基于計算思維培養(yǎng)的 Scratch編程教學(xué)的實踐與研究

【摘要】計算思維是當前全球教育領(lǐng)域備受關(guān)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(xué)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(yù)先設(shè)定好的積木組合到一起，就可以構(gòu)成程序代碼，完成特定的任務(wù)，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(shè)情境、有效抽象、合理分解、設(shè)計算法和編寫程序五個方面，探討如何在Scratch編程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維?！娟P(guān)鍵詞】計算思維;Scratch編程教學(xué);思維導(dǎo)圖計算思維作為信息時代學(xué)生認識世界、改造世界的方法論工具，也是信息技術(shù)學(xué)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(xué)生計算思維的熱門工具，初中信息技術(shù)學(xué)科選擇Scratch進行編程教學(xué)，讓學(xué)生通過簡便的積木式指令模塊的操作，學(xué)習(xí)程序組建，學(xué)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(shù)課程標準（2017版）》，首次將計算思維納入了信息技術(shù)學(xué)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(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)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(xué)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(xué)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(shè)情境，引出游戲問題創(chuàng)設(shè)情境，以游戲體驗激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)編程思維，引出如何設(shè)計“勇闖迷宮”程序的問題?！坝玛J迷宮”游戲的劇情是由學(xué)生設(shè)計的，劇情內(nèi)容是勇士穿越迷宮，獲得能量石，拯救仙女。學(xué)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(jié)束。有效抽象，設(shè)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(nèi)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(guān)鍵步驟，學(xué)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(dǎo)學(xué)生結(jié)合游戲規(guī)則，有效抽象問題，設(shè)計個性化游戲迷宮圖。學(xué)生親手設(shè)計迷宮，畫出迷宮中形形色色的通道，設(shè)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(chǔ)。合理分解，構(gòu)建思維導(dǎo)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(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為一個個可解決的小問題，助力學(xué)生更好地分析、解決問題。在Scratch編程教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)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(gòu)建思維導(dǎo)圖。通過問題的合理分解，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“勇闖迷宮”游戲?qū)崿F(xiàn)有兩個關(guān)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(shè)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(xué)生經(jīng)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(chǔ)。這時候使用流程圖可以將復(fù)雜的游戲問題更直觀化，加深學(xué)生對該程序的理解。為了設(shè)計符合學(xué)生認知規(guī)律的活動，教師可以為初中學(xué)生提供部分執(zhí)行流程，留出一部分內(nèi)容讓學(xué)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(xué)生填寫Y坐標值的變化情況，使學(xué)生更高效地設(shè)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(diào)試優(yōu)化腳本程序調(diào)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(diào)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(xué)中，教師為學(xué)生提供了探究單，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)模塊功能，并結(jié)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(dǎo)學(xué)生通過觀察Scratch程序運行的及時反饋，引導(dǎo)學(xué)生從“勇闖迷宮”游戲的功能、程序復(fù)雜度等方面重新審視該程序，并不斷調(diào)試、優(yōu)化程序。如勇士不會隨著運動方向調(diào)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(xué)生做出進一步的診斷，找出原因、想出辦法。學(xué)生通過不斷調(diào)試程序，理解程序的執(zhí)行邏輯過程，提高用信息技術(shù)解決問題的能力，提高計算思維能力。計算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素