基于計算思維的Scratch項目式教學策略研究

陶雙雙 王戈

【摘 要】“計算思維”與讀寫算一樣，是學生需要掌握的必備技能之一。為了能培養這種思維能力，本研究選用Scratch作為編程工具，運用項目式教學策略，讓學生體驗“需求分析—總體設計—編程實現—分享拓展”的項目開發全過程。通過反復經歷“分解、抽象、概括、算法、評估”，最終提升其計算思維能力。

【關鍵詞】計算思維;Scratch;項目式教學

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2019）02、03-077-04

從2006年3月美籍華人周以真教授提出“計算思維”概念以來，學者們便開始對其內涵及落實的策略進行研究。周以真教授對計算思維進行了概念性和操作性兩個維度的專業界定，由于本研究著眼于基礎教育教學，因此，主要從計算思維的操作性維度來理解其內涵。

筆者通過文獻追蹤了國內外K-12教育中相關成果，從操作維度看，計算思維的組成元素包含如下5個方面[1]：算法（Algorithmic thinking）、評估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalization）。

谷歌中國教育合作項目推出了《面向教育者的計算思維課程》[2]，把計算思維劃分為如下4個組成要素：分解（解構）、模式識別、抽象（模式歸納）、算法開發。

為理解和研究的方便，筆者按照項目開發流程把計算思維的組成要素重新排列為：抽象（理解任務）、分解（分解任務）、概括（運用已有知識）、算法（設計步驟）、評估（檢驗算法）。當然，在實際問題解決過程中，這五個要素并不是遵循嚴格的線性關系，可能很多時候是互相疊加的。

Scratch項目式教學策略設計

Scratch教學中的項目可以是游戲、動畫或者應用軟件。按照軟件項目開發過程，本研究中將項目教學分為四個環節，分別是需求分析、總體設計、編程實現和分享拓展。我們以“迷宮尋寶游戲”為例來說明。

1.需求分析

需求分析是項目開發的首要環節，其目的是能明確用戶需求，真正理解項目的功能。

（1）理解需求。在實際軟件開發過程中，項目多是來源于客戶需求，作為開發者，需要多與客戶交流，了解客戶對于項目的要求有哪些，爭取盡可能多地理解用戶需求。對于學習者來說，除了有來自老師的要求外，也有很多自我創意的部分，無論項目來源于哪里，都需要能明確項目到底要做什么，包括哪些具體功能。

（2）描述需求。在理解了項目需求后，可以用“六要素”法將需求描述出來，有利于提升學生的抽象能力。“六要素”是指：時間、地點、人物、起因、經過、結果。比如：游戲何時開始、何時結束、有無限定時間、游戲發生的地點、人物有哪些、起因、經過和結果是什么，等等。如表1所示。

（3）分析需求。根據功能描述，將所有的名詞和動詞找出來，將他們互相匹配，即為動詞找到主語（名詞），最終在匹配成功的名詞里確定哪些適合作為角色，如表2所示。接著，再找到和數據有關的詞語去確定變量，找到“如果……那么”和重復，確定程序的邏輯和流程。

經過這種逐層抽象后，接下來，可以再用思維導圖把分析結果表示出來，對項目由上到下、由粗到細做了大致分解，形成了幾個功能模塊，該環節有利于提升學生的分解能力。篇幅所限，這里僅展示“小貓”的行為設計，如圖1所示。

2.總體設計

該階段包括兩個環節，一是劃分功能模塊，二是總體流程設計。

（1）劃分功能模塊。畫好角色行為設計圖后，項目包含的模塊基本清晰可見。該項目包括“背景設計、小貓移動、寶貝出現（將計分合并）、障礙物旋轉”四個模塊。劃分出功能模塊后，就會對項目有總體上的把握。

（2）總體流程設計。該環節主要是從用戶的角度，根據程序運行過程，設計出模塊之間的邏輯關系，形成總體流程設計圖，如圖2所示。該環節的設計有助于提升學生的系統設計能力。

圖2 總體流程設計

3.編程實現

完成項目設計后，就開始對每個模塊進行編程實現，而編程之前先要進行算法設計，即先要明確解決某個功能或問題的步驟，然后據此編寫程序。

（1）算法設計。這一環節屬于編程的核心，也是難點，設計工具是繪制流程圖，用以表達程序中的順序、選擇以及循環等邏輯結構。圖3所示是“迷宮尋寶游戲”中小貓移動過程中的各種情況處理對應的算法流程圖。

（2）編寫程序。編程時，首先需要考慮選用何種編程語言，這里選用的是Scratch。在學習Scratch的基本語法和指令后，就可以依據該算法編寫出相應的程序。通過運行程序，觀察結果，檢測和評估算法的準確性，反復修改，如圖4所示。

圖3 算法設計

圖4 編程實現

（3）調試程序。準確地說，調試是伴隨編程的全過程，“出錯”是編程的常態。甚至說程序出錯是好事，因為出錯了，我們才能發現自己到底哪里理解得不夠，是語法錯誤，還是整個邏輯上的錯誤。所以，調試程序的過程其實是在檢驗自己的思維過程，幫助我們提升問題分析和解決的能力。

同時，在該過程中，學生會經歷從起初的興奮到遇到問題后的沮喪，從急躁到耐心，從自負到欣賞他人，從單純的競爭到共同協作，能體會到編程過程中的互幫互助，這些都在潛移默化地培養學生良好的學習習慣。

4.分享拓展

為了讓學生敢于正視不足并學會欣賞他人，設置“分享”環節，開展互玩程序活動。在體驗別人程序的同時，學習他人的創意與思路，提出改進建議，同時展示說明自己程序的亮點及不足，提升總結與概括能力。

教學實踐中發現，學生體驗多次的展示分享后，更加地開放，會主動與同伴交流，會吸取更多的創意和更優化的思路及算法。比如：在實現迷宮尋寶游戲后，很多學生會考慮為游戲增加暫停、倒計時、設置不同難度級別等功能。

項目教學實施建議

1.花時間引導學生分析和設計

實際教學中，課時少，項目本身容量大，前期的分析和設計也要花大量的時間。教師們為了趕教學進度，經常把教學重點放在了“編程實現”環節，“分析和設計”環節很多時候浮于表面，甚至是教師代替學生去分解項目模塊。這樣的話，學生其實并沒有體驗到面對陌生問題時的無從下手，也體驗不到從模糊到清晰的思維分析過程，計算思維培養其實并沒有真正落地。因此，教學中需要為“需求分析”和“總體設計”兩個環節花費時間，這兩個環節做好了，學生后期編程時會有更多的積極性和目標性。

2.小步調地設計與編程

“需求分析—總體設計—編程實現—分享拓展”是一個縱向環環相扣的過程，但具體在教學實施過程中，并不建議嚴格地按照這樣的環節來實施教學。因為做需求分析和設計不是一兩節課能完成的，如果集中把這些工作做完再去編程，很容易讓學生失去學習興趣。所以建議采用“小步調設計與編程”策略，即設計一點兒實現一點兒展示一點，這樣學生會始終帶著目標和興趣去學習。

3.開展小組合作學習

為有效開展小組合作學習，需要有共同的任務讓大家參與，否則很多合作流于形式。在對項目做分析和設計時，可以讓學生兩人一組或多人一起描述和討論游戲功能，一起在紙上繪制角色行為設計圖。筆者運用了在線實時協作作圖網站，在網站上建立小組，組長邀請成員，一起在線分工繪制思維導圖，并實時顯示結果，這種方法可以讓每個學生真正體會到合作的力量。

4.線上線下混合式學習

在項目學習過程中，每位同學的任務完成進度不一樣，遇到的問題也是五花八門，這時需要教師作為指導者，在學生出現問題時能及時參與并引導。為此，在教學中嘗試搭建了Moodle自主學習平臺，開發了項目課程，包括有關知識點和模塊實現的微視頻和課件，方便學生自主選用學習資源，這種線上線下混合式學習模式為項目教學的實施提供了資源支持。

參考文獻

Computing at SchoolWorking Group. Developing computational thinking in the classroom：a framework[DB/OL].（2014）.https：//eprints.soton.ac.uk/369594/1/DevelopingComputationalThinkingInTheClassroomaFramework.pdf. [2018-12-01].

毛澄潔等.Google中國教育合作項目——Google計算思維課程（中文版）[DB/OL].http：//gur.zucc.edu.cn/curriculum/resource/5a0ba2c899dc9f2478aa35a8.（2016）.[2018-12-01].