后使用條件判斷語句交替調用兩種顏色繪制路障。

通過讓學生使用條件語句，改寫“路障”實例的代碼，提高程序運行效率。

4.引入過程（函數）——命名代碼片段

例如在上《掛鉤的制作》一課時，學生觀察后發現，衣服掛鉤上的三個掛鉤樣式都是一樣的。因此，需要反復用到繪制掛鉤的代碼。如果掛鉤的數量多，反復寫這段重復的代碼會帶來時間的浪費與代碼的冗余，是否有更為簡便的辦法呢？由此引出“過程”語句來解決這個問題。利用FUNC語法定義一個名為Guagou的過程，FUNC與END之間的代碼為繪制一個掛鉤的代碼，定義好后調用Guagou，前進一段距離后再調用Guagou（。

通過“掛鉤”實例，讓學生學會使用語法FUNC將一段代碼打包起來，之后再用到的時候可以方便地調用過程名來實現，而不用再輸入一遍繁瑣的代碼。學生在此基礎上還進行了創意設計，在學習的過程中不斷實現自我超越。

通過抓住教學重點，精心設計問題，引導學生對實例中的問題作出決策，以問題為線索突破難點，激活思維，找出問題的本質，學習的語句由淺入深、層層遞進，最終完成作品的制作。

營造情境，運用微課啟發思維，將創意變為現實，提升空間想象能力

例如在上《軸對稱回轉建模》一課時，學生通過觀看微課“游覽”了故宮、四合院、蘇州園林等建筑，從皇城宮苑到普通民宅，從群體建筑的規劃到一戶一室的布局，處處可見中式對稱的影子，由此引出用軸對稱的方法設計茶杯、花瓶，引導學生首先確定中軸，然后繪制茶杯外壁的切面輪廓，圍繞中軸一周完成茶杯的建模。

中國古代建筑藝術體現出了中國傳統的精神文化，將它引入課堂，同時也增強了學生對傳統文化的認識。

例如在上《CAVE——挖洞語句》一課時，以“垃圾分類 從我做起”為主題，踐行社會主義核心價值觀，要求學生設計桌面垃圾桶。學生在設計作品的同時，通過搜集資料并結合微課，也學習到不少與垃圾分類相關的知識。

例如在上《卷曲草圖面》一課時，利用微課介紹豐富多彩的人工智能應用，引導學生結合時下網絡通訊技術、智能云端控制、個性化需求等熱點話題，設計一款智能手環，并附上“使用說明”，讓學生充分展開想象的翅膀投入創作。

通過情境營造，創設生動的場景或氛圍，讓學生充分發揮想象力和創造力，從而培養了計算思維、編程能力及空間設計能力。同時，也對學生進行藝術與傳統文化熏陶。

思維是人類認識世界的框架，思維是在能力培養的過程中形成的，從能力上升到思維，是3D打印課程的應有之義。隨著信息化時代的到來， 發展計算思維顯得越發重要。指向計算思維核心素養的3D教學，并非簡簡單單學習一個造物的過程，而是要幫助學生經歷一個觀察、發現、思考、繪制、建模、呈現、展示、分享的完整3D“造物”過程，使學生親歷一件作品“從無到有”的創作體驗，在學生的思維中，搭建起一座虛擬與現實互通的橋梁[2]。

核心素養從頂層設計到基層落實，還有很長的一段路要走。隨著課程改革的不斷深入，全面落實以培養“全面發展的人”為核心的教育目標會在教育實踐中找到合適的對接點，并逐漸落地生根。

參考文獻

[1]普通高中信息技術課程標準（2017版）[M].北京：人民教育教育出版社，2018-01。

[2]張婷婷. 搭建一座從虛擬到現實的橋梁——基于信息技術核心素養的3D課程設計[D]. 山東省淄博市博山區山頭鎮中心學校， 2018。