基于DBL模型的小學計算思維教學設計
——以《貓捉老鼠》流程圖設計為例

孔靜靜 南昌大學教育發展研究院

基于設計的學習（Designbased Learning，簡稱DBL）是一種適用于小學階段的、基于問題解決的探究教學模式，引導學生通過設計問題解決方案發展計算思維。流程圖作為一種圖形分析方法，是促進學生理解程序邏輯關系的有效手段，有助于把學生頭腦中“思”的結果轉化為描述語言外顯出來，是思維發聲的工具。將流程圖設計嵌入DBL支持下的可視化編程學習過程中，有利于幫助小學生厘清解決問題的步驟，促進小學生計算思維的發展。

● 促進計算思維培養的DBL模型構建

目前，在國際上相對成熟且被大家廣泛采用的DBL模型主要有兩個：①多林·尼爾森提出的逆向思維學習過程模型，強調在學習過程中從高級推理到基本知識的學習，該模型的具體操作步驟有六步半，分別是需要教什么、確定問題、描述一個從未見過的挑戰、建立評價標準、學生動手嘗試、指導課程、反思設計；②克羅德納提出的基于設計的科學探究循環模型，它包含“設計/再設計”與“調查與探索”兩個循環過程，強調過程的迭代循環。這兩個DBL模型都注重“學生參與到設計中”，強調整個活動中設計和探索之間及內部的迭代循環。逆向思維學習過程模型具有動態、可逆、可修改的特點，但過于強調教師主導；基于設計的科學探究循環模型中的兩個循環可直接過渡，靈活性較高，但開始和結束的界限比較模糊，缺乏明確的指引。

綜合上述兩個DBL模型的優點，結合學生的計算思維培養現狀調查結果，本研究構建的面向計算思維培養的DBL模型包含教學內容層、基于設計的教學過程、基于設計的學習過程、計算思維目標層四個部分（如圖1）。

圖1

教學內容層即具體某一課的學習內容，通常聚焦于學習算法的邏輯、步驟，一般可以表現為流程圖的邏輯結構；基于設計的教學過程包含創設情境—提出問題、明確任務—分組合作、提取信息—構建原型、算法編程—迭代完善、成果展示—交流評價五個階段；基于設計的學習過程包含情境問題鑒定、協作方案設計、創造原型系統、算法編程學習、交流評價作品五個階段；計算思維目標層包含問題解決、協作、創造性思維、算法思維、批判性思維五個維度。該模型明確解決了四個核心問題：①教學內容是什么；②教師如何教；③學生如何學；④學習結果是什么。

● 聚焦流程圖設計的DBL教學實踐探索

本文以山東教育出版社出版的信息技術教材第4冊《走進圖形化編程的世界》第3課《貓捉老鼠》為例，利用圖形化編程軟件進行面向計算思維培養的教學實踐研究。前面兩節課學生已經學習了增添角色、使用鍵盤和控件移動角色等基礎知識，本節課主要學習“重復執行”和“如果……那么……”兩種指令，這兩種指令分別對應流程圖的循環結構和選擇結構，通過指令的學習帶領學生體驗流程圖在整個游戲設計中的重要作用。依據DBL模型進行教學設計，流程圖設計主要體現在“提取信息—構建原型”“算法編程—迭代完善”這兩個教學環節中，對應學生的“創造原型系統”“算法編程學習”兩個學習環節，主要進行“創造性”“算法思維”這兩個計算思維的培養。

1.創設情境，提出問題

通過創設問題情境，引導學生從情境中理解問題，并概括問題的關鍵特征。首先，教師通過PPT展示一首打油詩：“老鼠老鼠壞東西，偷喝油來偷吃米，小貓小貓真機警，喵嗚一聲捉住你。”然后播放《貓和老鼠》里“貓捉老鼠”的經典視頻，以活躍課堂氣氛，激發學生的學習興趣，同時引出本節課的活動主題——貓捉老鼠。最后教師順勢提出問題：“如何利用圖形化編程軟件設計‘貓捉老鼠’這個游戲？如何設計游戲規則？”該環節主要鍛煉了學生的概括能力、分析能力，培養了學生初步的問題解決意識。

2.明確任務，分組合作

參考教材確定“貓捉老鼠”的游戲規則：用圖形化編程軟件主界面的“運行”按鈕控制程序開始，老鼠隨鍵盤的上、下、左、右鍵移動，小貓追著老鼠跑，如果小貓碰到老鼠，說“捉住了”，則游戲結束。在確定問題和游戲規則之后，接下來進行分解問題，即將復雜問題分解成一個個小任務，同時厘清各部分之間的邏輯關系。“貓捉老鼠”主題活動包含一張背景圖（室內房間）和兩個角色（小貓、老鼠），主要包含四個任務：①在舞臺上添加背景和角色；②制作移動的老鼠；③制作追老鼠的小貓；④呈現小貓碰到老鼠的結果。在明確任務之后，教師將全班學生分成六組，組內依據任務進行分工并展開協作。該環節主要鍛煉了學生的協作能力、分解能力。

3.提取信息，構建原型

在明確任務之后，下一步就要提取任務中的關鍵信息，通過抽象建模對現實世界中的問題進行形式化表達，構建解決問題的原型。各小組對小貓、老鼠這兩個角色展開分析，并繪制思維導圖（如圖2）。

圖2

依據思維導圖繪制流程圖，厘清解決問題的思路，設計問題解決方案。流程圖主要有四種基本元素：①圓形表示“開始”或“結束”；②矩形方框表示“處理”或“過程”；③菱形表示“選擇”；④帶箭頭的線段表示“工作流方向”。遵循“單口出單口入”原則，繪制“貓捉老鼠”的流程圖（如下頁圖3）。

圖3

基于流程圖設計的問題解決方案包含四個步驟：①添加背景和角色。首先將本地文件中的“室內房間”添加為游戲背景，從角色庫中分別選取“Mouse1”和“Cat2”，為編寫腳本做好準備。②制作移動的老鼠。為老鼠搭建腳本，實現老鼠隨鍵盤的上、下、左、右鍵移動；③制作移動的小貓。為小貓搭建腳本，實現小貓追著老鼠跑。④貓捉老鼠。如果小貓碰到老鼠，說“捉住了”，游戲結束，否則重復執行貓追趕老鼠。該環節主要鍛煉了學生的創造性思維能力、抽象能力和建模能力。

4.算法編程，迭代完善

在制作出流程圖和問題解決方案之后，接下來就要按照特定的問題及規則為角色設計出一系列的程序指令，并在圖形化編程軟件上用算法實現，以自動實現該問題的解決。

移動的老鼠算法設計（如圖4）：①選擇“事件”模塊中的“運行”，表示程序開始執行；②選擇“控制”模塊中的“重復執行”和“如果……那么……”指令，并將“如果……那么……”指令添加到“重復執行”指令下，表示要重復執行“如果……那么……”指令所包含的內容；③選擇“偵測”模塊中的“按下……鍵”指令添加到“如果……那么……”指令的條件框中，選擇“運動”模塊中的“面向……方向”和“移動……步”指令添加到“如果……那么……”指令的結果框中，即為程序要重復執行的具體內容。運行結果：重復執行老鼠跟隨鍵盤的上、下、左、右鍵向上、下、左、右方向各移動5步。

圖4

移動的小貓算法設計（如圖5）：①選擇“事件”模塊中的“運行”，表示程序開始執行；②選擇“控制”模塊中的“重復執行”指令，將“運動”模塊中的“面向”和“在……秒內移動到”指令添加到“重復執行”指令中，即為程序要重復執行的內容；③選擇“控制”模塊中的“如果……那么……”指令，并將其添加到“重復執行”指令中，選擇“偵測”模塊中的“碰到……”指令添加到“如果……那么……”指令的條件框中，選擇“事件”模塊中的“廣播”指令添加到“如果……那么……”指令的結果框中，即為程序要重復執行的具體內容。運行結果：小貓追著老鼠跑，可在3秒內滑行到老鼠身邊，碰到老鼠之后說“捉住了”，游戲結束，否則重復執行貓追趕老鼠。

圖5

各小組運行初步設計的算法，并呈現游戲效果圖（如圖6）；各小組針對小組作品的不足之處展開組內討論，不斷優化本組的算法設計。該環節主要鍛煉了學生的算法思維、協作能力和問題解決能力。

圖6

5.成果展示，交流評價

在完成“貓捉老鼠”主題活動之后，學生以小組為單位上交“學生設計圖與作品記錄表”，共包含任務分解詳情、思維導圖、流程圖、問題解決方案、算法設計以及游戲效果圖六大板塊。依據各小組提供的材料展開組內自評、組間互評和教師總評，并將評價結果記錄在“學生作品評價表”中。在評價結束之后，各個小組認真總結、反思教師和同學對本組作品的評價，不斷迭代優化本組的設計方案。該環節主要鍛煉了學生的批判性思維能力、協作能力。

● 教學效果

本課的教學評價包括小組作品、計算思維水平兩個方面。在小組作品方面，在課程結束之后各小組都能夠分享出能夠完整運行的作品，這表明學生較好地掌握了計算思維方法，理解了流程圖在問題解決中的運用。同時，學生在計算思維水平方面也有了顯著的提高。本研究采用科爾克馬茲等學者編制的計算思維測評量表，從問題解決、協作、創造性思維、算法思維、批判性思維五個維度對計算思維進行前后測，并利用SPSS 26對調查問卷進行數據分析。首先，DBL模式對計算思維整體水平的提高有顯著作用。對計算思維整體水平進行分析，前測、后測均值分別為98.57、115.85，計算思維整體水平提升了17.28；對前測、后測數據進行配對樣本T檢驗，顯示Sig.為0.000（小于0.05），說明計算思維前測與后測有顯著差異。其次，數據也表明流程圖對提升計算思維水平有促進作用。對計算思維五個維度進行分析，問題解決、協作、創造性思維、算法思維、批判性思維的均值分別提升2.05、1.87、3.26、2.93、2.34，對五個維度的前測、后測數據進行配對樣本T檢驗，顯示五個維度的Sig.均為0.000（小于0.05），說明計算思維各維度的前測與后測有顯著差異。相比于其他三個維度，應用流程圖的兩個教學階段對于相應的創造性、算法思維這兩個計算思維維度提升程度更為明顯。

基于DBL模型對《貓捉老鼠》一課進行教學設計，引導學生利用流程圖來梳理問題解決的步驟，教學效果顯著，學生計算思維水平得以提升。通過流程圖的循環結構（重復執行）、選擇結構（菱形框判斷）兩種結構，從易到難、由簡到繁地將流程圖運用于實際學習中，引導學生將流程圖轉變為一種思維工具，使學生學會運用結構化思想規劃解決問題的步驟，鍛煉學生“先分析再設計”的思維方式，進而培養了學生的計算思維能力。