圖形化編程教學(xué)設(shè)計(jì)

吳欣妍

〔摘? ? 要〕? 為了讓學(xué)生更好地適應(yīng)數(shù)字時(shí)代的飛速發(fā)展，信息技術(shù)課更名為信息科技課，算法、數(shù)據(jù)編碼等內(nèi)容進(jìn)入課程內(nèi)容，在這之前圖形化編程已經(jīng)進(jìn)入小學(xué)五年級(jí)的課本?！半p減”政策出臺(tái)后，1～2年級(jí)也開(kāi)始了社團(tuán)課程。為了更好地銜接信息教學(xué)、發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維，我們?cè)?～2年級(jí)社團(tuán)中開(kāi)展了Scratch編程教學(xué)，在5～6年級(jí)社團(tuán)開(kāi)展了樂(lè)高機(jī)器人活動(dòng)。本文結(jié)合不同年級(jí)的圖形化編程教學(xué)，談一談如何在圖形化編程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

〔關(guān)鍵詞〕? 信息科技；計(jì)算思維；圖形化編程；教學(xué)實(shí)踐

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? （2023）? 12-0052-03

隨著計(jì)算機(jī)的逐漸普及與互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，人類不知不覺(jué)走進(jìn)了信息數(shù)字化的新時(shí)代。而信息化的發(fā)展也推動(dòng)了教育的不斷發(fā)展。在小學(xué)信息科技學(xué)科教學(xué)中開(kāi)展圖形化編程教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維起到重要的促進(jìn)作用。實(shí)踐證明：以培養(yǎng)計(jì)算思維為導(dǎo)向?qū)嵤﹫D形化編程教學(xué)，切實(shí)可行。因此，在“雙減”背景下如何在小學(xué)信息科技圖形化編程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，如何培養(yǎng)學(xué)生的信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)，是教師值得研究的重要課題，也是此學(xué)科教學(xué)探究的重要內(nèi)容。當(dāng)然，學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，并不是幾節(jié)課就可以形成的，我們應(yīng)在教學(xué)中不斷滲透，不斷引導(dǎo)，不斷培養(yǎng)，從而有效實(shí)現(xiàn)學(xué)科教學(xué)目標(biāo)。

一、概念界定與理論基礎(chǔ)

（一）“雙減”之后

為了落實(shí)“雙減”政策，學(xué)校進(jìn)一步優(yōu)化作業(yè)質(zhì)量，減輕學(xué)生作業(yè)負(fù)擔(dān)，提升學(xué)校課后服務(wù)水平，滿足學(xué)生多樣化需求。學(xué)校每天給每個(gè)班級(jí)開(kāi)展一節(jié)社團(tuán)活動(dòng)，作為一線教師，筆者也承擔(dān)了相應(yīng)的社團(tuán)活動(dòng)，也正是在這個(gè)背景下，我作為一名小學(xué)信息科技教師開(kāi)始接觸1～2年級(jí)的信息科技教學(xué)。筆者經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)查研究，決定在1～2年級(jí)開(kāi)展入門門檻低、學(xué)生容易上手的Scratch圖形化編程教學(xué)。

（二）計(jì)算思維

2022年版《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》再次明確，信息科技課程的目標(biāo)要圍繞核心素養(yǎng)，體現(xiàn)課程性質(zhì)，反映課程理念。計(jì)算思維作為信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)之一，也有了明確的內(nèi)涵解讀。而計(jì)算思維，實(shí)際上就是人人都應(yīng)具備的一種基本技能。課標(biāo)指出，計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問(wèn)題解決過(guò)程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)。筆者在圖形化編程中創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行抽象、分解、建模，并通過(guò)算法設(shè)計(jì)來(lái)解決問(wèn)題，能嘗試模擬、仿真、驗(yàn)證解決問(wèn)題的過(guò)程，反思、優(yōu)化解決問(wèn)題的方案。

（三）圖形化編程

圖形化編程一般指專為小學(xué)生編程開(kāi)發(fā)的積木式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它以形象直觀的積木指令幫助學(xué)生在創(chuàng)作中學(xué)習(xí)編程，表達(dá)自己的想法。在本文的教學(xué)實(shí)踐中，筆者以簡(jiǎn)單的圖形化編程軟件Scratch在1～2年級(jí)的教學(xué)和接入硬件設(shè)備的圖形化編程軟件LEGO?MINDSTORMS?Education?EV3在5～6年級(jí)的教學(xué)為例，探討培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的圖形化編程教學(xué)。

二、1～2年級(jí)圖形化編程教學(xué)設(shè)計(jì)與分析

1～2年級(jí)圖形化編程，主要是開(kāi)展Scratch編程教學(xué)，通過(guò)形象直觀的積木指令幫助學(xué)生在創(chuàng)作中學(xué)習(xí)編程，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，提高他們學(xué)習(xí)信息科技的興趣，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的熱情和信心。為此，筆者以簡(jiǎn)單的圖形化編程軟件Scratch在1～2年級(jí)實(shí)施教學(xué)，不僅完成教學(xué)目標(biāo)，還取得了良好的教學(xué)效果。

（一）游戲設(shè)計(jì)切入，邏輯推理，設(shè)計(jì)腳本

1～2年級(jí)學(xué)生注意力難以集中，貪玩好動(dòng)。讓學(xué)生先試玩游戲，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，再引導(dǎo)學(xué)生去思考游戲背后的原理，學(xué)會(huì)站在開(kāi)發(fā)者角度去思考問(wèn)題。在教學(xué)中，游戲的試玩有效調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣，引發(fā)學(xué)生思考游戲的趣味性與游戲規(guī)則設(shè)計(jì)的關(guān)系。在分析設(shè)計(jì)游戲中，我引導(dǎo)學(xué)生思考：角色的變化是怎樣的？大概哪些指令可以使角色出現(xiàn)這些變化？這些指令組合后，我們的角色可以實(shí)現(xiàn)這些對(duì)應(yīng)的變化嗎？會(huì)出現(xiàn)其他的可能嗎？如果有其他可能，通過(guò)怎樣的腳本完善可以解決這些意外情況？學(xué)生在學(xué)習(xí)中，不斷地思考預(yù)判，將游戲設(shè)計(jì)得更加嚴(yán)謹(jǐn)，盡可能地減少游戲漏洞，從而實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)的學(xué)習(xí)。

（二）分解任務(wù)，將復(fù)雜的游戲變化分解為局部的具體指令設(shè)計(jì)

學(xué)生要思考游戲的整體呈現(xiàn)效果，而整體的效果不可能一步到位，需要各個(gè)角色的協(xié)調(diào)。我主要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維中的分解，學(xué)會(huì)從一個(gè)整體的游戲或動(dòng)畫，找到其運(yùn)行的本質(zhì)。我們知道，任何游戲都是通過(guò)角色的運(yùn)動(dòng)和背景的變化來(lái)完成的。這些運(yùn)動(dòng)可以是獨(dú)立地按照時(shí)間的變化或者角色本身的變化出現(xiàn)，也可以是因?yàn)閯e的角色影響而導(dǎo)致的變化?？此茝?fù)雜的游戲必然由角色和背景組成，學(xué)生通過(guò)分解分析后，將這個(gè)看似難以完成制作的游戲分解成角色的導(dǎo)入、腳本控制角色移動(dòng)、判斷控制角色變化這些簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)，將大問(wèn)題分解為小問(wèn)題，然后綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去一一解決問(wèn)題。

（三）算法，找出規(guī)律，讓程序幫助完成煩瑣的工作

在程序編寫學(xué)習(xí)中，最常用的就是重復(fù)執(zhí)行，就是用計(jì)算思維中的算法，去甄別并描述規(guī)律，讓程序來(lái)重復(fù)這個(gè)規(guī)律。在游戲設(shè)計(jì)中有些NPC會(huì)有很多重復(fù)單一的動(dòng)作，如果用簡(jiǎn)單的順序結(jié)構(gòu)，腳本的搭建是無(wú)窮無(wú)盡的。但找出規(guī)律后我們發(fā)現(xiàn)，這些腳本都是一樣的，我們可以用不斷重復(fù)執(zhí)行，讓程序來(lái)幫助我們完成這個(gè)操作。

（四）抽象，排除非主要因素，抓住核心去解決問(wèn)題

在Scratch程序設(shè)計(jì)中，有些角色是需要通過(guò)畫筆模塊創(chuàng)作的，而學(xué)生在思考設(shè)計(jì)中會(huì)陷入思路瓶頸。其實(shí)通過(guò)計(jì)算思維中的抽象去抓住問(wèn)題核心，排除其他干擾因素，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，有些角色只是通過(guò)畫筆落筆、抬筆、清空就可以完成我們?cè)O(shè)想的變化。在復(fù)雜的變化中排除其他角色變化的影響，單純思考局部的變化與Scratch中指令可能實(shí)現(xiàn)的效果，抓住核心問(wèn)題去解決。

三、5～6年級(jí)圖形化編程教學(xué)設(shè)計(jì)與分析

在5～6年級(jí)的圖形化編程中，開(kāi)始接入硬件的使用，編程的主要目的是讓接入的硬件設(shè)備可以發(fā)揮它們的具體功能，以完成實(shí)際情境中的任務(wù)。筆者以經(jīng)典的搬運(yùn)任務(wù)分析接入硬件設(shè)備的圖形化編程教學(xué)實(shí)踐，以此有效提升信息科技學(xué)科的教學(xué)效率與學(xué)生的核心素養(yǎng)。

（一）分解搬運(yùn)任務(wù)，細(xì)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

機(jī)器人經(jīng)典的搬運(yùn)任務(wù)是將在引導(dǎo)線上的物體搬運(yùn)到指定的位置。從人類的角度看來(lái)比較簡(jiǎn)單的任務(wù)，放到機(jī)器人身上，是比較困難的。人類完成搬運(yùn)需要調(diào)動(dòng)自己的四肢，移動(dòng)抓取，還需要調(diào)動(dòng)自己的感官判斷搬運(yùn)放置的位置。把人類的動(dòng)作轉(zhuǎn)移到機(jī)器人身上來(lái)進(jìn)行細(xì)化，幫助學(xué)生分解復(fù)雜的搬運(yùn)任務(wù)。

移動(dòng)可以用機(jī)器人結(jié)構(gòu)上有動(dòng)力帶動(dòng)的輪胎來(lái)解決，抓取可以用能夠用動(dòng)力控制開(kāi)合的夾子來(lái)解決。那么人類感官的判斷呢？這里需要使用可以感知外部環(huán)境的傳感器來(lái)解決。

（二）提煉核心問(wèn)題，規(guī)劃設(shè)計(jì)程序塊

在細(xì)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)之后，筆者帶領(lǐng)學(xué)生為這些運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)程序。無(wú)論是抓取還是移動(dòng)對(duì)于搬運(yùn)任務(wù)來(lái)說(shuō)都不是一次就可以完成的，但是實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作的指令是類似的。程序是代替人類發(fā)出機(jī)器可以接收的指令，讓機(jī)器可以完成有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，如果程序搭建過(guò)于碎片化，一個(gè)指令一個(gè)指令地發(fā)出，就不能實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人完成搬運(yùn)任務(wù)的初始目的。

提煉出核心的指令，讓程序自動(dòng)執(zhí)行煩瑣的指令，是我們?cè)O(shè)計(jì)程序的初衷。而在目前我們使用的大多數(shù)圖形化編程軟件都給了我們自定義設(shè)計(jì)程序的模塊，我們可以用已有的程序指令組合形成一個(gè)復(fù)雜的程序塊指令。學(xué)生可以將搬運(yùn)任務(wù)分解為巡線走、拐彎、抓取、放下這四種常見(jiàn)的程序塊指令。如果地形圖較為復(fù)雜，巡線走還可以細(xì)分為直線巡線走、曲線巡線走、大彎巡線走。規(guī)劃設(shè)計(jì)合適的程序塊可以有效地減輕程序編寫負(fù)擔(dān)以及程序指令冗余造成的程序卡頓。

（三）設(shè)計(jì)算法，調(diào)用程序塊完成任務(wù)

根據(jù)具體任務(wù)，設(shè)計(jì)合適的算法，調(diào)用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的程序塊，解決問(wèn)題。結(jié)合搬運(yùn)任務(wù)，可以設(shè)計(jì)以下算法：收起夾子→前進(jìn)→拐彎→抓取物品→收起夾子→拐彎→前進(jìn)→放下物品。

在算法設(shè)計(jì)中，引導(dǎo)學(xué)生找出解決問(wèn)題的方法，讓學(xué)生在生活中能夠有意識(shí)地使用簡(jiǎn)單算法，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的自動(dòng)化求解，能有意識(shí)地總結(jié)解決問(wèn)題的方法，并將其遷移到其他問(wèn)題求解中。

四、圖形化編程教學(xué)的體會(huì)

5～6年級(jí)圖形化編程教學(xué)，筆者開(kāi)展了三年，在教學(xué)實(shí)踐中不斷地摸索。任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)比較適合5～6年級(jí)教學(xué)，5～6年級(jí)的學(xué)生正處于邏輯思維逐漸形成的重要階段，從原來(lái)的形象思維為主向邏輯思維為主過(guò)渡。他們對(duì)于復(fù)雜的編程算法接受度較高，也更容易學(xué)習(xí)理解和應(yīng)用。

1～2年級(jí)圖形化編程教學(xué)，在“雙減”背景下，筆者開(kāi)展了一年。學(xué)生的信息基礎(chǔ)以及思維發(fā)展的特點(diǎn)，是教學(xué)中的主要困難。在教學(xué)中，筆者也在嘗試探索設(shè)計(jì)出更適合他們思維發(fā)展規(guī)律的課程內(nèi)容，讓學(xué)生能夠更好地了解算法，對(duì)程序設(shè)計(jì)的過(guò)程有初步的概念，也更好地為學(xué)生計(jì)算思維的養(yǎng)成做好鋪墊。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中，掌握信息處理的基本過(guò)程與方法，體驗(yàn)過(guò)程與控制的場(chǎng)景，驗(yàn)證解決問(wèn)題的過(guò)程，初步具備運(yùn)用信息科技解決問(wèn)題的能力，有效發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，從而實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)。

總之，隨著當(dāng)代信息科技的不斷推進(jìn)，信息科技課程越來(lái)越受到社會(huì)的廣泛關(guān)注和重視。在小學(xué)信息科技圖形化編程教學(xué)中，計(jì)算思維已成為培養(yǎng)學(xué)生信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。尤其在“雙減”背景下，作為一線教師，應(yīng)在學(xué)生掌握“雙基”的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理規(guī)劃，讓學(xué)生有效運(yùn)用課余時(shí)間，引導(dǎo)他們用信息科技學(xué)科思維去分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，使他們更好地自主學(xué)習(xí)，完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。在教學(xué)中，在1～2年級(jí)社團(tuán)中開(kāi)展Scratch編程教學(xué)，在5～6年級(jí)社團(tuán)中建立樂(lè)高機(jī)器人社團(tuán)。同時(shí)教師也應(yīng)致力學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，善于發(fā)現(xiàn)、挖掘?qū)W科教學(xué)中的計(jì)算思維，高度重視小學(xué)信息科技課程中圖形化編程教學(xué)的探索和實(shí)踐，進(jìn)一步提高小學(xué)信息科技課堂教學(xué)效率，從而推動(dòng)此課程的持續(xù)發(fā)展，為培養(yǎng)新時(shí)代的新型人才做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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