指向計算思維培養(yǎng)的“程序設(shè)計”教學(xué)

談海亞

摘要：計算思維是迎接與適應(yīng)信息化社會發(fā)展的一項重要技能，是信息科技課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一。在初中學(xué)段，“程序設(shè)計”教學(xué)是計算思維培養(yǎng)的重要途徑。從計算思維的“抽象”和“自動化”內(nèi)涵視角，架構(gòu)（微）項目設(shè)計、問題分解、抽象建模、設(shè)計算法及評估編程等環(huán)節(jié)的“程序設(shè)計”教學(xué)框架，并以《設(shè)計垃圾分類模擬小游戲》一課為例具體說明。

關(guān)鍵詞：計算思維;程序設(shè)計;初中信息技術(shù);《設(shè)計垃圾分類模擬小游戲》

一、指向計算思維培養(yǎng)的“程序設(shè)計”教學(xué)架構(gòu)

計算思維，指個體運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計等思維活動。在日新月異的信息化社會，計算思維是迎接與適應(yīng)社會發(fā)展的一項重要技能，與“讀、寫、算”能力同等重要。為此，新課程背景下，如何發(fā)展學(xué)生的計算思維，成為信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)的新訴求。

縱觀信息技術(shù)課程，程序設(shè)計是學(xué)科的核心內(nèi)容，也是最接近計算機工作原理的內(nèi)容。同時，其中的算法與編程等內(nèi)容的學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)學(xué)生抽象邏輯思維、創(chuàng)造思維的培養(yǎng)，是計算思維培養(yǎng)的重要途徑。但是，傳統(tǒng)的程序設(shè)計教學(xué)常囿于語法知識及內(nèi)容單一的枯燥訓(xùn)練中，無法企及學(xué)生計算思維的培養(yǎng)。

有學(xué)者將計算思維的本質(zhì)特征描述為抽象（Abstraction） 與自動化（Automation）。具體而言，抽象是以抽象思維的方式，將現(xiàn)實生活中的問題轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的模型化問題。自動化是計算機根據(jù)預(yù)設(shè)的算法、程序自動執(zhí)行任務(wù)，是計算機工作原理的重要屬性。顯然，抽象是方法，包含了問題分解、抽象建模及算法思想等思維活動;自動化則是結(jié)果，包含了編程、調(diào)試、評估等思維活動。

由此，運用《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提倡的項目學(xué)習(xí)方式，架構(gòu)“程序設(shè)計”的教學(xué)思路為（微）項目設(shè)計、問題分解、抽象建模、設(shè)計算法及評估編程等五個環(huán)節(jié)（如圖1）。實際教學(xué)時，每一環(huán)節(jié)雖有先后次序，但環(huán)節(jié)之間又需要不斷地交叉和融合、關(guān)聯(lián)和滲透。

二、指向計算思維培養(yǎng)的“程序設(shè)計”教學(xué)實踐

下面，以《設(shè)計垃圾分類模擬小游戲》一課為例，具體說明指向計算思維培養(yǎng)的“程序設(shè)計”教學(xué)。

（一）（微）項目設(shè)計

（微）項目設(shè)計即確定項目主題，關(guān)鍵是創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活實際的任務(wù)情境。（微）項目設(shè)計創(chuàng)設(shè)的任務(wù)情境，區(qū)別于小學(xué)階段以課時內(nèi)容為指向的驅(qū)動任務(wù)，更具綜合性、實踐性、趣味性和創(chuàng)新性。

《設(shè)計垃圾分類模擬小游戲》一課的項目主題為“垃圾分類”，教師創(chuàng)設(shè)了如下任務(wù)情境：

為打造美麗校園，學(xué)校準(zhǔn)備啟動“垃圾分類，保護(hù)環(huán)境”主題活動。為了讓更多的同學(xué)熟悉垃圾分類并準(zhǔn)確進(jìn)行垃圾投放，現(xiàn)需要開發(fā)設(shè)計一款簡單明了的垃圾分類模擬小游戲，提供的部分素材見圖2。

（二）問題分解

問題分解就是把一個復(fù)雜的實際問題分解成若干可行性更強的小問題，通過聚焦小問題、解決小問題，實現(xiàn)整體問題的解決。這既是自上而下的設(shè)計方法，也是化繁為簡的思維抽象和創(chuàng)作過程。

教學(xué)中，略顯粗放的項目任務(wù)“設(shè)計垃圾分類模擬小游戲”往往讓學(xué)生一頭霧水、無所適從。為此，師生需要共同提煉出項目的總問題，如：圍繞“垃圾分類”主題，如何完成一個模擬游戲的設(shè)計？隨后，師生進(jìn)一步把總問題分解為若干個小問題，如：垃圾分類模擬游戲的場景是什么？游戲中出現(xiàn)幾個角色？游戲的規(guī)則是什么？每個角色負(fù)責(zé)完成哪些功能？如何結(jié)束游戲？

經(jīng)上述小問題的分解和梳理，“設(shè)計垃圾分類模擬小游戲”的項目任務(wù)就分解為：香蕉皮、舊電池、舊書籍等垃圾隨機出現(xiàn)、落下;垃圾箱在上下左右移動中要變換不同的造型來準(zhǔn)確收集垃圾;等等。

（三）抽象建模

本環(huán)節(jié)需要通過抽取類似（抽象）的這一方法，剖析問題本質(zhì)，消除自然語言中的二義性，形成可計算的數(shù)字代碼并建立模型。其中，抽象作為科學(xué)研究的重要方法，也是計算思維的本質(zhì)。學(xué)生雖經(jīng)歷過數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中的抽象，但面向計算機科學(xué)的抽象仍然是一個學(xué)習(xí)難點，尤其是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計。

例如，“設(shè)計垃圾分類模擬小游戲”項目中，“垃圾箱”角色要上下左右移動。以“垃圾箱”向右移動為例。學(xué)生眼里看到的是“垃圾箱”正向地往右走，就像生活中人物往前走一樣。此時的抽象，就是要把生活中“向前走”的認(rèn)知經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為移動時的“方向”和“步數(shù)”兩方面的問題。而關(guān)于方向的抽象也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點。為此，借助數(shù)學(xué)中的角和角度來表示、說明。在消除了自然語言中關(guān)于“向前走”的二義性后，“垃圾箱”向右移動的問題就迎刃而解，形成了可計算的數(shù)字代碼——面向90度，將x坐標(biāo)增加10。

學(xué)生經(jīng)歷上述行走問題的抽象和實踐體驗后，類似的問題都可迎刃而解，適用于任何角色，而無關(guān)角色的名稱、大小、外形等。

建模是對事物或過程進(jìn)行抽象后的形式化的表現(xiàn)，也就是構(gòu)造抽象的模型（模型有很多種表現(xiàn)手法，如圖形、代碼、表格等）。建模就是讓學(xué)生經(jīng)歷分析問題、解決問題的過程，也是為后續(xù)設(shè)計算法做鋪墊。

例如，“設(shè)計垃圾分類模擬小游戲”項目要實現(xiàn)對舊電池垃圾的分類并積分。經(jīng)抽象后，發(fā)現(xiàn)既可以是“舊電池”碰到“有害垃圾箱”觸發(fā)“隱藏”命令并積分;也可以是“舊電池”被“有害垃圾箱”碰到觸發(fā)“隱藏”命令并積分。即有些動作行為既可以讓角色1（舊電池）去完成，也可以讓角色2（有害垃圾箱）去完成。以前者為例，借助程序設(shè)計的選擇結(jié)構(gòu)，通過關(guān)系符號（>、<、=、≥、≤、≠）建立相應(yīng)的關(guān)系表達(dá)式，并設(shè)置變量，從而形成具體的積木代碼模型（如圖3）。

學(xué)生實踐后發(fā)現(xiàn)，游戲如果要進(jìn)一步迭代升級，當(dāng)出現(xiàn)更多不同種類的垃圾（果皮、剩菜……）時，只需要復(fù)制“舊電池” 角色的腳本代碼，稍作修改，就能重復(fù)使用。

（四）設(shè)計算法

算法是解決問題的方法和步驟，更是編程的靈魂。設(shè)計算法，即對要解決的問題進(jìn)行分析，擬訂出一套解決的方法與步驟。于學(xué)生而言，對抽象的算法概念及同一問題可以有不同的算法，不同的算法在解決具體問題時又常有優(yōu)劣之分等，這倒不是很難理解，但要依據(jù)實際問題設(shè)計算法，常常需要經(jīng)歷并準(zhǔn)確調(diào)用程序設(shè)計的三種邏輯結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。

例如，“設(shè)計垃圾分類模擬小游戲”項目中，判斷游戲是否繼續(xù)、垃圾（舊電池等）是否碰到地平線、垃圾是否碰到垃圾箱要用到分支結(jié)構(gòu)，垃圾下落、垃圾隱藏、積分增加是順序結(jié)構(gòu)，垃圾重復(fù)下落是循環(huán)結(jié)構(gòu)。由此，學(xué)生得到圖4所示的程序設(shè)計流程圖。

（五）評估編程

評估編程是編程的最后一個環(huán)節(jié)，主要是對算法作出評估并編寫、調(diào)試程序代碼實現(xiàn)自動化。此時，學(xué)生思維由先前的抽象轉(zhuǎn)化為操作數(shù)字代碼，并體驗計算機的自動化執(zhí)行，感受編程的神奇魅力。實際教學(xué)中，選擇門檻低的積木式編程語言，便于學(xué)生完整經(jīng)歷垃圾分類模擬小游戲的具體編寫、調(diào)試和評估。

編寫、調(diào)試程序時，學(xué)生難免會遇到各種問題。比如，游戲每一次重啟后，各角色需回到初始狀態(tài)，學(xué)生最初并沒有角色“初始化”的概念，而經(jīng)歷調(diào)試后發(fā)現(xiàn)角色都“跑偏”甚至找不到了，這才建立起角色“初始化”的概念以及掌握如何進(jìn)行代碼設(shè)置。又如，對舊電池的分類，有學(xué)生反映明明寫了正確的判斷（分支）語句，卻調(diào)試失敗，究其原因是缺少循環(huán)語句下的多次判斷。由此，編寫、調(diào)試成為一個實踐求證的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生常常需要在試錯、迂回中作出修改，繼而生長思維。

而評估過程，又往往會發(fā)現(xiàn)項目的迭代升級空間，進(jìn)而創(chuàng)造出新的項目。比如，有學(xué)生提出，為了增加游戲的緊張感，可以設(shè)置倒計時;垃圾分類可以設(shè)置不同的游戲場景、角色、玩法（積分型、迷宮型）等。

在日新月異的信息化社會，發(fā)展學(xué)生的計算思維，讓他們能夠“像計算機專家一樣”思考信息化問題，是新課程背景下信息技術(shù)教學(xué)的價值擔(dān)當(dāng)?！俺绦蛟O(shè)計”教學(xué)是計算思維培養(yǎng)的重要途徑，應(yīng)努力讓學(xué)生在真實的情境中學(xué)會用計算機處理問題的方式分析問題、解決問題，進(jìn)而掌握編程思想，發(fā)展計算思維。