基于計算思維培養的初中Scratch編程課程實施與研究

王世達

隨著信息技術的發展，特別是人工智能時代的到來，編程能力和計算思維成為21世紀的核心技能。初中是學生成長過程中非常重要的一個階段，通過實施Scratch編程課程，能夠培養學生的計算思維、邏輯思維、創新能力，整體提升他們的信息素養和綜合能力。本文對區級課題“基于計算思維培養的初中信息科技‘Scratch編程課程實施與研究”的成果與經驗進行總結，并提出相應的建議。

一、研究背景

1.時代發展對學生計算思維與編程能力的要求

隨著信息技術的發展，特別是人工智能時代的到來，計算思維和編程能力成為21世紀的核心技能。2013年底，美國非營利性組織 Code.org發起“編程一小時”倡議和活動，旨在讓學生們不再認為編程是一件神秘并且遙不可及的事情，任何人都能從基礎學起。但以往初中課堂一直缺少一款適合的編程軟件，而麻省理工學院（MIT）開發的Scratch軟件通過積木式指令讓學生有機會去思考、表達、創新，成為對學生進行計算思維訓練的有效載體，已經成為世界上使用最為廣泛的模塊化編程軟件。

2.探索通過課程實施整體提升學生信息素養的需要

初中信息科技的主要目標是培養學生的信息素養。從2014年起，上海市普陀區就對教師開展了相關培訓，而在2017年新版《上海市初中信息科技學科教學基本要求》（下稱《教學基本要求》）中，已經明確寫入了以Scratch為實施平臺，讓學生體驗人機交互與編程。通過課題，可以不斷豐富Scratch教學內容、收集案例、積累資源，拓展課程實施的內涵，同時根據不同學校、不同學生的情況，提煉不同類型的教學建議，整體提升學生的信息素養。

二、概念界定

1.Scratch

Scratch是由麻省理工學院設計開發的一款面向兒童的可視化編程工具。通過讓孩子們創建游戲、視頻和音樂，教會他們一些編程基本概念。學生不需要死記硬背，通過拖拽的方式即可輕輕松松地學會編程。

2.計算思維

計算思維是2006年3月由美國卡內基·梅隆大學計算機系主任周以真教授提出的。它是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類行為，本質是抽象和自動化。計算思維以計算機學科為代表，反映了計算的根本問題，即什么能被有效地自動進行。

三、研究方法

1.文獻研究法

通過對國內外計算思維、Scratch編程等方面的專著、論文等進行查閱分析，了解相關的研究經驗成果和前沿動態；通過對各種Scratch教材中的活動、案例等進行深入解讀、分析與改進，形成對研究有價值的指導和借鑒。

2.行動研究法

根據制訂的研究計劃，在本區4所初中信息科技教學活動中開展實踐探索和反思，形成一批Scratch教學課例集（教學設計、教案、實錄、反思）和學生作品集。在實踐中積累課例、發現問題、分析原因、改進方法、總結經驗，豐富初中年段信息科技課程的教學內容。

3.調查研究法

設計調查問卷和評價量表，開展調查研究，收集數據、分析數據，將抽象的計算思維能力轉化為可觀測、可評價的一些指標，對具有典型代表性的教師和學生開展訪談，了解學習Scratch編程對學生計算思維能力培養的效果；分析Scratch對學生計算思維培養產生的效果，并修改完善評價量表。

四、實施過程與策略

1.基地學校落實重點目標與區域整體推進相結合

根據前期文獻研究，綜合得出與Scratch緊密相關的關鍵字。截至2017年12月，前三位依次為：Scratch+游戲，共25篇；Scratch+計算思維，共19篇；Scratch+STEM（含STEAM），共12篇。

課題組的4所基地學校根據參與教師的研究特長，從這些關鍵字中提取、確定個人的研究方向，開展有針對性的探索。4所基地的主要研究方向與分工如下表所示。

同時，將Scratch教學內容擴展到近20所初中，通過信息科技課中的新技術探究以及拓展性課程開展了面上的實踐。

通過點上課題基地學校重點突破、面上區域整體探索的形式，區內近50%的初中開展了Scratch編程教學，實施的途徑主要有單獨設立Scratch拓展課、在信息科技的新技術體驗模塊中實施和通過興趣小組及社團以參加相關競賽帶動。

2017年12月發布的《教學基本要求》中也正式增加了“人機交互”的相關內容，通過讓學生使用Scratch編程實現和體驗人機交互程序，而2018年的初中信息科技學業考試也正式將Scratch納入了考核內容。課題組的實踐為區內各校開展Scratch編程教學，打好對接《教學基本要求》的基礎做好了準備。從對學業考試中涉及Scratch的兩道試題的分析來看，實施了Scratch教學的學校整體比未開展的學校得分率高21.4%。

2.游戲主題讓學生體驗從“玩家”到“設計師”的轉變

游戲是學生非常感興趣的內容，以游戲為例開展Scratch編程學習能夠激發學生的學習動力，體驗從“玩家”到“設計者”的轉變。課題組在硬件條件較好的江寧學校運用PicoBoard、WeDo套件、傳感器等開展了研究。

在實踐中，教師通過學生熟悉的三個游戲《超級馬里奧》《不要停！八分音符醬》《王者榮耀》，分別設計了“超級馬里奧——用滑桿控制角色移動”“不要停！八分音符醬之聲音傳感器應用”“王者榮耀之光線傳感器初體驗”三個項目活動，將學習內容與學生體驗過的游戲相結合，通過滑桿、聲音、光線三種傳感器的應用提高學生學習興趣。同時通過布置任務自主制作游戲來引導學生進行“玩家”到“設計者”的角色轉換，巧妙創設問題情境，激發學生學習認知內驅力，引導他們深入理解傳感器在Scratch編程中的作用。

課題組發現，由于學生編寫的程序都是自己曾經玩過的游戲，因而減少了設計游戲內容、規則、人物等眾多環節，能夠快速切入編程學習的主題；而從參考游戲范例、修改范例再到對范例進行再設計、再創新，有效降低了學習難度，讓學生克服了學習編程的畏難情緒，逐步掌握編程技能。學生了解了原來自己熱衷的游戲也是通過編程實現的，進一步提高了學習編程的熱情，同時迷戀游戲的情況也有所減少。

3.以問卷星為平臺，開發單元網絡學習支架

模型化是計算思維中的一個重要指標，讓學生通過網絡學習平臺開展自主學習，也是建立學習方法模型的一種途徑。同時，由于信息科技課程課時有限，使用網絡平臺也勢在必行，課題組在延河中學開展了基于問卷星的Scratch網絡學習支架的實踐。

課題組將每個單元設計為學習資源、3e學習單、作業提交三部分。其中學習資源主要是學生的學習支架，包括微課、微視頻等。教師在課前可以制作微課或微視頻，發布到平臺上，讓學生在學習之前或者學習遇到困難時，通過學習資源來開展自主、探究學習。3e學習單分別是課前預學單、課中探索單和達成自測單，包括學習目標、任務操作要求、在線練習、自我測試、評價反饋等功能。直接讓學生利用Scratch去編程實現還是有一定難度，教師可以將每個程序的學習過程分解為若干個易于解決和實現的小任務，讓學生通過問卷星中的關聯邏輯功能查看學習任務，并按照學習任務的要求層層遞進完成任務。此外，一般還會在3e學習單中設計1～2道測試題，通過平臺的統計，教師可以了解學生的姓名、答題正確率、答題時間和答題的具體結果。而在課后則讓學生通過平臺提交作業，并完成對課程以及自身學習情況的評價量表，通過多元化過程性評價，鍛煉學生歸納與概括的能力，也可以讓教師了解到每個學生的學習效果。

4.通過不同方式，測評學生計算思維的培養效果

對學生計算思維提升情況的評價一直是研究的難點，課題組根據上海師范大學王旭卿教授將計算思維分為計算概念、計算實踐、計算觀念的建議，以銅川學校為實踐基地，通過測評題、任務型作品和開放型作品三種不同的方式，來對學生的計算思維進行測評。

計算思維評測題以主觀選擇題的形式，考查學生將計算思維能力應用到生活中具體事件的能力，包括前測題和后測題兩個部分。測試均為百分制，分析Scratch編程對學生計算思維培養的作用。評測后發現，學生計算思維后測題的正確率相比前測題的正確率明顯提升，即Scratch創意編程的學習對學生計算思維能力的提升有明顯的幫助。

任務型項目活動作品需要學生完成限定內容的程序作品。教師制定相應的評價指標，分別給予作品“優秀”“良好”“需努力”三種等第的評價，最終統計出全部作品評價等第結果，并對其統計分析完成評測綜述。課題組發現，學生的學習大致可分為四個階段：初始學習內容雖然簡單，但由于學生并不理解計算思維，評測結果中“良好”居多；隨著學習的深入，學生逐漸理解適應了計算思維的學習，“良好”逐漸轉化成“優秀”；而隨著程序學習中較難的鏈表、循環等內容的出現，學習又產生了一定的困難，學生“優秀”率下降；而后在整個編程體系逐漸完善之后，學生對知識與技能逐漸內化，并逐漸習慣了計算思維這種思考問題的方法，于是“良好”又再次大量轉化成“優秀”。但隨著學習難度的提升，存在著“掉隊”的學生逐漸增多等情況。

開放型項目活動作品要求學生以小組合作形式完成自選內容的程序作品。除了包含學生在項目過程中的各項表現以及項目資料各項指標的自評、互評、師評外，還包含項目程序的單獨評測。項目程序的評測包含兩方面：一方面是項目程序的完整性，從游戲初始化判斷、角色對話、人機交互、角色交互、計分機制、游戲結束判斷這6個方面進行評測；另一方面是教師針對每個程序的個性化點評。這個評測標準本著開放的原則進行，主要從學生的程序作品中捕捉其思維動向，以發現其計算思維能力的成長。課題組發現，學生經過學習，其計算思維、編程能力均有一定提升，但也存在學生對程序效果的預期過高等情況。

五、結論與建議

1.結論

（1）Scratch編程對學生計算思維培養有一定的促進作用。通過實踐研究，各基地學校學生對Scratch編程有了一定的了解，學生計算思維能力與不開展Scratch教學的學生相比有所提升。

（2）各基地學校對教學內容與資源的優化整合，有效推進了課程的實施。通過建立在線自主學習平臺、開發基于游戲的程序學習內容，激發了學生的學習興趣、拓寬了學習途徑，也在一定程度上解決了初中信息科技課時少、內容多的困境。后續將對各基地校形成的優秀課例、教學資源、學習平臺進行梳理，配合課題形成的教學資源、平臺共享給區內各學校，為后續信息科技人機交互內容的教學提供經驗與借鑒。

（3）對初中學生計算思維的培養也不僅僅局限于Scratch等模塊化編程軟件。在信息科技的項目學習過程中，通過項目活動任務要求的布置、明晰，對工作步驟的優化，其實也體現了計算思維中的抽象、建模的核心。

2.建議

（1）編程教育的目標不僅僅是教會學生編程，更重要的是培養學生的思維。后續將思考如何超越傳統的編程教育，將編程、計算思維與工程思維進行結合，通過跨學科、STEM的方式從信息科技學科的計算思維培養拓展到生活中用計算思維解決問題的能力。

（2）盡管課題組驗證了Scratch編程教育對學生的計算思維培養有一定幫助，但由于課題僅開展了兩年時間，僅對學習了一年的學生進行了測量，因此后續還要通過長期的跟蹤觀察，來綜合評估學生計算思維培養的實際效果。

（3）隨著教育部《普通高中信息技術課程標準》的出臺，初中也需要在目前模塊化編程的基礎上，開展人工智能編程語言Python的探索，為后續編程教育的進一步推進打好基礎。