面向小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的可視化編程項(xiàng)目式教學(xué)

董洪艷 史明會(huì)

摘要：計(jì)算思維是小學(xué)信息技術(shù)課程核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容，在該課程實(shí)施過(guò)程中，需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)培養(yǎng)計(jì)算思維的良好情境。本文以可視化編程平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合PBL模式下的教學(xué)實(shí)踐案例，闡述如何在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)和提升學(xué)生的計(jì)算思維。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;小學(xué);PBL

中圖分類(lèi)號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）11-0031-03

計(jì)算思維是個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。目前，在小學(xué)階段培養(yǎng)計(jì)算思維主要是借助可視化編程工具，采用編程教學(xué)進(jìn)行計(jì)算思維的外化表征。但在教學(xué)實(shí)踐中筆者發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生傾向于編程知識(shí)的學(xué)習(xí)和游戲進(jìn)階的闖關(guān)，隨著難度的遞增，學(xué)習(xí)興趣和對(duì)優(yōu)化解決方案的訴求逐漸減弱，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，不利于計(jì)算思維的培養(yǎng)。因此，筆者嘗試基于PBL模式設(shè)計(jì)創(chuàng)意項(xiàng)目，結(jié)合機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等外設(shè)，模擬完成項(xiàng)目中所需要的角色和動(dòng)作，以此來(lái)鞏固編程知識(shí)，同時(shí)達(dá)到培養(yǎng)計(jì)算思維的目的。

● 構(gòu)建項(xiàng)目?jī)?nèi)容，培養(yǎng)計(jì)算思維

一個(gè)真實(shí)的、有挑戰(zhàn)性的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。學(xué)生首先結(jié)合日常生活，尋找想要解決的問(wèn)題，在確定驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的過(guò)程中，通過(guò)判斷問(wèn)題解決的可行性和迫切性，增加團(tuán)隊(duì)成員對(duì)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的認(rèn)可度。在解決問(wèn)題過(guò)程中，筆者引導(dǎo)學(xué)生以“算法”的思維方式來(lái)思考問(wèn)題，將大的問(wèn)題抽象分解成許多小的問(wèn)題，直到小的問(wèn)題能夠自動(dòng)化解決。在解決問(wèn)題時(shí)，按功能順序排列來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終為問(wèn)題的解決提出一個(gè)方案。學(xué)生需要在真實(shí)情境中分析各角色的任務(wù)分工，如何相互配合，最終完成任務(wù)，教師重點(diǎn)對(duì)學(xué)生的思維進(jìn)行誘導(dǎo)、指引和總結(jié)歸納。

筆者將計(jì)算思維的五個(gè)維度作為核心培養(yǎng)內(nèi)容，構(gòu)建了基于PBL模式的計(jì)算思維培養(yǎng)模式（如下頁(yè)圖）。該模型是由基于PBL模式的教學(xué)實(shí)踐循環(huán)圈和計(jì)算思維核心能力實(shí)踐循環(huán)圈組成。通過(guò)構(gòu)建項(xiàng)目?jī)?nèi)容，解決生活中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，將項(xiàng)目情境和實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合。

● 數(shù)據(jù)調(diào)查，確定驅(qū)動(dòng)問(wèn)題

學(xué)生通過(guò)關(guān)注新聞、數(shù)據(jù)調(diào)查等方式，了解到每年暑假總會(huì)發(fā)生溺水事故，而錯(cuò)誤的救援方式往往是導(dǎo)致悲劇的原因之一。有沒(méi)有辦法預(yù)防溺水？或在有人遇險(xiǎn)時(shí)怎樣及時(shí)采取正確的救援方式？基于這一真實(shí)問(wèn)題，學(xué)生提出嘗試?yán)弥悄軝C(jī)器人解決問(wèn)題，并最終確定小組的項(xiàng)目主題——海邊救援。教師通過(guò)播放溺水新聞視頻和救援視頻，引導(dǎo)學(xué)生分析救援任務(wù)，進(jìn)行人員分工。

結(jié)合PBL培養(yǎng)計(jì)算思維的模式，在確定驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)語(yǔ)言描述和模擬道具等方式，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景再現(xiàn)，并合作探究嘗試編寫(xiě)程序，計(jì)算思維開(kāi)始進(jìn)入萌芽階段。

● 設(shè)計(jì)方案，認(rèn)領(lǐng)任務(wù)

學(xué)生在設(shè)計(jì)方案時(shí)，通過(guò)頭腦風(fēng)暴，將能夠想到的項(xiàng)目?jī)?nèi)容全部記錄并篩選。最終得出以下解決方案：無(wú)人機(jī)在空中全方位觀測(cè)，根據(jù)海面上人數(shù)的突發(fā)性變化來(lái)判斷險(xiǎn)情;通過(guò)懸停在被救人員上方，來(lái)定位救援位置。學(xué)生將海灘場(chǎng)景分為黃色海灘（安全區(qū)）、藍(lán)色深海（危險(xiǎn)區(qū)），便于EV3機(jī)器人巡線開(kāi)展救援，用編程控制機(jī)器人扮演遇險(xiǎn)者（如下表）。學(xué)生在討論中，已經(jīng)呈現(xiàn)了計(jì)算思維的初步應(yīng)用。

● 問(wèn)題抽象，算法實(shí)現(xiàn)

抽象是指將與問(wèn)題無(wú)關(guān)的特征和模式去除，只留下相關(guān)核心的屬性，直到確定一個(gè)共性的問(wèn)題或建立解決這類(lèi)問(wèn)題的模式。在海邊救援項(xiàng)目實(shí)施中，EV3機(jī)器人搜救是整個(gè)項(xiàng)目最核心的部分，也是最難的部分。筆者引導(dǎo)學(xué)生將具體的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成抽象的算法，將算法轉(zhuǎn)化成流程圖在組內(nèi)討論，最后由流程圖轉(zhuǎn)換程序指令，強(qiáng)化算法的分析，用程序設(shè)計(jì)解決實(shí)際問(wèn)題，整個(gè)過(guò)程，學(xué)生經(jīng)歷了三次抽象。在具體實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生很自然地將任務(wù)分解、細(xì)化。整個(gè)搜救的技術(shù)任務(wù)分為搜索、移動(dòng)、抓取三部分，而搜索部分的重點(diǎn)在于器材選擇和搜索算法。

（1）在器材方面，用可視化編程語(yǔ)言來(lái)控制機(jī)器人扮演遇險(xiǎn)者，用無(wú)人機(jī)來(lái)定位，用EV3搭建救援機(jī)器人。在整個(gè)項(xiàng)目中，救援機(jī)器人是重點(diǎn)，學(xué)生考慮了兩個(gè)問(wèn)題：第一，現(xiàn)實(shí)中海灘會(huì)有凸凹不平的路況，因此救援機(jī)器人摒棄了常用的輪胎結(jié)構(gòu)，采用履帶式結(jié)構(gòu)。第二，選擇什么傳感器進(jìn)行移動(dòng)探測(cè)？如何實(shí)現(xiàn)反復(fù)巡視的效果？學(xué)生提出兩種方案，采用超聲波傳感器或灰度傳感器，在嘗試灰度傳感器時(shí)，發(fā)現(xiàn)在機(jī)器人沿線（如黑線）行走時(shí)，是根據(jù)黑白色灰度值來(lái)判斷機(jī)器人是否行走在線上。由于軌跡線的顏色不是絕對(duì)均勻，機(jī)器人在行走的過(guò)程中行進(jìn)路線經(jīng)常有偏差，不穩(wěn)定，因此，最終采用了超聲波傳感器。

（2）在搜索算法方面，在搭建搜索機(jī)器人時(shí)，超聲波傳感器是機(jī)器人的眼睛，指向前方，如果需要在橫向巡邏的時(shí)候搜索海面，就必須讓機(jī)器人按照一定的頻率轉(zhuǎn)向海面方向，但這會(huì)造成代碼較復(fù)雜，缺乏效率。經(jīng)過(guò)討論和測(cè)試，學(xué)生決定在機(jī)器人的頭部和右側(cè)各安裝一部超聲波傳感器，通過(guò)側(cè)向傳感器判斷是否存在“遇險(xiǎn)人員”，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)之后再轉(zhuǎn)身，通過(guò)正向超聲波確定救援的移動(dòng)方向。并且，在移動(dòng)的過(guò)程中，在通過(guò)減少電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度降低移動(dòng)速度的同時(shí)，用循環(huán)語(yǔ)句不斷對(duì)正向超聲波返回的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，確定目標(biāo)的精確位置。然后根據(jù)精確位置和距離讀數(shù)，調(diào)整搜救機(jī)器人的正面朝向和移動(dòng)方向，以此確保機(jī)械臂可以朝向并接觸目標(biāo)，利用機(jī)器臂來(lái)完成救援工作。學(xué)生在具體分析程序時(shí)，鞏固了之前所學(xué)習(xí)的函數(shù)、循環(huán)、條件判斷等編程概念，計(jì)算思維開(kāi)始進(jìn)入發(fā)展階段。

● 迭代思維，解決問(wèn)題

在完成項(xiàng)目中的救援抓取任務(wù)時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)機(jī)械抓手對(duì)準(zhǔn)被救人員是難點(diǎn)，而在執(zhí)行救援任務(wù)時(shí)，被救人員是否在抓取的有效范圍內(nèi)，也是完成救援任務(wù)的關(guān)鍵。為了控制難度，保護(hù)學(xué)生的創(chuàng)造力，筆者引導(dǎo)學(xué)生在程序設(shè)計(jì)上運(yùn)用了一個(gè)循環(huán)語(yǔ)句反復(fù)檢測(cè)與被救人員的距離，當(dāng)正向超聲波傳感器返回讀數(shù)小于設(shè)定值時(shí)停止前進(jìn)。在使用循環(huán)語(yǔ)句確保持續(xù)探測(cè)的同時(shí)，還要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)應(yīng)的移動(dòng)距離，每次循環(huán)都會(huì)重新探測(cè)機(jī)器人和被救人員的距離，并且與所設(shè)置的條件數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以確定是否達(dá)到最佳位置，是否要停止當(dāng)前動(dòng)作轉(zhuǎn)而執(zhí)行下一動(dòng)作。這個(gè)過(guò)程體現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)的迭代思維，計(jì)算思維進(jìn)入深入階段。

● 評(píng)價(jià)反饋，分享成果

在整個(gè)實(shí)踐過(guò)程中，筆者鼓勵(lì)組間相互交流、分享策略，在進(jìn)行過(guò)程性評(píng)價(jià)時(shí)，鼓勵(lì)組內(nèi)學(xué)生自我評(píng)估。除了對(duì)程序功能是否完成做出評(píng)價(jià)外，筆者更注重對(duì)學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)、溝通合作、算法思維等多方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的培養(yǎng)。在小組展示的過(guò)程中，所有學(xué)生再次進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，在質(zhì)疑的同時(shí)，不斷糾錯(cuò)調(diào)試，最終形成解決方案。同時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)目的明確，過(guò)程有趣，自主學(xué)習(xí)熱情高漲，整體參與度高，計(jì)算思維開(kāi)始進(jìn)入鞏固階段。

● 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算思維教育的目的是希望學(xué)生在分析和解決問(wèn)題的過(guò)程中，能夠在眾多信息中明確核心問(wèn)題，將具體問(wèn)題抽象成算法，讓計(jì)算機(jī)根據(jù)算法程序自動(dòng)化執(zhí)行。因此，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，教師的角色需要從知識(shí)的傳遞者變成引導(dǎo)者，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用編程解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通表達(dá)、批判性思維、創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

但是，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中仍然有很多需要反思的地方。PBL模式是以團(tuán)隊(duì)組建為基礎(chǔ)的，團(tuán)隊(duì)的組建和分工合作不是一步到位的，需要貫穿學(xué)生學(xué)習(xí)的整個(gè)過(guò)程。成員的搭配要綜合考慮互補(bǔ)或進(jìn)階。項(xiàng)目式教學(xué)在評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，根據(jù)學(xué)生展示的作品來(lái)診斷學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，而互補(bǔ)性團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目呈現(xiàn)外顯效果往往沒(méi)有進(jìn)階型團(tuán)隊(duì)的成熟。為了增強(qiáng)外顯效果，學(xué)生往往需要利用大量的課后時(shí)間，花費(fèi)精力去不斷調(diào)試和和組建機(jī)器人，這同時(shí)也對(duì)學(xué)生和教師的綜合能力提出了更高的要求。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者后續(xù)將進(jìn)一步探索和優(yōu)化。

基金項(xiàng)目：合肥市教育信息技術(shù)研究課題“基于Swift Playgrounds培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的實(shí)踐研究”（課題號(hào)：HDJ21015）。