計算思維在Scratch程序設(shè)計 教學(xué)中的實踐

黃紅偉

摘要：本文首先對計算思維相關(guān)概念進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出使用計算思維進(jìn)行教學(xué)的方法和注意事項;然后以Scratch小車巡線為例，對使用計算思維進(jìn)行具體教學(xué)進(jìn)行了展示和分析，并在此過程中進(jìn)一步闡釋了計算思維的核心思想;最后對計算思維在教學(xué)中的使用進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：計算思維;Scratch;編程教學(xué);小車巡線

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2019）19-0037-04

● 引言

計算思維在當(dāng)前教育領(lǐng)域備受關(guān)注，除了信息技術(shù)教師，國內(nèi)外眾多專家、教授也正在開展相關(guān)研究。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確指出，信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四個核心要素組成。[1]計算思維逐步走進(jìn)中學(xué)信息技術(shù)教師的視野。在國外中小學(xué)信息技術(shù)教育中計算思維也備受關(guān)注。美國計算機(jī)學(xué)科教師協(xié)會（Computer Science Teacher Association）2011年推出了新版本“K-12計算機(jī)課程標(biāo)準(zhǔn)”，計算思維是其重要內(nèi)容之一。2013年英國公布新的中小學(xué)國家課程——計算（Computing），取代原來的ICT（Information and Communication Technology），計算思維也是其重要內(nèi)容。計算思維在國內(nèi)外都引起高度重視。因此，在中小學(xué)如何有效地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維值得探討。

● 計算思維的概念及理解

2006年，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計算機(jī)權(quán)威刊物Comimmications of the ACM上提出計算思維（Computational Thinking）的概念。周教授從計算機(jī)實際教學(xué)出發(fā)對計算思維進(jìn)行了闡釋。周教授認(rèn)為，計算思維是運用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。[2]可以看到，計算思維的思想來源于計算機(jī)科學(xué)，整個邏輯體系有明顯的算法思維。

2013年，英國南安普敦大學(xué)的Cynthia Selby博士和John Woollard博士提出計算思維包括算法思維（Algorithmic Thinking）、評估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括 （Generalisation）這五個方面的要素。[3]算法思維是采用編程解決問題的方式，首先對問題進(jìn)行抽象，建立模型，然后將大的問題分解、細(xì)化，最后通過編程解決問題。計算思維源于計算機(jī)學(xué)科，其內(nèi)涵在算法思維基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展和升華。計算思維的核心是通過流程控制，讓受眾找到解決問題的方法，再按照明確步驟一步步解決。該思想不僅僅適用于計算機(jī)相關(guān)學(xué)科，同樣適用于其他所有學(xué)科及我們的日常生活。

● 基于計算思維的Scratch教學(xué)

Scratch是麻省理工學(xué)院的終身幼稚園團(tuán)隊（Lifelong Kindergarten Group）開發(fā)的圖形化編程工具，主要面對青少年開放。在Scratch編程作品中最常用的計算概念有七個：順序、循環(huán)、并行、事件、條件、運算符和數(shù)據(jù)。[4]相對于代碼形式編程，Scratch具有如下優(yōu)勢：①將代碼封裝為可以拖動的“積木塊”，更易上手。②通過不同積木塊可以實現(xiàn)簡單的圖片、音頻以及動畫效果，趣味性強(qiáng)。③圖形化代替代碼編程，避免了語法錯誤，節(jié)省了語法調(diào)試時間。

Scratch編程因其趣味性及易用性而迅速在國內(nèi)外中小學(xué)普及。國內(nèi)很多中小學(xué)都開設(shè)了Scratch編程課程，但同時也暴露出許多問題，如：①各階段（小學(xué)、初中以及高中）教學(xué)重點不突出，沒有層次感;②Scratch軟件內(nèi)容講解遠(yuǎn)勝于程序思維培養(yǎng);③以結(jié)果為導(dǎo)向，重結(jié)果，輕過程，即教師在安排教學(xué)任務(wù)時太注重學(xué)生對知識點的掌握和作業(yè)完成情況，而忽略了問題分析、思維引導(dǎo)，從而導(dǎo)致思維培養(yǎng)的缺失。

編程課程原本是最好開展計算思維培養(yǎng)教學(xué)的課程，卻由于上述原因?qū)е聦W(xué)生計算思維能力培養(yǎng)的弱化。因此，筆者在前文中一直稱其為“Scratch編程教學(xué)”，而實際上應(yīng)為“Scratch程序設(shè)計教學(xué)”。前者的重點是“編程”，重在體驗與實踐，后者的落腳點則是“設(shè)計”，注重學(xué)生思維的培養(yǎng)、能力的形成。Scratch教學(xué)應(yīng)該以學(xué)生計算思維培養(yǎng)為核心，注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，而不是軟件操作、技能學(xué)習(xí)。所以，教師在教學(xué)設(shè)計時應(yīng)該分配更多時間在問題引導(dǎo)、問題分析上，弱化具體知識與技能。當(dāng)然，也可以利用自學(xué)手冊或者自主學(xué)習(xí)平臺讓學(xué)生完成知識與技能的學(xué)習(xí)。

● 計算思維在Scratch教學(xué)中的實踐

在中小學(xué)Scratch教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容，在把握整體的前提下合理分配教學(xué)任務(wù)，考慮計算思維的各方面要素，或利用其中一種或幾種思維方式來設(shè)計課堂教學(xué)活動。下面，筆者通過“巡線小車”的教學(xué)案例來分析如何在Scratch教學(xué)中實現(xiàn)對學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)。

1.巡線小車任務(wù)

要完成小車巡線，首先需要完成小車的繪制和巡線軌跡的繪制，教師先準(zhǔn)備好如圖1所示的簡易小車模型并繪制巡線軌跡，如圖2所示。

然后將小車角色大小設(shè)為定值，起始坐標(biāo)統(tǒng)一。每位學(xué)生都需要設(shè)計程序完成小車從起點通過巡線到達(dá)終點的任務(wù)，并且在巡線過程中不能出現(xiàn)飛線的情況（飛線：小車頭部兩個圓出現(xiàn)在黑線的同一側(cè)）。為了增加課堂的趣味性，同時發(fā)揮學(xué)生的競爭意識，這里加入背景音樂和計時器功能，每位學(xué)生都可以看到自己小車巡線完成需要的時間。初始化代碼如上頁圖3、圖4所示。

在教學(xué)安排上，教師應(yīng)該提前將課堂任務(wù)所需的素材準(zhǔn)備好，這樣可以有效節(jié)省課堂時間，為計算思維培養(yǎng)留出足夠時間。