基于Scratch培養初中生計算思維實踐?

華俊

計算思維教育不是把所有學生都培訓成“程序員”，而是發展學生利用信息技術工具與學科方法解決問題的能力，使其成為合格的“數字化公民”。Scratch軟件是一款由麻省理工學院設計開發的編程工具，其特點是構成程序的命令和參數通過積木形狀的模塊來實現。在Scratch教學中，提升學生計算思維能力的實質就是培養學生利用計算機思考解決問題的辦法（算法分析）和具體實現的過程（程序實現）的能力。

挖掘計算思維在初中信息技術課堂中的核心要素

基于Scratch軟件教學來培養初中生的計算思維，筆者將麻省理工學院Scratch研究小組提出的計算思維三層架構和我國信息技術學科核心素養中有關計算思維的定義對接起來。對接如下：①計算思維概念：運用計算機科學領域的思想方法形成解決問題方案的過程中，所包含的一系列思維活動。計算概念包含順序、循環、并行、條件、事件、回溯、運算符、數據等。②計算實踐：具備計算思維的學生在信息活動中能夠采用計算機可以處理的方式界定問題，抽象問題特征，建立結構模型，合理組織數據;通過判斷、分析、綜合各種信息資源，運用算法設計解決問題的方案。③計算觀念：總結利用計算機解決問題的過程與方法，并且遷移到與其相關的其他問題解決之中。

筆者結合教學實踐，提煉了初中信息技術課堂體現的計算思維核心要素以及每個核心要素在初中信息技術教學中計算思維的體現，如下表所示。在教學中，教師不能簡單地關注以上表格的某一個要素，要培養學生的計算思維就要全面關注以上七個要素，關注系統性。

開發校本教材

1.教材整體解讀

整套校本教材共開發了4個單元，每個單元分別包含3課、2課、5課、4課，每課內容1課時（45分鐘）。第一單元到第三單元針對全體學生，第四單元針對選拔出來的社團學生。在開發教材前，筆者對本校初一新生進行了問卷調查，學生在小學階段已經具備了一定的Scratch軟件學習基礎，為學生在初中階段更好地用Scratch軟件思考解決問題和具體實現提供了可能。如果將Scratch作品比喻成一座房子，那么Scratch軟件的八大模塊組中包含的目前計算概念中涉及的順序、循環、并行、事件、條件、運算符、數據等要素就相當于磚頭，也就是說可以將計算概念類比成蓋房子所用的磚頭，計算實踐就可以類比成蓋房子的整個過程，學生的作品成果映射出磚頭、過程方法以及在過程中形成的品格。磚頭可能是蓋房子的時候需要，但是在這個過程中形成的思維方法和品格可能在學習和生活中也需要，這就是計算思維中的計算觀念遷移到了與其相關的其他問題解決之中。

2.教材單元解讀

第一單元在小學的基礎上進行授課。我們用3課時將“磚頭”（八大模塊組中涉及的圖形化模塊）傳達給學生，并用“磚頭”搭建一些簡單的房子。第二單元是第一單元和第三單元的過渡，如果說第一單元是讓學生在理解計算思維的基礎上，明確了本教材每課的內容是以“磚頭—搭建過程—房子”模式去開展的話，那么本單元就是重視了搭建過程。第三單元的內容是基于學生對“磚頭”和“搭建過程”有了積累之后進行編寫的，在每課的實施上，先給出一個情境模型，學生用問題化的學習方式自主探究搭建過程，生成一座房子。第四單元要依據學生對前三單元的掌握情況，結合學生的意愿、能力、意志品質選拔部分學生進入拓展模塊的學習。在拓展模塊里，學生會結合主題自主設計規則、設計方案、準備資料、編寫程序、搭建實物、調試程序、修改作品、展示交流并推廣。

提煉初中Scratch軟件課堂教學流程

編程不是主要任務，課堂上基于“算法”的方案設計在學生心中地位提高了，對學生來說，編程是對設計方案的檢驗。綜合前面對計算思維要素的挖掘，筆者提煉出課堂教學流程（如下圖）。

教師在課堂上要引導學生經歷計算思維過程。流程圖上方是課堂教學環節，中間是師生需要做的工作，下方是培養學生計算思維涉及的要素。計算思維的形成包含兩個階段：從感性具體上升到思維抽象、從思維抽象上升到思維具體。在上頁圖中，從課堂開始到小結點撥完成了第一個階段，從小結點撥到任務結束完成了第二個階段。小結點撥是中間過渡環節，在分析游戲之后、編寫游戲之前，學生完成了“思維抽象”的過程。

①課前備課。隨著課時的推進，教師要結合學情重視資源的開發，因為資源會在課堂教學中起到“腳手架”的作用。②課堂導入。在課堂導入環節，師生要明確本節課要解決的問題，通過學生對任務的理解，實現學生對問題的自主界定和自主表征，培養學生的抽象能力。③分析子任務。課堂任務的設計要有梯度，課堂總體任務有幾個梯度，就要分解成幾個子任務，這個核心過程要對應重復幾次。這樣，就可將課堂教學目標分解成教學環節，層層遞進去達成。④子任務總結點評。學生對每個梯度的子任務進行分析后，要形成解決方案，在此環節，每位學生要把自己對子任務的解決方案進行總結，教師要選出典型方案展示，要組織學生針對子任務的總結方案，進行初步評估。⑤開發測試。這一步是每位學生根據自己的“選擇最優方案”進行編程、調試，那么編程階段就是對方案的檢驗，實現了對自己心中認為最優方案解決問題的可行或者不可行的檢驗。⑥總結拓展。這一步是通過組織學生對課堂總任務進行總結，是對自己選擇的最優方案經過檢驗后的匯報，也是對學生計算思維中“概括”要素的進一步培養。通過拓展環節，實現學生對自己個性化方案作品的進一步設計、資料選擇、游戲制作。

探索以培養計算思維為目標的教學策略

教師深挖Scratch軟件可以解決的問題，整合教材后，在課堂上從發現問題、分析問題、解決問題的思路來引導思考。在具體實施過程中，筆者采用了以下教學策略。

1.鼓勵學生主動形成解決問題的思路

在實際教學中，可以讓學生先玩一玩游戲，并引導學生通過觀察玩游戲的過程思考與游戲開發緊密相關的核心問題。這樣不僅可以調動全班學生的興趣，還可以把學生引入到思考解決問題的起點，讓學生提升表征問題、界定問題、提煉問題的能力。

2.鼓勵學生接收可視化教學理念

給學生提供任務（項目）解決的流程圖、概念表征圖示（變量、鏈表）。問題解決流程圖的運用可以采用以角色為對象，逐一解決問題，過渡到從整體上把握腳本的編寫思路。在課堂實踐時，流程圖是在學生思考的基礎上生成的思考模型，流程圖要隨著學生思維的發展逐漸生成，這樣會收到更好的效果。以筆者開發的《深海逃亡》一課為例，學生分組討論后，引導學生仔細思考組合模塊，自制教具引領學生展開程序分析，學生組合教具，自主生成流程圖進行課堂展示，此后再引導學生參照流程圖進行程序編寫。

3.重視程序調試、修改

遇到課堂難點時，教師應該以實踐和探究作為課堂主要教學方式，引導學生進行小組合作學習，激發學生積極主動探究相關問題，從而以糾錯的方式改進程序。通過程序調試，診斷我們的解決方案能否完成設計的效果，并考慮如何改進。教師只有在課堂教學中針對難點，巡視出典型例子組織學生思考、研討、修改、完善，才會讓學生聚焦難點進行調試，突破課堂難點，進而達到培養學生計算思維的目的。例如，在《紅海行動》課例中，在學生即將編寫完游戲，筆者在課堂巡視過程中發現，很多學生都會遇到如下問題：玩完一次游戲之后，中國軍艦的位置沒有回到游戲初始位置，導致上次體驗的結果影響了本次的運行（有些學生一開始游戲，立即成功或者失敗）。筆者抽取了一件有這類典型問題的學生作品進行演示，將問題在課堂上展現，在全體學生明確問題之后，組織學生分小組討論，討論過后進行修改，使學生通過直觀的觀察，聚焦修改后的一條語句后，感受到了游戲初始化的重要性。

4.鼓勵多種算法，打破固有思路

教師既要在備課時重視多種思路的預設，又要在課堂進行時重視多種思路問題的生成。在課堂上教師鼓勵學生質疑和創新，應盡量采用一題多解的方法，然后進行比較，最終選擇最優的方案，以此來拓展學生思路，進行有意識的思維訓練。同時，因為算法多樣化，教師也要尊重學生的思維方式，理解學生能力的個體差異。例如，在《聲音模塊組》一課中，用鋼琴演奏樂曲，當教師提出問題用Scratch軟件演奏一曲樂曲之后，有些學生用彈奏音符語句演奏每個音符，最后將這首歌演奏出來，也有些學生建立鏈表將音符存在鏈表中，然后再用循環結構訪問鏈表的方式優化了腳本，將這首歌彈奏出來。

培養學生計算思維過程中的操作建議

1.結合學情重視對計算思維內涵的挖掘

對內涵的挖掘既要看文獻又要聯系教學實際。對內涵的挖掘深度和后續的培養效果之間既互相聯系又互相促進。因此，教師要深入結合教學實踐，對“培養學生計算思維”這一主題有自己的個性化理解。

2.計算思維培養要結合學情，注意層次性和漸進性

思維的形成受很多因素影響，計算思維訓練是一個長期的過程，切忌急功近利，將計算思維教育簡單化。單純的傳授知識的教學不是思維教學，思維的培養必須基于所教學生的認知基礎，符合學生計算思維發展規律。所以，教師要了解學生的認知基礎，注意計算思維培養的層次性和漸進性。以大連地區為例，小學時學生有過Scratch學習經歷，但小學、初中沒有針對計算思維的理性認知的內容。教師對學生計算思維的培養不能出現斷檔或脫節。因此，在初中階段，筆者自主開發了校本教材。教材第一單元用3課時從計算思維認知角度對Scratch軟件的模塊進行整合，既讓學生在初中階段對計算思維有了理性認知角度，又為后續課程培養學生計算思維的發展打下基礎。筆者通過課堂實踐的探索，提煉了以培養計算思維為目標的初中Scratch軟件課堂教學模式。教師在使用時要注意兩個原則：一是結合學情，二是抓住計算思維核心要素。因此，教師要通過教學實踐經歷用模式到脫模的過程。教師也要在教育學、教育心理學理論支持下，結合本校學生學情去辯證使用筆者開發的課程和提煉的流程，最終目的都是為了培養自己所教學生的計算思維。

3.重視評價和計算思維要素對接

在培養學生計算思維過程中，要重視將對學生的評價和計算思維要素互相結合起來，因為評價的目的是促進學生計算思維的形成，而且評價具有引導性，所以在課堂教學時，教師要重視關注學生在學會知識過程中的思維過程，做好跟蹤、過程性評價。為保障評價相對科學，圍繞前期提煉的計算思維七大要素，筆者開發了計算思維課堂評價加分表。因此，Scratch軟件教學評價是由期末測試和計算思維課堂評價加分表兩大部分組成。計算思維課堂評價加分表在實踐中既激發了學生的課堂參與度，提升了學生用自然語言敘述設計思路的能力，又讓學生在積極思維形成解決課堂問題的方法后去編寫程序。

為更有效地培養初中生的計算思維，作為教師，我們應該繼續探索，進一步學習相關的教育教學理論，并結合課堂實踐進行思考，還要關注學情，結合學情進一步提煉培養學生計算思維更有效的策略、課堂模式、評價體系，讓學生能夠體味到計算思維的魅力。