以Scratch程序設計教學搭建學生計算思維的“金字塔”

徐薇薇

〔摘? ? 要〕? 本文以2022年版《義務教育信息科技課程標準》中所述的信息科技課程的四個關鍵能力之一——計算思維的提升為主導線索，依托于小學五年級的Scratch教學內容，總結出了小學階段在計算思維培養上需要重視的四個基礎元素（亦即培養目標）：分析與抽象能力；做出邏輯判斷的能力；進行優化與迭代的能力；建模與應用的能力。本文以計算思維的四個基本要素為目標，根據多年的課堂實踐，積累總結出Scratch課堂教學中有效培養學生計算思維的教學模式：分析設計抽象-編寫修正邏輯-反思迭代優化-歸納應用建模，通過有效的教學模式，搭建學生計算思維的“金字塔”。

〔關鍵詞〕? 信息科技；計算思維；教學模式；Scratch程序設計

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 14? ? 049-051

一、計算思維及其在信息科技課中的重要性

2022年3月，教育部對新的義務教育信息科技課程標準進行了官方公布。這也是信息科技課程首度被納入國家教育課程體系，凸顯出國家對義務教育階段信息科技課程的高度重視。新版本的《義務教育信息科技課程標準》，明確了信息科技的重要性，指出，信息科技在當前的科技世界中是至關重要的一環，關鍵的研究內容包括數字信息的表現方式以及在實際應用中相關的科學原理、思考方式、處理流程與實際應用情況。讓學生提高信息敏感度、計算思維、對數字學習以及創新的理解和在信息社會中的責任感，是信息科技課程的核心教育目標。特別是計算思維被獨立出來作為信息科技課程的重要培養目標之一。2011年ISET和CSTA聯合提出，計算思維是解決問題過程中的關鍵步驟，包括問題識別、數據分析、抽象思考、設計算法、最優選擇以及推廣等六個關鍵方面。而在這個過程中，個人需要具備自信、堅定、寬容以及解決開放式問題的能力，并且需具備與他人進行良好溝通合作的能力。在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中，計算思維被定義為：運用計算機科學的思維方式，在解決問題的過程中進行抽象、分解、建模和設計算法等思維活動。

經過之前的解釋和理解，我們可以輕松地看出，計算思維是信息科技教學的核心能力之一，對學生計算思維的培養影響深遠。在新的課程框架和教學策略的推動下，如何有效增強學生的計算思維能力，將成為教師主要的研究課題，能夠培養學生計算思維的新教學模式和策略，會變成教師研究的關鍵。

二、在Scratch程序教學中學生計算思維的表現及可能性分析

Scratch是一款源自美國MIT的開源編程工具，專為8歲或更大的孩子設計。其教學材料與眾不同，通過使用Scratch進行編程教育，學生的計算思維能力可以得到顯著提高。在使用Scratch進行編程創新的過程中，學生的邏輯理解能力、數字創新能力以及問題解決能力也獲得了提升。與傳統的C、C++等編程語言不同，學習Scratch不僅僅是為了培養編程人才，它不需要學生以傳統的方式逐行輸入代碼，而是通過拖拽預設的代碼模塊，用類似于“拼積木”的方式，使編程過程變得更直觀和迅速。這種圖像化的編程方法降低了記憶枯燥命令的壓力，在舞臺區，學生可以直觀地看到他們的編程設計帶來的效果，從而在學習過程中深入地體驗到編程的樂趣。在教材體系中，Scratch屬于五年級的重要教學內容。五年級學生已經初步具備抽象思維能力，數學計算能力也有一定的積累，對于事物的分析和邏輯思維都具有了自己的獨立思考，同時計算機操作和信息意識已經有3～4年級兩年的鋪墊，完全具有信息化編程能力。綜上所述，無論從學情上還是教學內容上，教師完全能夠在課堂上運用合適的教學方法和教學策略，通過Scratch圖形化編程，對學生實施計算思維的培養。

三、Scratch程序教學中學生計算思維的培養目標

按照《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的要求，學生應掌握計算思維，能進行問題的抽象、解析、構建模型，且能通過構造算法制定解決問題的策略；有能力模擬、模仿、證實解決問題的流程，對解決方案進行反思、提高，同時有靈活運用這些策略解決其他問題的能力。同一標準還規定，處于第三學段（即5～6年級）的學生在練習計算思維的表現上有以下幾點：通過在日常生活中接觸算法，理解算法的特性及其效用，能用自然語言、流程圖等方式表現算法；在特定活動環境中，能對簡易問題進行抽象、解剖、構造模型，并構建簡潔的解決方案；檢驗問題解決方案的效率，能對解決流程及方法進行反思和升華。

根據Scratch的教學經驗和研究，以及小學生的年齡特性和發展規律，筆者總結了小學階段計算思維的四個基礎元素（也就是我們要培養的目標）：1.分析抽象能力，即針對各種問題進行深入思考、分析，并抽象出適當的算法；2.邏輯判斷能力，即理解問題引發的各種關聯性和可能性，并進行決策執行；3.優化迭代能力，即對問題的解決策略進行進一步完善，并對自己的代碼進行迭代提升；4.建模應用能力，即采用計算機科學的方式對問題解決的方法和思維過程進行總結，創建模型，并對類似的問題進行擴展應用。

四、Scratch程序教學培養學生計算思維的教學模式

通過在教學中不斷實踐、反思和總結，筆者以培養學生計算思維四個基本要素為目標，以Scratch教學為內容，總結出“分析設計-編寫修正-反思迭代-歸納應用”教學模式培養學生的計算思維。四個教學過程與四個教學目標既有一一對應的關系，每個過程和目標又存在螺旋上升的聯系。具體闡述如下。

（一）通過分析主題、設計算法，培養學生計算思維的抽象能力

在Scratch教程的每一部分，學生需先對主題加以理解并對預期的成果進行詳細分解，規劃出需要解決的各個子任務，之后再根據每一項任務和要求尋找解題的策略和途徑。比如在第5課《畫正多邊形》中，先出示復雜圖形，讓學生分析該圖形是由4個正三角形每次旋轉同樣的角度組成的，每個正三角形又是由3條直線每次旋轉同樣的角度組成的，然后再引出“畫筆”功能及該模塊的相應控件。由此，我們將大任務分解為小任務，將具象的畫線變為抽象的程序表達。

在每課的開始階段，教師要引導學生實現從直觀思考到抽象思考的過渡及平衡。把培養學生邏輯思維的重點融入解決問題的步驟中，使學生在探討不同算法的具體應用時形成辯證思維，避免空洞無物的抽象概念教學。比如對猜數游戲和投票選舉這些學生熟悉的示例，在討論時引入算法，以此輔助學生自然地構建知識體系。

（二）通過編寫程序、修正梳理，培養學生的計算思維邏輯能力

通過解讀每個角色的形象、對話、狀態，學生能夠依據需求選取合適的命令和參數，并對其執行順序進行剖析和構建。這是一種從表面到內在、從簡單到復雜，逐漸深入理解問題和事物的方式，也是提升學生在計算思維中的算法及邏輯能力的一種方法。

繼續以《畫正多邊形》一課為例，學生在通過第一個環節具象到抽象的過程后，可以自主探究編寫出一個正三角形的程序。教師在展示分析學生程序的過程中，要注意將學生的程序進行修正梳理及指導點撥。在學生用腳本畫出三角形后，指導學生發現，旋轉的角度是外角且正多邊形的外角和是360度，在此邏輯上，學生可以清楚地畫出任意一正多邊形。在這個過程中，強調學生應明確把握各個角色之間的聯系，同時理解每個角色腳本的算法和邏輯過程。這樣的訓練可極大地助力提升學生在邏輯思維和算法使用方面的能力，進而推動學生在計算思維領域內的邏輯技能的進步。

在一些更為復雜的多角色案例中，學生需要解析每一角色的登場次序、互動關系等邏輯思維。一旦學生構建出明確的解決方案，他們就會精準地設計每一角色具體的劇本，并據此找出有效的指令，調整指令的各類參數和出現順序，持續調試并最后完成每一角色的設計程序，獲得所需效果。學生在編程時必須清楚各個角色的相互關系，除了自己進行編程實踐，也可以通過體驗程序，從多方面熟悉程序，閱讀理解、修改運行程序，培養計算思維的邏輯能力。對比較復雜的算法，教師也可以在和學生一起討論算法思想的基礎上，展示程序代碼，讓學生設置和調整參數、觀察討論，最后執行驗證。

（三）通過反思判斷、迭代算法，培養學生計算思維的優化能力

教師成功地激活了各個小組的潛能，構造了一個班級學習集體，并通過小組間的相互研究和分享，使學生能夠對各種算法和腳本有所對比和分析判斷。他們可以從指令數、執行效率和效果表現等方面進行比較，然后對自己的腳本進行修改和迭代，讓它們達到最優狀態。這就是計算思維中對優化能力的訓練。

在《繪制多邊形》這個教學案例中，畫三條邊的程序是重復的，我們可以將其轉化為可循環執行的腳本。整個程序的流程會由順序結構變為循環結構。三個三角形也是重復的腳本，可以將程序進一步重復嵌套。我們通過對腳本的改進以及迭代方法的應用，令程序更精簡、清晰，且易于維護和改動。在這一過程中，學生對計算思維中的優化和迭代特性有了更深入和實質的理解。

（四）通過歸納整理、模式應用，培養學生計算思維的建模能力

在教學活動中，教師著重于指導學生從編程過程中學習并總結出一些獨特的學習策略和思考模式。這包括通過從解決單一問題課題到創設一整類問題和情境的方法論，讓學生對這種相似問題具有自我應對策略。這即是計算思維模型能力的培育。

例如，《畫正多邊形》課后的“探究屋”第二題，就是學生在課堂基本任務建模后的應用。如果學生已經理解了4個三角形的程序模型，就完全可以通過修改相應參數完成5個正方形的程序搭建。

在掌握了基礎理論和基本觀點之后，學生注重關注日常生活中的相應主題，通過啟發式教學，幫助學生發現問題并探索現象背后的原理，試圖運用已學的手段解決相關問題。這反映了學生對所學知識的梳理、融合應用以及進一步創新的能力，而這一過程也是提升學生運用所學知識進行建模以及知識遷移能力的教育方法。

從整體來看，在實施“分析—設計—抽象，編程—修正—迭代，反省—優化—應用，并最后形成模型”這個教學方法的過程中，每一環節都充分蘊涵了計算思維的一項或多項特征，學生就像在構建一個“金字塔”，層層遞進，不斷上升。這種教育方式不僅讓學生的編程水平和信息技術素養得到了明顯提升，更是極其有效且高效地提升了他們的計算思維能力。在實施這一教學方法的一年中，筆者發現學生的計算思維能力明顯增強，同時，他們的創新思維、邏輯推理、軟件優化和模型應用能力也得到了顯著提高。

【本文系南京市江寧區“十四五”規劃課題“信息技術教學中基于問題解決的計算思維培養實踐研究”的階段性成果，編號：?JN2021/305】

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]江蘇省中小學教學研究室.小學信息技術教師教學用書[M].南京：江蘇鳳凰科學技術出版社，2022.

[3]昍爸.圖形化編程及數學素養課.給孩子的計算思維書[M].北京：中國郵電出版社，2023.

[4]肖廣德.計算思維導向的中小學編程能力培養：基于scratch的探索[M].北京：科學出版社，2022.

[5]陶雙雙.基于計算思維的Scratch項目式編程[M].北京：清華大學出版社，2019.