基于計算思維培養(yǎng)的小學圖形化編程與古詩詞融合教學探索

【摘 要】如何提升學生計算思維能力是當前信息科技教育探究的熱點領域。本文在厘清計算思維本質的基礎之上，簡要分析了當前圖形化編程的教學現(xiàn)狀，并以Kitten圖形化編程融合古詩詞學習為例，在“詩詞大玩家”益智游戲教學過程中滲透計算思維核心六要素，旨在幫助學生通過圖形化編程的學習提升計算思維能力，增強信息科技學科核心素養(yǎng)。

【關鍵詞】計算思維；圖形化編程；核心素養(yǎng)；融合教學

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）09-055-03

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的頒布，讓計算思維再次成為信息科技課堂教學關注的熱點。相比于信息意識、數(shù)字化學習能力與創(chuàng)新、信息社會責任這三大素養(yǎng)，計算思維因其價值定位和“面向學科”的特性格外受到大家的關注。因此，在信息科技課堂教學過程中，如何培養(yǎng)學生計算思維成為眾多教育工作者探究的焦點[1]。

計算思維本質

厘清和把握計算思維的本質是能夠高效開展信息科技課堂教學的重要保證。計算思維概念最早是由周以真教授在2006年3月提出的，并在2014年進行進一步完善，她認為計算思維是運用計算機科學的思維方式及基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計，并像計算機科學家一樣思考問題、理解問題、解決問題等涵蓋計算機科學的思維活動。從定義中可以看出，計算思維是一種思維活動，且應該是每一位普通人都應該具備的一項“技能”，而這種“技能”就是分析問題、解決問題的能力。因此，從本質上說，計算思維是通過分解、建模、抽象、算法設計等手段以達到問題解決的思維活動過程。而分解、建模、抽象、算法設計則是計算思維的四大核心要素，也有學者認為還包括評估和遷移兩個要素，即六大核心要素[2]。

圖形化編程教學現(xiàn)狀

為提升學生編程素養(yǎng)和能力，很多地區(qū)在小學中高年段開設了以圖形化編程為主的程序設計課程，但目前圖形化編程教學尚存一些問題。第一，章節(jié)之間的連續(xù)性不強，知識點比較獨立，而且每一課的內容即為完成特定效果的操作步驟，學生在學習的過程中按照流程就可以實現(xiàn)相應的效果，但分析問題、解決問題的能力并未得到提升。第二，教學形式比較機械化，雖然在授課過程中教師會以任務驅動的方式推進，部分教師還設置了游戲闖關來增強學生學習的趣味性和積極性，但學生在完成任務時多數(shù)是參照教師給出的代碼，有的甚至只需修改個別參數(shù)，課堂看似很活躍，但學生的思維并沒有得到很好的訓練。學習圖形化編程的最終目的并不是把學生培養(yǎng)成程序員，而是以問題為驅動，借助圖形化編程工具完成算法設計，在不斷的調試和完善中解決問題，而問題的解決過程正是思維變化的過程，圖形化編程工具則將思維變化過程進一步可視化、具體化[3]。

案例設計與實施

陜西師范大學張立國教授提出，計算思維的培養(yǎng)策略可以從三個方面進行探索：一是基于游戲化理念，二是基于問題解決理念，三是基于可視化理念。因此，筆者從計算思維的本質出發(fā)，以上述三大理念為指引，結合學生現(xiàn)有的認知基礎，將圖形化編程教學與小學生古詩詞學習相融合，設計并創(chuàng)作“詩詞大玩家”游戲。通過融入古詩詞學習以增強學生學習興趣，進一步調動學生的主觀能動性，讓學生在教師的幫助與指導下進行問題分析和算法設計，以實現(xiàn)動手操作能力和計算思維能力的提升[4]。

1.設計背景

（1）案例背景。此案例以近幾年熱門節(jié)目《詩詞大會》為切入點，通過調查發(fā)現(xiàn)，五、六年級的學生對該節(jié)目都不陌生，甚至有學生對其中的環(huán)節(jié)了如指掌。以學生身邊的真實節(jié)目為背景，一方面可以增強課程內容的代入感，另一方面也為學生后續(xù)設計游戲環(huán)節(jié)提供了“腳手架”。筆者將圖形化編程與古詩詞學習結合起來，通過對益智游戲“詩詞大玩家”的設計與開發(fā)，提升學生計算思維以及增強學生對學習古詩詞的興趣。

（2）內容背景。本案例所涉及的內容涵蓋了五年級上冊所有的知識點，如移動、交互、變量、隨機數(shù)、圖章、條件判斷、循環(huán)等，此外，還有部分新增的內容，如列表的使用等，屬于一款綜合性的益智游戲，學習內容為圖形化編程的進階內容。因此，在教學過程中主要以第二課堂為主陣地，每周有兩次課，每次課程2課時，學生創(chuàng)作時間比較充足；學習對象是五、六年級的學生，因為這個學段的學生有一定的編程能力和算法思維，創(chuàng)作欲和表現(xiàn)欲比較強烈。

2.內容安排

本案例創(chuàng)作過程中摒棄了以往“先易后難”“先基礎后實踐”的教學安排，而是以項目設計與開發(fā)的歷程組建學習內容。整體內容分為“課題引入”“游戲設計”“游戲創(chuàng)作”三個部分。其中“課題引入”部分包括“介紹試玩”和“工具選擇”兩個環(huán)節(jié)，主要是讓學生通過游戲體驗激活原有認知，為后續(xù)的游戲設計提供靈感和借鑒。“游戲設計”分為“功能設計”和“環(huán)節(jié)設計”，其目的是讓學生通過前面的游戲試玩，再結合自己的思考，完成游戲設計。而“游戲創(chuàng)作”部分則包括“程序編寫”和“迭代修改”兩個環(huán)節(jié)，旨在通過算法設計、程序編寫完成游戲制作，并通過迭代修改完善游戲功能。在課時安排方面，學習總時長為6周（24課時），其中課題導入1課時，游戲設計3課時，游戲創(chuàng)作20課時。

3.實施路徑

（1）組建學習小組。組建學習共同體可以幫助學生拓展思維，增強合作和交流能力，通過發(fā)揮不同學生的優(yōu)勢完善游戲設計。在此過程中不僅可以提升學生獨立思考、自主學習能力，更重要的是可以增強學生溝通交流、合作探究、批判性思維等高階思維能力。因此，在正式開展學習活動之前，按照組間同質、組內異質的原則組建學習小組，每組3～4名學生。在學習過程中，通過頭腦風暴完成功能設計和環(huán)節(jié)設計，并借助思維導圖進行呈現(xiàn)，將計算思維中的分解、建模、抽象等主要步驟通過繪制“問題解決流程圖”的形式進行集中體現(xiàn)，通過技術工具將隱性思維顯性化，幫助教師隨時了解學生的思維變化過程。

（2）梳理教學流程。提煉并優(yōu)化教學流程是通過圖形化編程提升學生計算思維的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng) “任務驅動—教師講授—學生練習”的圖形化編程教學模式，雖然可以幫助學生掌握編程工具的基本操作，了解模塊命令的使用方法，但不利于學生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)。學生學習之初積極性很高，但在熟悉了學習方法和流程以后便會進入倦怠期，學習效果將難以持續(xù)，久而久之，學生會對編程學習產(chǎn)生厭倦情緒。而產(chǎn)生這一現(xiàn)象的最主要原因就是學生的學習內容簡單，學習過程機械，缺乏創(chuàng)意。

在本案例的創(chuàng)作過程中，筆者充分發(fā)揮學生的主體性和創(chuàng)造性，摒棄了以往的教學方式，按照“問題提出—方案設計—畫流程圖—撰寫腳本—評價反饋—遷移應用”的教學流程，重點幫助學生通過獨立思考、小組討論分析問題，厘清問題解決的思路，借助流程圖進一步將學生的思維顯性化，并通過程序搭建和調試來驗證方案的可行性。該流程基本囊括了計算思維的核心六要素，在整個游戲創(chuàng)作過程中，學生始終保持很高的學習積極性和創(chuàng)作欲，很好地將Scratch圖形化編程的基礎知識和在生活中的游戲體驗遷移到自己的游戲創(chuàng)作中來。下面以“巧用圖章工具”一課為例進行闡述。

本案例是完成游戲創(chuàng)作的重要節(jié)點，其主要目標是能夠利用文字印章工具實現(xiàn)將從“五言題目”列表中隨機抽取的題目逐字顯示在九宮格里。筆者將計算思維六要素融入到教學流程中。首先，引導學生將需解決的問題分解成“如何在題目列表中隨機抽取一道題”“如何將抽取的題目與九宮格的位置建立聯(lián)系”“如何利用循環(huán)和圖章工具將文字顯示出來”三個子問題。然后，繼續(xù)引導學生找到列表和圖章之間的融合點，并實現(xiàn)文字復制的最優(yōu)方案，通過以上兩步幫助學生完成問題分解和建模。接著，讓學生繪制出流程圖，再根據(jù)流程圖搭建程序并調試優(yōu)化。最后通過作品分享、師生互評、生生互評的方式進一步優(yōu)化作品，并思考如何在現(xiàn)有作品的基礎之上繼續(xù)實現(xiàn)游戲功能，進而讓學生完成抽象、算法設計、評價和遷移應用四個環(huán)節(jié)。讓學生通過分析問題、歸納總結、搭建程序、交流反饋等活動完成對問題的解決，在實際教學過程中，課堂氣氛活躍，學生積極思考，計算思維能力得到明顯提升[5]。

（3）展示學習成果，增強學生創(chuàng)作的成就感。本案例在設計和創(chuàng)作的過程中依托了編程貓在線編程和UMU兩個數(shù)字化學習平臺。通過編程貓在線編程平臺學生可以在線進行圖形化編程，重要的是可以在線分享自己的作品，除了可以讓老師和同學欣賞和評價自己的作品以外，也可以將作品分享給朋友和父母。而UMU平臺則是存儲和展示學生的學習證據(jù)，包括學習任務單、思維導圖、每次課的源程序代碼以及最終的案例匯報視頻等。數(shù)字化學習平臺的運用一方面可以極大提升學生數(shù)字化學習能力，這也是信息科技學科的核心素養(yǎng)之一；另一方面通過可視化的技術運用可以極大地增強學生的創(chuàng)作熱情。除此以外，更為重要的是過程性學習證據(jù)可以完整地表征學生思維變化的過程，也為過程性評價提供了重要的數(shù)據(jù)支撐[6]。

教學總結與反思

本案例通過6周的教學實踐，學生生成了很多有創(chuàng)意的作品，通過最后一課的作品展示和分享可以看出，有些小組的作品雖然最后的功能還沒有完全實現(xiàn)，但是游戲的頁面設計、功能設計、環(huán)節(jié)設計都非常有創(chuàng)意。例如，“詩詞小達人”小組在美術教師的指導下設計了非常唯美和逼真的游戲頁面；在環(huán)節(jié)設計方面他們聽取了英語老師的建議，將環(huán)節(jié)分為“游戲試玩”和“挑戰(zhàn)自我”兩個環(huán)節(jié)，讓詩詞挑戰(zhàn)者可以先通過“游戲試玩”環(huán)節(jié)了解游戲規(guī)則，然后再進入挑戰(zhàn)環(huán)節(jié)；在游戲結束環(huán)節(jié)該小組采用的規(guī)則是給游戲挑戰(zhàn)者180秒的固定時間，時間到則游戲結束。而“玩轉詩詞”小組則在游戲結束環(huán)節(jié)采取了不同的規(guī)則，他們采用的是增加或減少“答題次數(shù)”的方式，給每位游戲挑戰(zhàn)者3次“答題次數(shù)”，每答對一題增加一次答題次數(shù)，反之則減少一次。UMU數(shù)字化學習平臺上也積累了學生豐富的學習過程性證據(jù)，部分學生將小組完成的游戲作品讓語文教師欣賞以后得到了極大的肯定。學生通過案例的學習不僅掌握了圖形化編程學習的方法，更為重要的是增強了計算思維等高階思維能力。

經(jīng)過修改和完善，“玩轉詩詞”小組作品獲得了2023年廣東省科技勞動教育暨學生信息素養(yǎng)提升實踐活動和2023年深圳市中小學生網(wǎng)絡夏令營活動小學組程序設計類一等獎。組委會評委的肯定也進一步反映了作品創(chuàng)意好、質量高，學生學習方法得當。

圖形化編程被眾多學者認為是提升學生計算思維的有效途徑之一，但學習內容和學習方式至關重要。學習內容要以學生生活或學習中的真實問題為切入點，以增強學習興趣和激發(fā)創(chuàng)作靈感；學習方式以“玩中學”“做中學”和“創(chuàng)中學”為主，讓學生在實踐的過程中提升分析問題和解決問題的能力，要借助圖形化編程的特點和優(yōu)勢，通過可視化工具讓學生計算思維的培養(yǎng)真正落實在課堂上。

注：本文系2023年深圳市光明區(qū)教育科學規(guī)劃課題“基于跨學科學習的小學高年段人工智能教學實踐研究”（課題立項號：GMQN202317）階段性研究成果

參考文獻

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