讓學(xué)生體驗像工程師一樣去思考

周曉明

在小學(xué)信息技術(shù)課程綱要的教學(xué)建議中，提倡采用來源于生活的基于項目的學(xué)習(xí)方式，并圍繞信息技術(shù)課程內(nèi)容，實現(xiàn)信息技術(shù)課程目標(biāo)。“密碼箱”是源于生活的、非常神秘的物體，它可以通過Scratch編程軟件來進(jìn)行簡單的模擬，甚至可以進(jìn)行創(chuàng)客硬件的拓展，因此，在用Scratch程序設(shè)計“變量”一課中，筆者以“制作密碼箱”為項目實踐的主題，帶領(lǐng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中結(jié)合數(shù)學(xué)、工程等多方面的知識開展研究。

● 通過聯(lián)想、對比，感知項目的研究價值

工程師作為工程活動的主體，必須全面把握人與自然、與其他成員乃至與整個人類社會的互動關(guān)系，避免單純從技術(shù)的角度考慮工程問題，避免僅僅著眼于工程對象本身而忽視工程“系統(tǒng)”與“環(huán)境”的相互作用。在課堂的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師出示一個帶密碼按鈕箱子的Scratch文件，讓學(xué)生思考：“密碼箱”有什么作用？自己是否需要一個密碼箱？接著提問：“猜一猜，怎樣才能打開這個箱子？”教師下發(fā)“密碼箱”文件，以小競賽的形式讓學(xué)生尋找打開箱子的方法。學(xué)生通過讀程序不難發(fā)現(xiàn)按鈕不起作用，因為按鈕角色沒有腳本，而從箱子角色的腳本中能發(fā)現(xiàn)只要在箱子上點(diǎn)擊就能打開。學(xué)生通過交流討論，體會到“密碼箱”的價值，也體會到制作一個“密碼箱”的意義，由此教師提出本節(jié)課的研究任務(wù)：當(dāng)小工程師，把這個箱子制作成真正的密碼箱。

● 站在全局的角度，統(tǒng)籌規(guī)劃整個項目

工程思維是一種抽象思維，需要將復(fù)雜的工程問題進(jìn)行簡化，去掉不重要的信息，抓住問題的關(guān)鍵，從而構(gòu)建起能夠描述問題的抽象模型。在新授環(huán)節(jié)，通過變量實現(xiàn)輸入并對密碼進(jìn)行判斷，結(jié)合之前學(xué)過的條件語句等知識實現(xiàn)開箱的效果，完成“密碼鎖”項目原理的初探，為學(xué)生以后不斷深入探索埋下一粒求知的種子。

1.分析本質(zhì)，提出核心的問題

教師通過“密碼箱是怎么打開的？”這個有針對性的問題引導(dǎo)學(xué)生分析密碼箱和普通箱的本質(zhì)區(qū)別。學(xué)生從生活經(jīng)驗中可知，輸入密碼就能打開密碼箱。教師一方面教育學(xué)生考慮問題要周全，即要輸入正確的密碼;另一方面幫助學(xué)生用完整的自然語言“如果輸入的密碼正確，就能打開寶箱”描述密碼箱的本質(zhì)特點(diǎn)，從而引導(dǎo)他們用已學(xué)的條件語句來修改箱子的腳本。

當(dāng)學(xué)生認(rèn)為能夠通過搭建“如果”模塊制作密碼箱時，卻發(fā)現(xiàn)用于判斷的六邊形模塊中找不到可以表示密碼是否正確的模塊，于是提出了制作密碼箱的核心問題：“輸入的密碼是否正確”條件該用哪個模塊呢？

2.整理思路，建立系統(tǒng)的邏輯關(guān)系

“輸入的密碼是否正確”條件，包括“要通過按鈕輸入字符”和“對輸入的字符和密碼箱預(yù)設(shè)的密碼進(jìn)行判斷”兩層含義。學(xué)生通過觀察用于判斷的六邊形模塊，發(fā)現(xiàn)邏輯運(yùn)算中的“=”符號可以解決字符判斷，“=”的一側(cè)填寫密碼箱預(yù)設(shè)的密碼數(shù)字，但另一側(cè)表示輸入的數(shù)字怎么辦？于是教師追問：“這個數(shù)字是由什么來控制的？”學(xué)生通過生活經(jīng)驗回答：“按不同的按鈕，會產(chǎn)生不同的數(shù)值。”

此時，本課的重點(diǎn)“變量”已經(jīng)呼之欲出，為了加深學(xué)生的認(rèn)知，教師提問：“老師的寶箱里藏著一份秘籍，你們想看嗎？”接著教師請學(xué)生輸入正確密碼并打開寶箱，秘籍上寫著：變量是計算機(jī)中的一個數(shù)據(jù)存儲器，里面可以存放一個能變化的數(shù)據(jù)。學(xué)生展開探究：如何新建變量？新建變量后出現(xiàn)了哪些命令？學(xué)生通過探究發(fā)現(xiàn)，變量成了箱子和按鈕之間聯(lián)系的紐帶（在按鈕角色上分別給變量賦值，在箱子角色上調(diào)用變量模塊，變量中存放的數(shù)據(jù)與正確的密碼就能夠進(jìn)行比較，箱子和按鈕之間的邏輯關(guān)系就建立起來了）。在這個環(huán)節(jié)中，部分學(xué)生受原有數(shù)學(xué)知識的影響，會將條件判斷中的“=”符號和變量的賦值相混淆，教師應(yīng)有意識地讓學(xué)生用自然語言來反復(fù)讀程序，從而理解判斷與賦值的區(qū)別。

● 進(jìn)行需求分析，推動項目的持續(xù)迭代

工程思維是一種分析性思維、批判性思維，也是邏輯演繹的思維，軟件工程的核心是分析問題和解決問題，在此過程中有很多假定和推理，需要我們做出正確的判斷，而在做出判斷前，要質(zhì)疑。可以說，任何一個項目都是不完美的，持續(xù)的維護(hù)和更新才是一個項目具有生命力的關(guān)鍵。如何實現(xiàn)多位數(shù)密碼、如何刪除輸錯的密碼等引發(fā)的一系列需求問題，讓學(xué)生站在工程師的視角，用工程思維的方式推動項目的持續(xù)迭代。

1.完成項目的基礎(chǔ)功能

學(xué)生在給各個數(shù)字按鈕作變量賦值時，發(fā)現(xiàn)賦值數(shù)字的特點(diǎn)，即再次按鍵，變量中新的數(shù)字會替換掉原來的數(shù)字。此時教師提醒學(xué)生，把密碼箱的初識密碼改成一位數(shù)，先檢測剛才分析的邏輯關(guān)系到底能否實現(xiàn)基礎(chǔ)密碼判斷的功能。教師反饋階段問題：①賦值的程序能用單擊綠旗嗎？②在單擊按鈕前，變量的初始值是什么？通過學(xué)習(xí)探究，學(xué)生展示基礎(chǔ)的一位數(shù)密碼箱，通過單擊正確數(shù)字按鍵，箱子可以打開。

2.實現(xiàn)項目的安全升級

考慮到一位數(shù)密碼不夠安全，需要將保險箱改為多位數(shù)密碼。學(xué)生首先通過剛才的基礎(chǔ)密碼箱制作，確定了需要修改的是變量的賦值。教師通過動畫逐步出示依次單擊按鈕，之前輸入的數(shù)字可以保留，學(xué)生通過觀察、分析后發(fā)現(xiàn)輸入變量值的特點(diǎn)，即前面的數(shù)字是剛才的輸入變量值，后面的是按鍵數(shù)字;隨后開始嘗試修改按鈕腳本中的變量賦值命令，使用直觀的連接符實現(xiàn)多位數(shù)密碼的修改。對于部分思維敏捷的學(xué)生，教師鼓勵他們從數(shù)學(xué)的角度來考慮數(shù)據(jù)的變化，嘗試用“變量*10+按鈕數(shù)字”的表達(dá)式作為變量的賦值。

3.探討項目的人性化設(shè)計

學(xué)生在使用的過程中又發(fā)現(xiàn)問題：輸入的過程中如果不小心輸入錯誤，該怎么辦？此時教師鼓勵學(xué)生從用戶的角度出發(fā)，結(jié)合生活經(jīng)驗，全面考慮給密碼箱增加功能。學(xué)生通過小組討論，提出了一些人性化的方案，即使用“刪除”按鈕，可以修改輸入錯誤的數(shù)字，使用“設(shè)置”按鈕，可以直接修改密碼箱的密碼等。

本課遵循工程思維的基本性質(zhì)即造物思維，以項目實踐的方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，在核心問題處有針對性地展開新知識的學(xué)習(xí);通過探索實踐，讓學(xué)生學(xué)會從宏觀的角度去把握全局，并根據(jù)實際的規(guī)律和條件對每一個細(xì)節(jié)統(tǒng)籌規(guī)劃，從大到小，層層分析，主動而扎實地學(xué)習(xí)理論知識和實踐技能，讓工程思維的培養(yǎng)貫穿于一系列問題解決的過程中，最終實現(xiàn)理想客體對象化、現(xiàn)實化。