基于計算思維的創(chuàng)意編程教學策略

【摘要】在計算思維理論指導下，教師要合理設計創(chuàng)意編程課程，選擇學思融通等教學方式調(diào)整學生的學習行為。本文從問題的發(fā)現(xiàn)與思考、模型的歸納與遷移、程序的編寫與優(yōu)化三個方面闡述如何在教學中使用相應的策略讓學生經(jīng)歷學習的全過程。【關鍵詞】計算思維;創(chuàng)意編程;教學策略;學思融通隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的迅猛發(fā)展，在信息技術課程教學中培養(yǎng)學生計算思維與創(chuàng)造能力已成為適應信息時代的需要。新課程改革的背景下，基于計算思維的創(chuàng)意編程教學，教師要結合多方位、多角度的學習策略調(diào)整學生學習行為，引導學生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)與思考問題、歸納與遷移模型、編寫與優(yōu)化程序等全過程，培養(yǎng)學生學科學、愛科學、用科學的科學精神，提升其信息技術核心素養(yǎng)。問題的發(fā)現(xiàn)與思考亞里士多德有句名言：思維自疑問和驚奇開始?？鬃右苍f過，疑是思之始，學之端。常疑常思，常思常新。因而在創(chuàng)意編程活動的各個環(huán)節(jié)，教師都需要精心地設計問題，引導學生進入積極的思維狀態(tài)，讓學生學會從學習生活的具體現(xiàn)象與事物中發(fā)現(xiàn)問題，應用關注點分離、計算參與等策略來思考問題[1]。1.設計問題的教學策略《江蘇省義務教育階段信息技術課程指導綱要》中，將“初步感悟信息技術在人類生產(chǎn)與生活中的重要價值，嘗試運用計算思維識別與分析問題，抽象、建模與設計系統(tǒng)性解決方案”作為學科課程目標，倡導探究式學習方法，重視學生的自主學習。首先，問題設計聯(lián)系學習生活。創(chuàng)意編程問題來源于學生的生活實際，如數(shù)學、音樂、生活起居、園藝苗圃等，教師精選其中學生感興趣、有價值、易操作的內(nèi)容，如藝術圖形、智能家居、無人駕駛等，給予適當?shù)囊龑?、點撥，優(yōu)選主要問題進行研究。其次，問題設計要面向全體學生。教師引導學生小組協(xié)作，制訂項目需求，多角度、多層次設計問題：創(chuàng)作思路、問題解決之法、編程知識的重難點、作品迭代更新修改、程序調(diào)試運行預設等。同時把握好時機，問在學生“欲發(fā)而未發(fā)”之前，問在學生“似懂而非懂”之處，問在學生“無疑與有疑”之際[2]。再次，問題設計需要學科思維主導。學生分析編程項目，從不同角度、不同層次設計與篩選問題，體現(xiàn)感知模塊化、面向?qū)ο?、迭代等基本的軟件工程思想。教師要引導學生融合學科知識，主動探索，樂于嘗試，建構并完善程序設計知識體系，鍛煉系統(tǒng)思維和計算思維能力。最后，問題設計要兼顧學習工具。當前創(chuàng)意編程的工具根據(jù)年齡和學段的差異，主要有不插電編程、圖形化編程、代碼編程、開源硬件編程等。師生可靈活選擇學習工具或組合應用，兼顧程序的移植和硬件的搭配。2.解決問題的教學策略計算思維為創(chuàng)意編程教學活動提供了活力，教師可以用計算參與的方法使學生真正成為問題的發(fā)現(xiàn)者，面對復雜問題時主動探索問題本質(zhì)，進而拆解成易于解決的小問題。一是問題關注點分離。如對開源硬件智能設計、人機交互游戲等項目做合理的分解，控制問題復雜性，提高可理解性，再分別研究項目任務的不同側(cè)面，最后綜合各方面的成果，合成整體的解決方案[3]。二是探索計算參與教學。美國YasminB.Kafai教授指出，以“社會化轉(zhuǎn)向”為特征的計算參與是培養(yǎng)學生計算思維的新范型。教師可以從“編寫代碼到創(chuàng)建應用”“設計工具到促進社區(qū)”“白手起家到再創(chuàng)作他人成果”這三個維度[4]，側(cè)重開展應用層面的編程教學，擴大學生的參與面。三是培養(yǎng)可視化思維。如在以“斐波那契樹”等數(shù)學、物理學科內(nèi)容解析為認知導向的學習活動中，教師應用思維導圖建立知識習得的途徑，將深奧的問題具體化呈現(xiàn)。教師可以借助圖形化編程工具探索問題求解的最優(yōu)路徑，進行程序的可視化表達。3.拓展問題的教學策略教師依據(jù)學生年齡特點，以情景故事、游戲挑戰(zhàn)和動手拼搭等主題進行拓展探究，學習圖形化編程或代碼編程的程序邏輯與代碼技巧，完成創(chuàng)意程序的編寫。如個性化游戲設計，教師將創(chuàng)意編程與游戲創(chuàng)作相結合，引導學生圍繞游戲活動思考和發(fā)現(xiàn)問題，應用不插電方式或圖形化編程工具創(chuàng)建豐富的游戲、動畫故事，讓解決問題的過程變成有趣的“游戲”。又如交互式項目制作，教師在交互式藝術作品創(chuàng)作學習過程中，引導學生從思考單用戶操作拓展到AI人機交互操作，親身體驗通過圖形、音頻等方式與計算機互動的神奇效果，深入理解由事件拓展而來的計算概念。再如螺旋式實踐創(chuàng)新，教師引導學生從一個簡單的問題或者一個項目組件開始，逐漸添加腳本或代碼，直到其完全實現(xiàn)效果，然后再設計運行，將原型逐步擴展為成品程序，在整個編程學習過程中通過設置若干細節(jié)問題來拓展程序創(chuàng)新功能。模型的歸納與遷移模式識別、模型歸納是計算思維的重要組成部分，在程序設計教學中具有很強的可操作性。教師可依托計算思維訓練的指導框架，利用學習支架幫助學生認識理解創(chuàng)意編程的綜合性、抽象性，實現(xiàn)隱性思維顯性化、顯性思維工具化、高效思維自動化，真正構建思維發(fā)展型課堂[5]。1.搭建“模式識別”學習支架應用模式識別解決問題的規(guī)則，有助于培養(yǎng)人的元認知能力，即學會發(fā)掘模式、應用模式分析和設計方法。這有助于我們利用別人的經(jīng)驗，特別是專家的經(jīng)驗來分析和描述問題。（1）數(shù)據(jù)表征。在“避障”“巡線”等開源硬件創(chuàng)意編程活動伊始，教師設計活動記錄單等數(shù)據(jù)輸入支架，組織學生對比實驗活動記錄篩選數(shù)據(jù)，多層面多形式呈現(xiàn)加工信息，引導學生關注要點，并用語言、文字、圖表等方式來表征。（2）模式識別。在數(shù)學、圖形等可視化表達創(chuàng)意編程作品中，教師可設計表格形式的局部比較支架。表格設計指向具體的活動目標，教師引導學生在活動中發(fā)現(xiàn)表格隱藏的特征或規(guī)律，實現(xiàn)形式到邏輯的模式識別。（3）分解轉(zhuǎn)化。以代碼編程“百錢買百雞”問題為例，教師為學生提供表格填寫每一次循環(huán)執(zhí)行的結果，通過變量列表法模擬推演，幫助學生理解循環(huán)的運行過程;引導學生繪制流程圖表示循環(huán)的嵌套，理清內(nèi)外循環(huán)之間的邏輯關系;在不插電編程活動中，還可利用游戲積木、卡片圖示、提示語、微視頻等學習支架，將復雜的問題分解轉(zhuǎn)化為簡潔明晰的操作。2.優(yōu)選"模型歸納"學習策略程序設計歸納模型主要鍛煉學生比較、概括、推理方面的能力，為進一步編寫復雜程序做好基礎準備。（1）共通原理。在機器人編程常見的項目中，如物品搬運分揀、無人駕駛汽車等，雖然控制過程非常復雜，但它們有著共同的原理：智能的感知識別、深度學習的經(jīng)驗積累和根據(jù)環(huán)境與經(jīng)驗做出的控制決策等。教師在編程中指導學生通過觀察關鍵動作，學習控制方法，自主建構模型，領悟控制原理。（2）分離比較。在人機五子棋、雙人足球等交互游戲項目中，教師需要引導學生將單個事件從同類事件中分離，通過區(qū)分研究事件、對象各方面的要素，同時明晰區(qū)分比較的必要性與合理性，初步體驗決策樹模型。（3）約簡提煉。教師通過枚舉、分類、概括等方法分析問題間的共性與可變性，通過提煉的方法撇開非本質(zhì)要素，以簡略的形式表述各要素之間的關系，進而抽象出解決問題的一般模型。3.探索“模型遷移”學習應用程序設計遷移學習利用數(shù)據(jù)、問題、模型之間的相似性，可以將學習過的知識、模型遷移應用于新項目的實踐創(chuàng)作中。（1）迭代復用。學生在編程過程中復用模型，可節(jié)省創(chuàng)作時間、降低編程難度，同時循序漸進地完善程序，增強創(chuàng)意編程作品的規(guī)范性、科學性和創(chuàng)新性。（2）局部變式。模型轉(zhuǎn)換的過程是不斷試驗和探索的過程。教師應設計出可以點撥學生舉一反三、通過變換問題轉(zhuǎn)換先前所歸納的模型，圍繞新的問題和需求不斷嘗試，更新模型來完成任務，提升學生發(fā)散思維和動態(tài)思維。（3）知識圖譜。教師應用知識圖譜引導學生建立節(jié)點之間的關系，避免模型碎片化，促進學生系統(tǒng)且有意義地學習。程序的編寫與優(yōu)化編程可以鍛煉學生的邏輯思維和計算思維，幫助學生更好地認識世界，促使他們從科技的消費者轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造者。教師在中小學各年級統(tǒng)籌編排編程主題活動，分步融入計算思維要素，迭代優(yōu)化實踐作品，進行展示與評價，有助于發(fā)展學生編寫與優(yōu)化程序的能力。1.項目學習，自主編寫程序目前國內(nèi)眾多平臺秉承開源、共享的理念，為中小學生提供一個搭建程序、快樂實踐創(chuàng)意的云平臺。平臺匯聚了各地優(yōu)秀的創(chuàng)意編程作品，包括交互游戲、自動化控制、創(chuàng)客設計等。學生在充滿趣味的氛圍中經(jīng)歷“運行程序—分析程序—提取指令形成指令集—分析指令集功能指向特點”的過程，從而逐漸提升個人“指令集”的高階思維水平，為編寫智能穿戴、語音識別等生活小應用積累程序模塊。同時，創(chuàng)意編程活動倡導小組合作的互動與表達。如教師給出繪本閱讀燈、月食的形成等科技創(chuàng)新項目要求，各小組統(tǒng)籌做好作品的規(guī)劃、程序的編寫和調(diào)試、作品的硬件拼搭、硬件的外形美化等。教師要關注編程活動的每個細節(jié)，從多個層面進行展示點評，一方面及時發(fā)現(xiàn)學生身上的閃光點，評析作品的優(yōu)點和特色;另一方面引導學生學會反思，優(yōu)化作品方案，從創(chuàng)新創(chuàng)造、藝術審美、用戶體驗、程序技術等方面改進作品，有意識地培養(yǎng)學生計算思維與設計思維的融合，鼓勵學生創(chuàng)新。2.學思融通，調(diào)試修改程序程序設計的重要環(huán)節(jié)是運行調(diào)試，學生在調(diào)試中學會理清邏輯關系，發(fā)現(xiàn)錯誤，修改程序。當前主流的互動編程平臺，學生能立即獲得所編寫程序的反饋，若程序執(zhí)行出現(xiàn)Bug，則系統(tǒng)會自行跳出提示。創(chuàng)意編程的過程并非一帆風順，一方面錯誤無法預料，另一方面運行效果與預期有差距，學生會對這樣或那樣的問題感到不知所措。教師應培養(yǎng)學生的耐心和自信心，倡導自上而下逐步求精，將一個復雜的功能拆分為多個小功能任務分步驟進行編寫，并且對每一次實現(xiàn)的功能進行測試，同時需要關注參數(shù)的設定、邊界值范圍等。修改比較大可能會呈現(xiàn)新的偏差或錯誤，教師要引導學生采用代碼放大修改法，突出重點，反復調(diào)試。程序的邏輯有時是違反直覺的，學生需要深層次分析。當面對單一程序時，可呈現(xiàn)關鍵點的結果，看看運行情況;當面對相互關聯(lián)的多個程序時，學生可以用消息同步多段腳本的執(zhí)行順序，也可以代入數(shù)據(jù)，單步執(zhí)行，逐行分析，深化程序邏輯的理解。此時學生需要發(fā)揮勇于探索的精神，教師不能草率否定學生的無效探究，也不能強求學生調(diào)試的方式、路徑與預設的一致。3.關注細節(jié)，優(yōu)化設計程序隨著程序設計的逐步深入，學生積累豐富的編程經(jīng)驗，可以通過細節(jié)的優(yōu)化來提高程序的運行效率。首先是提高程序可讀性，教師引導學生養(yǎng)成良好的習慣，如定義規(guī)范的名