基于計算思維的小學Scratch編程教學模式構建

楊桂冰 楊文娟

摘 要：在信息技術學科領域，計算思維是重點培養的思維方式。中小學信息技術教師在教學實踐中滲透計算思維的培養，能提高學生問題解決的能力，同時鍛煉他們的邏輯思維。本文闡述了計算思維的操作性定義，指出在小學Scratch編程教育中滲透計算思維教育的可能性。筆者從計算思維的基礎概念出發，以計算思維問題解決過程的六個要素為設計依據，構建了基于計算思維的小學Scratch編程教學模式，包括“創設情境，明確問題”、“角色分析，行為梳理”、“畫流程圖”、“搭建腳本，設計程序”、“修改腳本，優化程序”以及“交流分享，再創作”六個流程。為了體現教學模式的流程設計，本文詳細講述了具體的教學案例。希望能為中小學信息技術教師開展Scratch教學提供一些參考。

關鍵詞：計算思維;小學信息技術;Scratch編程教育;教學模式

一、引言

周以真教授在2006年提出：“計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。”[1]在周教授定義了這個概念以后，國內外計算機界和教育界的研究熱點便指向了計算思維。簡單而言，計算思維就是利用簡約、轉換、抽象、分解、建模、糾錯等方法來解決一個復雜問題的過程。[2]在我國2017年新課程標準改革中，凝練了信息技術學科的核心素養，同時也將計算思維定為信息技術學科核心素養之一。因此，這一問題非常值得我國中小學信息技術教師認真思考——如何培養學生的計算思維。

二、計算思維的操作性定義

計算思維的操作性定義是在2011年，由美國國際教育技術協會（ISTE）聯合計算機科學教師協會（CSTA）提出的。基于計算思維的表現性特征，他們認為：計算思維是一個問題解決過程，并且包括以下六個要素——明確問題、分析數據、抽象、設計算法、評估最優方案、遷移解決方法。[3]

（1） “明確問題”是解決復雜問題的前提，是指人們能夠將待解決的復雜問題重新闡述成一個利用數字化工具能解決的問題。（2）為了能夠順利地解決問題，人們首先需要“分析數據”。通過合理地分析數據、組織數據，理清其中的邏輯關系，降低問題的難度。（3）“抽象”的目的在于呈現分析后的數據，可以使用模型或模擬等方法。（4）在問題解決過程中，“設計算法”是關鍵。通過設計一系列有序的步驟，解決問題的方案就會慢慢浮現。（5）為了達到步驟與資源的最有效整合，還需“評估最優方案”，找到最合理、最高效的解決方案。（6）“遷移解決方法”是指歸納、總結問題解決的過程與方法，并將其遷移、應用到其他問題的解決上。所以說，計算思維指的是一個過程，是計算機或人類借助數字化工具一步一步解決復雜問題的過程。

三、Scratch編程教學與計算思維

在我國小學信息技術課程開展中，編程教育早已遍地開花。而Scratch編程軟件，是教師們開展編程教育應用最普遍的教學工具。在進行編程學習時，學生在設計算法之前必須分析任務，明確待解決的問題。然后，借助教師提供的學習資料，自主地設計程序以解決問題。學生在Scratch編程的學習過程與計算思維問題解決的過程有許多相似、共通之處。所以，可以將Scratch編程教學作為計算思維教育的有效途徑。如何在Scratch教學中滲透計算思維的培養，這一問題值得中小學信息技術教師深入思考與研究。

四、基于計算思維的小學Scratch編程教學模式

筆者從計算思維的基礎概念出發，以計算思維問題解決過程中的六個要素為設計依據，并結合Scratch教學中采用的策略，構建了以培養學生計算思維為導向的小學Scratch編程教學模式（如圖1）。本教學模式包括“創設情境，明確問題”、“角色分析，行為梳理”、“畫流程圖”、“搭建腳本，設計程序”、“修改腳本，優化程序”以及“交流分享，再創作”六個教學流程。

該教學模式圖包含三層，中間層為教學模式設計的主要依據——計算思維問題解決過程中的六個要素。上層為培養學生計算思維過程中教師“教”的流程，下層為學生在課堂中“學”的流程。教師通過創設情境、提供學習工具、整理學習資源、問題引領等策略，引導學生自主完成各個環節的小任務。隨著各環節任務的完成，學生的計算思維能力會逐漸形成。并且，隨著學生逐漸學會如何去分析問題，他們問題解決的能力也會有所提高。學生在具體的情境中明確問題，通過角色分析、流程梳理來分解問題，通過畫流程圖理清思路。設計程序解決問題，并不斷改進程序、優化算法。最后，勇于分享和表達自己的設計思路和創意，建立學習編程的信心。總結問題解決的方法和過程，并嘗試遷移到其他問題的解決上，形成良好的計算觀念。

五、基于計算思維的小學Scratch編程教學案例

下面以“玩轉籃球”一課為例，詳細闡述基于計算思維的小學Scratch編程教學模式。在本課中，學生需要完成“玩轉籃球”作品。在作品中，小貝在聽到主持人的命令后開始轉動籃球，進行花式籃球的表演。

1.創設情境，明確問題

本課例的情境為：“一年一屆的厚街鎮小學生籃球比賽在體育公園拉開帷幕，小貝作為賽前花式籃球表演的一員，為大家獻上了精彩的表演！”為了便于學生理解情境、激發他們的創作興趣，教師創設的情境需要更接近學生的生活與學習。通過體驗Scratch教學實例，學生明確了本節編程課最終要實現的效果。在本環節中，學生必須明確問題，才能完成計算思維問題解決的第一步。

2.角色分析，行為梳理

學生通過小組交流討論來完成“作品分析卡”，主要分析兩個問題：（1）各個角色都有哪些動作行為？并匹配出對應的Scratch積木塊。利用Scratch積木塊表示出角色的動作行為，也是在鍛煉學生抽象的計算思維能力。（2）角色與角色的行為之間是否存在一些邏輯關系？用簡單的話告訴學生，也就是角色行為之間的先后關系。通過分析這兩個問題，學生將角色的行為都進行了分解，并且理清了中間的邏輯關系。所以，在學生分析和思考的過程中，他們分析問題的能力和邏輯思維能力都能夠得到很好的鍛煉。

3.畫流程圖

本環節學生要完成的任務是：畫出各個角色的動作流程圖。利用流程圖將角色所有的動作行為按順序表示出來，能夠更容易地設計復雜程序的算法。在繪制流程圖的過程中，培養學生計算思維中的抽象能力，同時鍛煉他們的邏輯思維。

4.搭建腳本，設計程序

學生根據前面的分析梳理以及所畫的流程圖，拖拽積木塊進行腳本的搭建。學生一邊搭建腳本，一邊調試作品效果。程序的編寫在不斷地思考與嘗試中逐步完成。當學生未能成功搭建腳本時，教師引導其發現問題，再繼續調整程序，提高學生設計算法的能力。

5.修改腳本，優化程序

在本案例中，教師引導學生發現問題：在現實生活中，表演者不能控制每次籃球旋轉的次數，每次表演中籃球的旋轉次數都會不一樣，如何設置籃球的旋轉次數才更加合理呢？隨著問題的拋出，學生開始尋找問題解決的方法來改進程序。通過不斷地調整與測試，優化程序的意識會不知不覺地存在于學生的大腦中，從而培養學生計算思維中優化程序的能力。

6.交流分享，再創作

分享交流是Scratch教學中重要的一環。通過讓學生講述自己的設計思路和想法，能夠增強他們學習Scratch編程的信心。同時，教師引導學生總結程序創作的過程，慢慢培養學生歸納問題解決的方法，并引導其將方法遷移到其他程序的創作當中去。

六、反思

在運用基于計算思維的小學Scratch編程教學模式后，產生了不錯的效果。學生的計算思維能力得到了提升，分析問題、解決問題的能力也有所提高。學生在自主學習和解決問題的過程中，獲得了信心和滿足，學習編程的興趣也越來越濃厚。

但是，本教學模式也還存在幾點問題：（1）由于小學生感性思維占據主要部分，在作品分析時存在一定的難度，尤其是在分析角色之間的邏輯關系上。為此，教師應該認真思考解決辦法，為學生提供更好的“腳手架”，降低他們自主分析的難度。（2）再創作，體現的是學生對問題解決過程的總結以及方法的遷移運用，但概括方法對于小學生而言是過于抽象。在此環節，學生往往憑借自己的主觀認識或者是過程中的個別環節來完成作品，忽略問題解決的方法總結和遷移。

一個好的教學模式，需要更多實踐經驗的打磨來使其更加完美。筆者在今后的信息技術教學中，必將不斷地實踐與反思，改進本教學模式，更好地滲透計算思維的培養。

參考文獻：

[1] Jeannette M. Wing. Computational Thinking [J].Communications of the ACM， 2006， 49（3）：33-35.

[2] 謝忠新，曹楊璐.中小學信息技術學科學生計算思維培養的策略與方法[J].中國電化教育，2015，346：116-120.

[3] ISTE & CSTA. Computational thinking teaching in K-12 Education： teacher resources， second edition （2011） [DB/OL]. http：//csta.acm.org/ Curriculum/sub）/CurrFiles/472.11CTTeacherResources_2ed-SP-vF.pdf，2015-11-23.

[4]王旭卿.面向三維目標的國外中小學計算思維培養與評價研究[J].電化教育研究，2014，7：48-53.

[5]陳茂賢，何國星.基于計算思維培養的小學Scratch編程教學[J].教育信息技術，2017，10：53-57.

廣東省東莞市教育局教育科研2018年度規劃課題《基于“計算思維”的Scratch鎮本課程的開發與實踐》（課題編號2018GH317 ）成果之一