基于計算思維培養的小學圖形化編程教學實踐

自美國計算機科學家周以真教授于2006年提出計算思維這一概念以來，計算思維已成為計算機科學領域的關鍵理念。2022年4月，教育部頒布了《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，許多中小學已經開始重視計算思維能力的培養，并嘗試通過編程教學來實現這一目標。圖形化編程軟件因其直觀、易學的特點，成為中小學編程教學的熱門選擇。本案例旨在探討基于計算思維培養的小學圖形化編程教學策略與方法，為中小學編程教學提供有益的參考。

一、基于計算思維培養的小學圖形化編程教學案例展示

接下來我將以“編程貓”圖形化編程課程中的“清理河道”一課為例，詳細闡述如何利用“編程貓”的圖形化編程教學策略與方法來培養學生的計算思維能力。在本課中需要學生學習制作一個“清理河道”的游戲，實現如圖1所示的清理河道游戲。游戲中，學生需通過鍵盤操作“編程貓”進行劃船，并成功清除河道中的垃圾。針對這一教學內容，我設計了如下的教學實施過程：

（一）情景體驗

為更有效地開展一堂課，我們首先需要構建一個身臨其境的學習環境，以激發學生的好奇心和求知欲，促使他們主動思考、勇于探索和創新。

雖然本節課配備了示例程序，但這些程序所呈現的虛擬場景難以讓學生深刻體驗“清理河道垃圾”的實際情境。為讓學生更具體地理解這一過程，我設計了一次實踐活動。

課堂上，我準備了一個小河模型，配備了小船和一些模擬河道垃圾（如紙張和瓶子），組織學生進行一次清理垃圾的小型比賽。

教學片段1：

教師：同學們，我們生活的周圍時常可以看到亂扔垃圾的現象，不僅在河流中，街道上也是如此。看，我面前的小河模型就反映了這樣一個情況，河里滿是垃圾。現在我邀請一位同學上臺來，幫助我清理這些垃圾。

（學生上臺清理垃圾。在他清理的時候，教師要把新的垃圾投放進去）

教師：請你描述一下你是如何清理河道的。

學生：我通過控制小船來撿垃圾。

教師：清理完了嗎？

學生：沒，新的垃圾還會不斷出現。

教師：那么我們該如何通過編程讓“編程貓”持續清理河道直到任務完成呢？現在請大家打開示例程序嘗試操作。

（運行示例程序玩“游戲”）

教師：請你描述一下，你在操作程序中看到的清理河道的過程。

學生：游戲開始時，我使用方向鍵控制“編程貓”劃船收集垃圾，每收集一塊垃圾就得到一分，垃圾消失后會在隨機位置重新出現，當分數達到20分時任務完成。

通過這次模擬實踐活動，學生親身體驗了船只清理垃圾的過程。結合示例程序的操作，他們能夠更直觀地理解程序中各元素之間的關系和操作方式。這種從具體實踐操作向抽象思維轉變的教學過程對于培養學生的計算思維能力具有顯著效果，也為學生后續課程的學習打下了堅實的基礎，進一步提升了自身的計算思維能力。

（二）需求分析

設計“清理河道”程序各對象之間的關系如何？教師在編程教學中不進行有效的引導和分解，學生通常會面臨程序設計的困擾，不知從何下手。為改善這一狀況，我在教學過程中嘗試采用問題清單、流程圖等輔助工具與學生共同分析示例程序。通過這種方法，我們將復雜的編程任務分解為若干個小任務，幫助學生逐步構建解決問題的初步思維框架，從而培養他們的計算思維能力。

1.問題清單

問題清單是一種列出所面對或需要解決的問題的教學工具，它有助于系統化地整理和明確問題的具體內容。授課中我讓學生體驗示例程序，通過觀察、對比與思考，想想每個情景背后待解決的問題，并嘗試用自己的語言把問題描述出來（如表1）。從學生的課堂反饋來看，他們所提出的問題極具價值和啟發性。

引導學生主動提出問題，不僅有助于他們分析任務，還為任務的分解提供了有力的鋪墊。這種教學方式能夠促進學生的發散性思維，使他們在解決問題的過程中經歷計算思維中的“分解”環節，從而深化對計算思維的理解與應用。

2.思維導圖

思維導圖作為一種有效的分析工具，對于輔助思考和解決問題具有顯著作用。本課的教學中，我采用問答的形式引導學生深入思考游戲所需的角色，并仔細觀察角色的運動狀態、觸發條件以及所需的指令。通過這種方式，學生能夠更加清晰地理解游戲的內在邏輯和編程要求，為后續的編程任務打下堅實的基礎。

用思維導圖的方式，可以讓學生把無形的思維轉化成直觀可見的導圖（如圖2“清理河道”思維導圖），按照“圖”的步驟將示例程序中的背景、角色、指令和算法逐一對應。在為學生拆分任務、構思算法以及設計程序的過程中，我們不僅搭建他們的思維支架，同時也讓學生感受“分解”和“概括”等計算思維的獨特魅力。我指導學生逐步分析看似復雜的問題，并將其拆解為一系列簡單且易于理解的“小”問題，從而實現了化繁為簡的目的。幫助學生理清每個角色的動作和編程思路，為學生建立了建模和程序設計的穩固基礎，這充分體現了計算思維中“分解”和“建模”的核心思想。

（三）程序設計

在完成初步的分析與場景設計后，我們便可以著手進行程序設計。程序設計過程中確保“編程貓”能夠順利劃船并清除“垃圾”是至關重要的。為了實現這一功能，我們需要設計一個合理的算法，并通過流程圖來清晰地描述這一過程。特別是“垃圾”清除后隨機再出現機制更是關鍵所在，需要精心策劃和實施。

教學片段2：

教師：我們按下空格鍵，編程貓開始清除垃圾，但當它碰到垃圾時，垃圾卻沒有被清除，怎么辦呢？

學生：要檢測到垃圾碰到編程貓。

教師：檢測到垃圾碰到編程貓，垃圾要怎么樣？

學生1：消失。

學生2：加分。

……

教師：消失加分后垃圾還會出現嗎？是立即出現嗎？出現在哪里？

學生1：隨機出現。

學生2：等待一秒再出現。

……

經過上述步驟，我們成功構建了“清理河道”的程序流程圖（如圖3），這為學生完成整個作品的程序設計提供了清晰且易于遵循的指南。

（四）測試改進

程序設計往往并非一蹴而就，而是一個持續進行測試、糾錯和完善的過程。編程教學的核心目標并非僅僅完成某個項目，而是通過不斷的測試和改進，引導學生深入思考如何實現他們自己的目標。學生需要在心中構建一個流程圖，通過不斷的實踐和優化，逐步打造出自己期望的程序效果。這一過程恰恰體現了計算思維中的“評估”“糾錯”和“迭代”等核心理念。

（五）交流分享

課程結束之際，學生積極對作品做自我評價、相互評價，展現了積極的學習態度。通過這種交流、分享的方式，他們不僅能夠借鑒彼此的知識、技術和創意，還促進了思想層面的深入交流。這種互動環節不僅豐富了課堂內容，也為學生提供了一個寶貴的學習機會，有助于他們不斷提升自己的編程水平和創造力。

二、基于計算思維培養的小學圖形化編程教學反思

實施了以計算思維培養為核心的圖形化編程教學后，我們欣喜地觀察到學生對編程課堂的興趣發生了顯著的變化。他們對編程課堂的興趣日益濃厚，展現出了極高的學習熱情和參與度。以往學生只是機械地完成老師布置的任務，完成后便很快忘記。如今他們主動探索游戲背后的原理，并嘗試自主開發程序1.0、程序2.0等不同版本。這種主動學習的態度預示著學生在計算思維培養過程中的學習心態發生了積極轉變。同時，隨著學生計算思維能力的提升，他們在分析問題和應用所學知識于程序設計方面的能力也得到了顯著提高。

三、結語

在這個充滿變革與機遇的人工智能時代，培養孩子的計算思維能力已成為一項至關重要的任務。圖形化編程軟件及游戲化教學方式為此提供了有力的支持，它們不僅極大地豐富了編程教學的形式，還降低了學習門檻，使學生能夠輕松、愉快地掌握編程的核心要義。通過這些創新工具，學生能在實踐中感受編程的魅力，鍛煉解決問題的能力，為未來的學術研究與職業發展打下堅實的基礎。我堅信，在這個充滿無限可能和挑戰的時代，具備計算思維的學生將更具競爭力，為社會的進步和發展貢獻出他們寶貴的力量。

（作者單位：1.佛山市高明區楊和鎮楊梅小學；2.佛山市高明區楊和鎮中心小學）

編輯：孫守春