小學創意編程教育中提升數學核心素養與關鍵能力的實踐研究

肖平興

摘 要：Kitten源碼編輯器是基于圖形化編程的工具，主要面向青少年兒童。我校使用編程貓Kitten源碼編輯器開展創意編程社團，開展編程教學的同時進行編程與數學學科融合教育研究，以期通過相關課堂教學達到“一練兩通，一課雙效”的效果。在教育實踐過程中，我們在設計教學時基于學生認知特點，緊扣小學數學核心素養與關鍵能力發展的需要，選擇相應的學科知識融入編程教學中并取得了一定的效果。文章就編程與數學融合教學中發展學生數學核心素養涉及的部分思維能力做分析和討論。

關鍵詞：編程教育;小學數學;核心素養

在當前國家大力推動編程教育的背景下，全國各地紛紛開展小學編程教育，一般都是依附于信息技術課程，使用圖形化編程軟件作為學習平臺。開展編程教學有助于更好地增強學生計算思維、邏輯思維、編程思維。研究表明，可視化編程有利于培養學生的計算思維。計算思維和數學思維內容本身就存在很多交集，如邏輯思維、抽象思維、建模思維等。創意編程的特性適合青少年學生的發展特點，可以培養學生建構編程知識的能力與思維、問題發現能力、自我學習能力與獨立解決問題的能力。

當前小學信息技術課時偏少，編程教學在信息課的占比也不足，為了滿足對編程感興趣的學生的需要，我校開展了創意編程社團。通過近兩年的編程貓Kitten編程教學，我們初步形成了小學階段的創意編程社團與數學學科融合的社團輔導課模式，實現小學編程教育課融入數學學科知識，提升數學核心素養與關鍵能力的初步目標。編程貓Kitten是國內第一款2D圖形化編程語言，涉及音樂、畫圖、編程、創客硬件等。它主要面向青少年兒童，圖形化、模塊化的編程語句易于理解和操作，與Scratch編程有類似的操作界面和方法，但它的在線素材更加豐富、分享發布功能便捷。

一、在編程貓Kitten編程教學中提升學生數學運算能力

小學四、五年級數學關于數字的四則運算基礎學習基本完成，而運算能力作為核心素養的一方面需要常用常練。雖然數學課每次都可能會包含運算的練習，但是在編程貓Kitten編程社團輔導課上，學生練習的熱情更高。學生每次新課前都要進行一次四則運算的口算比賽，題目是隨機生成的，得分高的還能像玩游戲一樣進入高分榜。比賽使用的軟件由學生用編程貓Kitten源碼編輯器編寫。由于這一小練習時間不長并且反饋及時，還有上榜的挑戰性，能很好地激發學生的學習動機，保持高水平的專注時間，達到較好的口算練習效果。在學習創作動態作品時，估算能力也是學習的要點。例如，作品中角色的移動位置要達到較好的效果，學生在編寫程序時就要運用估算能力來確定角色在平面坐標軸的位置，通過調試反饋來評估結果。所有的編程都離不開數學，計算機科學的基礎就是數學，數學的計算法則和邏輯在編程作品里同樣經常用到。例如在“小貓搶紅包”的游戲作品里，要解決得分和失分或者是重玩機會的問題時，就要運用到累加的概念和比較運算知識。同時，學生要在作品里正確應用循環語句和條件判斷語句等，這也促進了學生邏輯推理能力的提升。

二、在編程貓Kitten編程教學中提升學生演繹推理能力

小學生的抽象思維還未成熟，生活經驗是演繹推理過程中的重要資源。小學數學要求學生認識周期現象，探索并發現簡單周期現象中事物的排列規律。小學數學的核心素養推理能力的高階水平是能在變式的情境中，依據定義（規則）進行稍復雜的推理。弗蘭登塔爾認為，數學教育應當從學生熟悉的現實生活開始和結束。在創客項目的作品制作中，我們就設計了“智能紅綠燈”的題目。紅綠燈就周期變化的例子，雖然通常只能看到一個路口一個方向的紅綠燈變化，但是日常經驗也能讓學生意識到其他路口也應該是周期并關聯的變化。所以在“智能紅綠燈”的編程設計時，要同時考慮紅、黃、綠燈的周期變化并能推理另外三個路口方向的紅、黃、綠燈周期變化，以及當要改變其中一個路口的綠燈通行時間時，會影響其他方向的紅綠燈周期變化。此類題目如果是在紙面計算推理，往往會讓學生望而生畏，但是在編程創客的環境下，學生通過從單一到多聯，從程序到實體，循環驗證，最終解決問題。源于生活、用于生活的題目讓學生很有創造性地解決了問題，加深了對周期的理解，提升了演繹推理能力。

三、在編程貓Kitten編程教學中提升學生數學建模思維能力

小學數學建模思維是核心素養之一，分析和解決問題能力體現在能用合適的方法解決具體的問題上。例如，經典的路程問題和平面多邊形計算問題，這些問題具體情況各種各樣，但緊扣模型或者是公式，找出未知數就是解決途徑。有些學生在這個階段的數學學習中遇到了一些瓶頸，例如，一些路程、面積問題可以通過簡化并建模解決，但是學生總是找不到要領。通過學習編程來解決這些問題，可以深化學生對概念的理解，在變量調整的情況下，學生能夠發現更多問題的起源，從而深刻理解模型并學會靈活應用。

數學中的相遇模型對小學生來說比較困難，創意編程社團的學習用設計游戲的形式加深小學生對相遇模型的理解。例如，相遇問題通常有求時間、求路程、求速度三種類型，相應的公式是三條，但最基本的模型其實只有一個，就是A速度、B速度、路程和時間四個變量組成的關系。理清模型參數的關系后，學生設計各種問題的編程代碼，就是三條對應的數學公式，而每一種除了問題以外的其他變量在作品里都可以隨意調整，這樣就可以得到不同的結果。例如求時間的問題，問題的模型為時間=路程÷（A速度+B速度），路程、A速度、B速度均為可輸入的變量，甚至相對方向也可以用改變其中一個速度變量為負值來調，設定完成后可以得到問題答案，還可以看到動態直觀的演示。通過對具體問題的編程實踐，學生更加深刻地理解相關問題模型。除了經典問題應用在編程學習的例子，我們還擴展一些數學問題如“雞兔同籠”，通過引導學生把握動物腳和頭的數量關系設計好模型，就可以快速計算各種動物數量，還能作為出題的模板。

四、在編程貓Kitten編程教學中提升學生數學空間思維能力

空間思維是小學數學核心核素直觀想象的重要組成部分，在小學培養好學生的空間思維能力是幾何學習的關鍵。編程教學中，用程序語句指揮畫筆畫出各種平面幾何圖形的過程，就是一種描述和想象特定圖形的思維轉換過程。例如在學習畫正多邊形的時候，先從學生熟悉的正方形入手，使用逐步執行的命令“前進100”“右轉90”運行，看到結果后，繼續編寫運行程序，讓學生了解他用的命令是如何指揮畫筆運行畫圖。通過漸進式的練習來打通描述和實際運行的聯系，從而訓練描述和空間思維的轉換能力。當學生學會用循環語句畫正多邊形后，繼續指導他們嘗試如正方形組成的“田”字這一類通過正方形旋轉起始方向變化而來的組合圖形，引導學生學會把單個正方形看作一個整體，然后這時只考慮它的起始方向變化，用程序語句描述指揮畫筆，把一個變成四個，組成另一個圖形。通過層層深入的學習和訓練，學生在這方面的圖形空間思維能力得以強化。

綜上所述，編程貓Kitten編程教學在社團教育中不但可以學習編程知識，鍛煉相關的計算思維、邏輯思維、編程思維，還可以在學科融合思想的指導下提升學生的數學核心素養與關鍵能力。有趣的游戲挑戰讓口算能力不生疏;源于生活、用于生活的創客項目培養演繹推理能力;智力難題建模型，用建模思維解決實際問題;五彩繽紛的計算機畫圖可以充分發展學生的空間想象力。在教育實踐中，學生在編程學習中確實提升了部分數學思維能力，這鼓舞我們進一步深入探索更有效的學科融合策略，設計更合理的培訓內容，并嘗試做提高思維能力的量化研究。

參考文獻：

[1]馬強.基于計算思維培養的少兒可視化編程教學設計研究[D].石家莊：河北師范大學，2019.

[2]黃芳，黃偉星.從簡單走向深度——“簡單的周期”教學實錄與評析[J].小學數學教育，2019（Z4）.