基于計算思維培養(yǎng)的 Scratch編程教學的實踐與研究

【摘要】計算思維是當前全球教育領域備受關注的話題，在一些歐美國家被譽為現(xiàn)代社會人才所必須具備的能力之一，從而引發(fā)眾多學者對計算思維教育的研究。Scratch采用可視化、模塊化的編程方式，只需要將預先設定好的積木組合到一起，就可以構成程序代碼，完成特定的任務，使編程如同搭積木一樣簡單且有趣。本文以“勇闖迷宮”為例，從創(chuàng)設情境、有效抽象、合理分解、設計算法和編寫程序五個方面，探討如何在Scratch編程教學中培養(yǎng)學生的計算思維?！娟P鍵詞】計算思維;Scratch編程教學;思維導圖計算思維作為信息時代學生認識世界、改造世界的方法論工具，也是信息技術學科核心素養(yǎng)的重要成分。計算思維以解決問題為目的，問題抽象是解決它的前提，達到自動化則是目的。計算思維的培養(yǎng)有著舉足輕重的作用。Scratch編程軟件是一種培養(yǎng)學生計算思維的熱門工具，初中信息技術學科選擇Scratch進行編程教學，讓學生通過簡便的積木式指令模塊的操作，學習程序組建，學會分析問題、解決問題的思維方法，進而發(fā)展計算思維能力，這對于信息科技核心素養(yǎng)的培育很有必要。2018年1月，教育部印發(fā)《普通高中信息技術課程標準（2017版）》，首次將計算思維納入了信息技術學科核心素養(yǎng)。該課程標準指出，計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。在基于計算思維培養(yǎng)的Scratch編程教學的實踐與研究中，筆者以“勇闖迷宮”游戲創(chuàng)編為明線，以計算思維形成的過程為暗線，明暗交織、環(huán)環(huán)相扣，讓學生在游戲創(chuàng)編中不斷感受人機交互的樂趣，提升計算思維能力，提高信息意識。創(chuàng)設情境，引出游戲問題創(chuàng)設情境，以游戲體驗激發(fā)學習興趣，啟發(fā)編程思維，引出如何設計“勇闖迷宮”程序的問題?！坝玛J迷宮”游戲的劇情是由學生設計的，劇情內容是勇士穿越迷宮，獲得能量石，拯救仙女。學生通過游戲體驗，能夠簡單地描述游戲的規(guī)則：使用方向鍵控制勇士的上下左右四個方向的移動;當勇士碰到能量石時，提示信息：“獲得能量石！”游戲結束。有效抽象，設計迷宮地圖所謂有效抽象，是指依據(jù)計算模型，對現(xiàn)實世界中涉及的問題通過忽略一些次要的內容進行抽象和形式化表達，為編寫程序提供依據(jù)。有效抽象是解決問題的關鍵步驟，學會有效抽象，可以更容易地找到解決問題的切入點。教師組織“勇闖迷宮”游戲的需求分析，引導學生結合游戲規(guī)則，有效抽象問題，設計個性化游戲迷宮圖。學生親手設計迷宮，畫出迷宮中形形色色的通道，設置勇士和能量石角色的初始位置，為后續(xù)進一步解決問題奠定了基礎。合理分解，構建思維導圖所謂合理分解，是指將一個大的問題分解成若干個簡單部分或模塊，使復雜問題轉化為一個個可解決的小問題，助力學生更好地分析、解決問題。在Scratch編程教學中，教師引導學生對“勇闖迷宮”游戲這個大問題進行分解，探討游戲的背景、角色以及角色的主要動作，構建思維導圖。通過問題的合理分解，學生發(fā)現(xiàn)“勇闖迷宮”游戲實現(xiàn)有兩個關鍵問題：一是勇士上下左右行走的控制問題，二是勇士碰到迷宮墻壁的退回問題。設計算法，簡化執(zhí)行流程算法是計算思維中的重要概念，是一系列解決問題的清晰指令，它代表用系統(tǒng)的方法來描述解決問題的一種策略機制。學生經過有效抽象問題和合理分解問題后，對于“勇闖迷宮”游戲的編程有了一定的基礎。這時候使用流程圖可以將復雜的游戲問題更直觀化，加深學生對該程序的理解。為了設計符合學生認知規(guī)律的活動，教師可以為初中學生提供部分執(zhí)行流程，留出一部分內容讓學生去填空，降低編程的難度，增加編程的趣味性。筆者以勇士不能穿越迷宮墻壁的部分流程為例（圖1），通過學生填寫Y坐標值的變化情況，使學生更高效地設計算法，深入了解程序執(zhí)行的過程，提高后續(xù)編寫代碼的效率。編寫程序，調試優(yōu)化腳本程序調試是指將編寫的程序進行測試，修正語法或邏輯錯誤的過程。調試、優(yōu)化是保證程序更加正確合理的必不可少步驟。在Scratch編程教學中，教師為學生提供了探究單，引導學生自學模塊功能，并結合流程圖，利用“控制”“動作”“外觀”“事件”等Scratch模塊中的指令，編寫“勇闖迷宮”游戲。在編寫程序的過程中，教師要注重指導學生通過觀察Scratch程序運行的及時反饋，引導學生從“勇闖迷宮”游戲的功能、程序復雜度等方面重新審視該程序，并不斷調試、優(yōu)化程序。如勇士不會隨著運動方向調整角度，如何優(yōu)化？勇士運動過快或者過慢怎么辦？根據(jù)測試Scratch程序時所發(fā)現(xiàn)的問題，學生做出進一步的診斷，找出原因、想出辦法。學生通過不斷調試程序，理解程序的執(zhí)行邏輯過程，提高用信息技術解決問題的能力，提高計算思維能力。計算思維是信息技術學科核心素