Swift Playgrounds培養學生計算思維的實踐探索

夏小剛+鄭長宏+孟延豹

前言：

成都七中初中學校（以下簡稱“七初”）是筆者長期關注的學校之一，七初在創新上是非常突出的，教師們都有非常強的創新意識，所以它每過一段時間就能給我一些驚喜。當然，創新同樣也是基于老七中“啟迪有方，治學嚴謹”的優秀傳統，再結合社會對未來人才的需求、學科發展方向、學生未來生活走向來進行設計。在今天的文章里，我們可以看到七初的信息技術教師，是如何根據學科目標以及教學APP的特點進行細致規劃，將信息技術的編程課程改變得讓學生更愿意學的。

Swift Playgrounds介紹

Swift Playgrounds是一款適用于iPad的創新APP，能讓學生以互動有趣的方式來學習Swift。它不要求用戶具備編程知識，所以非常適合初學者。學生可以先從闖關解謎開始，掌握Swift的基礎知識，再接受一系列挑戰，走向apple和其他頂尖開發者設計的更高級Playground。

主角Byte所在的世界存在各種關卡。你需要編寫命令，讓Byte不僅能動，還能執行任務。例如，在第一關中，你需要組合moveForward（）（向前走）和collectGem（）（收集寶石）兩種命令，完成讓Byte走到寶石所在地，并收集寶石的任務。

Swift Playgrounds采用游戲化闖關學習的方式，符合中小學生的心理特征，能充分激發他們的學習興趣。Swift 3.1包括命令、函數、For循環、條件代碼、邏輯運算符、While循環、算法七大模塊；Swift 3.2包括變量、類型、初始化、參數、構造世界、數組六大模塊；它最新的1.5版本，可以用自己編寫的代碼讓機器人完成不可思議的事情。隨著學習的一步步深入，學生不僅能用專業開發者日常所用的代碼來攻克各個目標，還能迎來更高級別編程概念的挑戰。

為什么要培養學生的計算思維

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，主要表現在形式化、模型化、自動化和系統化四個方面。形式化：在信息活動中能夠采用計算機可以處理的方式界定問題，抽象關鍵要素，分析要素間的關系；模型化：建立信息處理的模型，合理組織數據，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案；自動化：探究利用信息技術解決問題的過程與方法，實現解決問題方案的自動化運行；系統化：形成解決問題的系統過程，將其遷移到與之相關的其他問題解決中。

計算思維作為信息技術學科核心素養的核心內容，依托編程教育來落實是最佳的途徑。

我校編程教育遇到的問題

1.我校編程教育的實踐歷程

自2008年建校起，我校秉承成都七中的優良傳統，在活動課中開展了面向競賽的機器人編程教育。2010年增加了面向信息學奧林匹克競賽的基于Pascal/C語言的活動課。隨著時代的發展，編程教育在信息技術中的地位越來越重要，為了讓更多的學生接觸編程，學校于2012年開設了基于Scratch的圖形化編程課程，以便培養學生的計算思維。2014年，學校開始開展基于Arduino的開源硬件編程教育。

2016年12月，為了落實學校的中長期發展規劃，體現未來學校的課程理念，學校有效整合國家、地方和校本三級課程，并結合所有班級都是學生“BYOD”（自帶iPad）的特點，組成了“一對一”數字化學習班級。學生利用自己的iPad和無處不在的網絡環境實現了真正的泛在化學習。我校信息技術教研組還在2016—2017學年度下學期利用信息技術課實施了STEAM課程的模塊化走班教學，并提供了9個模塊供學生選擇（如下圖）。

在課程開展的準備階段，我們對學生的學習興趣做了問卷調查。數據顯示，部分學生對編程具有濃厚的興趣。

為了更好地滿足學生的個性化學習需求，同時發揮信息技術教師的專業特長，我校在初一年級采用了“學科內走班”的形式，開設了C++程序設計、3D打印、iPad影視制作3個模塊課程。每兩個班90名學生根據自己的學習興趣選擇3門課程中的一門進行學習，每個班限定30人以內，實現小班化教學。

2.遇到的問題

歷經九年的編程教育實踐，我們積累了不少經驗，也遇到了不少問題。最突出的問題是，當以C++語言為基礎的編程課程從活動課走進信息技術常規課以后，大多數學生表示：①C++編程是純代碼編程，符號多，命令（關鍵字）多，不容易識記，也不容易理解。②編程的界面與結果的界面都是基于字符的，看起來不友好，學起來比較枯燥。③不能產出直觀的作品，學習成就感低，不理解編程教育的目的。

同時，經過半年的教學實踐，幾位教師也認識到在初中階段不適合用C++語言開展普及性的編程教育，主要原因有兩點：

一是C++教學周期較長，與初中信息技術課時之間存在矛盾，即在一個模塊教學的課時周期內，無法完成最基本的C++編程基礎的教學。

二是絕大部分初中生都將學習的主要精力（難點）集中在了基本符號、基本命令（關鍵字）與基本格式的識記和運用上，根本談不到學習編程思想和培養計算思維。

Swift Playgrounds的優勢

我們探索了多個基于iPad的編程APP：Scratch Jr、Hopscotch等過于簡單，比較適合小學階段的學生；Encode、Python、Java等過于抽象，不太適合在初中階段進行編程入門教育。然而，在體驗了Swift Playgrounds編程軟件之后，我們發現它很有意思，于是邀請七年級3名學生進行了Swift Playgrounds編程體驗，指導他們下載了該APP，進行了為期15天的連續學習。之后，我們對他們進行了調查，調查結果如下頁表所示。他們一致認為Swift Playgrounds比較有趣，能幫助自己學到一些英語單詞，同時，有助于鍛煉自己的邏輯思維能力、空間想象能力和自動化思維，對數學、英語等學科的學習有所幫助。

在“游戲”的過程中，3名學生嘗試著像Byte（程序中的角色）一樣一步步去完成任務。綜合學生的反饋及教師的體驗，我們認為相對于純代碼編程和純圖形化編程，Swift Playgrounds具有如下優勢：①圖形化降低了編程入門難度；②游戲化激發了學生的學習興趣；③促進了學生計算思維的發展。

面向計算思維的編程教育初步設計

由于Swift Playgrounds是蘋果公司開發的針對初學者的編程教育APP，只有iOS版，所以開展此門課程需要具備一定的硬件基礎。而我校自2012年開始開展基于iPad的一對一數字化學習實踐，積累了利用教育APP輔助教學的豐富經驗，同時，學生也有較強的信息素養來完成課程學習。基于此，我們計劃按照以下三個流程來設計課程。

1.教師自我成長

目前在蘋果官網上，已有2本關于Swift的電子書，即《使用Swift開發APP入門課程教師指南》和《學習編程1&2教師指南》。兩本書的設計均符合編程教育的基本流程，可以作為教師參考用書。同時，edX平臺上也有相關MOOC，可供教師參考學習。

2.探索如何應用Swift語言和Xcode開發APP

教師應該主動探索Swift Playgrounds，了解其特點，理解設計者的學習路徑設計。同時，學習掌握如何應用Xcode和Swift語言開發簡單的APP，提高自身的編程教育能力，為學有余力的學生提供更多的引導。

3.編程教育初步設計

（1）課程定位

具體的課程設計是應用計算思維和編程去探索生活中的數學問題、工程問題、結構和流程問題，從而培養學生的迭代思維、試錯、調試方法等程序思想，逐漸培養他們的計算思維。

（2）課時建議

建議一學期的課時采取“課內10課時學習+課外5課時學習+課內5課時分享”的方式。這樣做，一方面，學生能充分利用信息技術模塊課的時間進行課內學習，并進行充分的師生、生生、生機互動，在互動中學習，交流分享；另一方面，考慮到Swift Playgrounds游戲化的設計，鼓勵學生在課外時間完成部分學習內容，為接下來開發APP留有充足的學習時間。

（3）教學方式建議

建議采取“課堂學習+課外活動”的形式，如組織全校師生開展基于Swift的“編程一小時”活動。

（4）學習評價建議

過程性評價和總結性評價相結合。既要考查學生對相關編程語言和程序結構的掌握情況，又要關注學生的學習興趣和對課程本身的認可。