經歷問題解決過程，培養學生計算思維
——以《小貓抓魚》一課為例

李豐葉 劉曉東 江蘇省江陰市要塞實驗小學

計算思維是一個問題解決的過程，基于問題的教學方法則是一種適用于計算思維教育的教學方法。培養學生計算思維的主陣地是信息科技課堂教學，因此，教師要以發展學生計算思維為導向，將其滲透到課堂教學設計與實施中。2021年，筆者所在城市為每所小學都配置了一款集成多種傳感器的Arduino開源硬件主控板，此后結合開源硬件的圖形化編程教學也進入了常態化課堂。下面，筆者以江蘇省小學五年級信息科技教材《小貓抓魚》一課為例來談談計算思維的教學策略。

● 想玩——真實體驗，創設問之境

基于問題的教學關鍵在于問題的設計，問題設計要根據教學內容和目標，以及學生的知識水平和情感認知展開。同時，創作的作品應趣用相融，在有趣的前提下，可以解決生活中的現實問題，如用聲音傳感器制作噪音檢測儀、用光敏傳感器制作智能臺燈等。

《小貓抓魚》一課的教學內容是認識搖桿傳感器，了解搖桿的工作原理，學習搖桿傳感器的使用方法，利用傳感器來控制角色移動。在現實生活中，搖桿傳感器主要是用于遙控設備。而五年級的學生已具備一定的圖形化編程基礎，結合學生的興趣點，筆者設計了讓學生創作“小貓滑雪”作品，并用“如何用搖桿傳感器控制小貓移動？”這一驅動性問題來貫穿整節課教學。

導入環節：

課前播放2022年北京冬奧會上谷愛凌滑雪奪金的視頻。

學生了解游戲規則，玩“小貓滑雪”游戲1.0版。（1.0版是按鍵盤的上下左右四個方向鍵控制小貓向不同方向移動）并請一位學生上教師機體驗“小貓滑雪”游戲2.0版，學生觀察玩法有什么不同？

生：2.0版中的小貓會隨測控板上的搖桿傳感器上下左右移動。

師：與按鍵相比感覺怎么樣？

生：2.0版控制小貓更方便，比1.0版好玩多了。

教師出示課題。

課例從學生津津樂道的谷愛凌滑雪奪金導入，通過兩種不同游戲玩法對比，讓學生直觀地感受到用搖桿傳感器來控制角色運動更便捷、更好玩，從而產生問題，激發學習興趣。

● 善思——設計問題鏈，明確思之徑

利用計算機求解問題的基本過程可描述為：問題的定義及形式化、建立問題的邏輯模型、算法設計、編程、運行和維護。因此在教學中，教師不僅要讓學生完成編程，更要讓學生學會思考如何用計算機的知識解決問題。

思維的推進依賴于問題的引導，在教學中教師可以根據驅動問題設計“問題鏈”，按照學生的思維方式適時有序地引導其逐步分解問題，明確思考的路徑，抽象出問題解決的過程模型。

例如，本課例圍繞驅動問題設計了一系列引導性問題：搖桿傳感器是什么傳感器？如何讀取搖桿傳感器的端口值？如何表示搖桿傳感器上下左右撥動？如何讓小貓隨著搖桿傳感器上下左右移動？如何不讓小貓跑出賽道和舞臺邊緣？這些問題有些由教師提出，有些由學生思考后提出，還些則由學生在探究中主動發現。

● 能創——學習支架，架起探之梯

對分解后的小問題，當學生無從下手時，教師可在學生理解知識的關鍵節點、重要環節搭建學習支架，引導學生進一步分析思考、實驗探究，最終解決問題，創作出有創意的作品。提供的學習支架可以是半成品、學習單、圖表、優秀作品等形式。

1.提供半成品，聚焦問題探究

結合測控板的圖形化編程教學實踐，筆者發現如果教學時從零開始創作作品，那么因時間關系，會弱化課堂的主要學習內容。因此，在教學時教師可以采用半成品策略，預先做好非本課重點且耗時過長的部分，留出本課教學重點部分給學生完成，使課堂能聚焦于關鍵問題的探究。

例如，本課例教學時提供給學生已經完成的“小貓滑雪”1.0版，這是學生基于圖形化編程基礎已經能制作出來的，避免學生“白手起家”，使探究更有針對性。另外，本課中表示搖桿撥動與變量有關，而小貓角色移動與坐標值有關，雖然學生已經學過調整坐標值改變角色的位置，但兩者放一起時仍會產生混淆，而半成品能解決這一問題，降低學習的難度，有利于突破難點。認識搖桿傳感器，了解其工作原理環節的具體過程如下：

學生用Mind+打開桌面上的“小貓滑雪1.0”文件。

師：先觀察一下小貓的腳本，現在小貓會怎么樣？

師生閱讀、分析腳本，教師用表格小結。

活動1：認識搖桿傳感器。

教師指導學生按正確的方向擺放測控板，同桌兩人相互檢查。（擺一擺）

學生觀察搖桿傳感器的外形?；貞浺郧坝袥]有見過或者用過？（看一看）

學生體驗撥動搖桿傳感器，發現角色不隨搖桿移動。（撥一撥）

播放小貓介紹搖桿傳感器的微視頻。（聽一聽）

師：跟滑桿相比，搖桿撥動時有什么不同呢？（比一比）

小結：它有兩個電位器，可以向水平、垂直方向撥動。所以，搖桿有兩個端口號，找一找搖桿旁的測控板上寫的端口號是多少？（找一找）

2.可視化顯示，突破問題解決

在學習圖形化編程時可以借助思維可視化的工具，幫助學生理解抽象的算法，降低學習的難度，突破問題解決。思維可視化的主要工具有表格工具和圖示工具。

例如，本課例中“如何表示搖桿上下左右撥動”是學習的重點也是難點。如何讓小學生形象、直觀地觀察搖桿撥動時數值變化規律，理解數值變化與表示搖桿向上、下、左、右四個方向撥動之間的關系呢？筆者借助直觀的圖形符號和實物圖演示，讓隱性思維可視化呈現，逐步分析問題，最后用表格工具來記錄方案，從而突破本課難點。

分析搖桿撥動時的模擬值環節：

學生活動：測試搖桿在靜止、最左、最右、最上以及最下這幾個位置對應的模擬值，并記錄在學習單上。

師生分析數值，教師小結。

師：搖桿向右撥動時X的值的范圍是多少？（教師用搖桿實物圖在一體機畫面上移動演示）所以可以用什么來表示搖桿向右撥動呢？

師生討論后小結：一般來說，當X＞600時表示搖桿推向右邊。

師：如何表示搖桿向左、向上、向下呢？（師生分析后共同得到結論）

在一步步分析問題的過程中，學生才會真正理解為什么用X＞600來表示搖桿向右、用X＜400來表示搖桿向左、是否可以用別的數值代替等。這一過程就將現實問題轉化成了計算機可以實現的表達方式。然后師生借助表格進一步分析，形成解決問題的算法，再搭建腳本初步解決問題。從中讓學生體驗與感悟將問題抽象為一系列可執行步驟的思維方式。具體如下。

搭建腳本，初步解決問題環節：

師：如何表示搖桿撥動我們已經知道了，如何讓小貓隨搖桿上下左右移動呢？（教師出示表格，引導學生將這個問題分解成四個小問題）

我們先來實現“如果搖桿向右撥動，那么小貓向右移動”。想一想，對于這個腳本要改動什么？

生：按鍵向右改成搖桿向右，就是X＞600。

學生活動：嘗試搭建腳本，實現如果搖桿向右撥動，那么小貓就向右移動。

請一位學生上教師機演示。

師：如何讓它也可以隨著搖桿向左移動呢？

學生活動：搭建腳本，實現搖桿控制小貓上下左右移動。

3.思維導圖總結，把握探究根本

教學不能僅僅滿足于解決當前問題，還要及時對解決問題的方法進行歸納總結，培養學生的概括思維。當規律內化為學生的思維方式后，學生就能在學習中融會貫通，將其遷移到其他問題的求解中，這也是解決問題的根本所在。

在本課例中，在學生解決問題后，筆者請學生想一想：“我們是如何實現搖桿控制小貓移動的呢？”這是一個總結歸納性問題，筆者通過思維導圖式的板書引導學生歸納出“認搖桿—建變量并賦值—測數值—得結論—搭腳本”這一解決問題的方法。

4.層次性拓展，優化問題解決

在學生初步解決問題后，要鼓勵學生調試程序。程序調試在圖形化編程學習中是非常重要的環節，學生不僅能在調試程序的過程中進一步發現問題，還能獲得成就感，體驗計算機的自動化屬性。考慮到學生的差異性，可以提供相應的學習單、學件等支架。需注意的是，提供給學生的學習單、學件應具有啟發性、層次性，不能直接給出答案。

學生試玩游戲，發現這個游戲還有問題。

生1：小貓上下移動時會移出舞臺。

生2：小貓左右移動時會跑到賽道外面。

學生活動：同桌合作，借助學習單上的小錦囊解決問題，優化程序。

教師轉播學生作品，評價作品。

本課例中問題1比較簡單，問題2稍難一些，學生借助“錦囊”這一學習支架，任選一個問題合作解決。

5.創意作品引領，拓展創新思維

當學生解決“用搖桿控制小貓移動”這一問題后，教師讓學生體驗“小貓滑雪”3.0版，3.0版中加入了按鈕傳感器的綜合創意設計，轉變學生思維定勢，激發學生深入探究的興趣，同時也讓學生體悟到開發作品可以按這樣的思路一步步地迭代升級。

學生小組討論如何讓游戲更加豐富多彩。

師：大家的奇思妙想可真多！我們可以從難度和趣味兩方面著手，難度上可以設置時間限制、設置生命值等，趣味上可以加金幣、減少生命值等獎勵懲罰。

請一位學生體驗“小貓滑雪”游戲3.0版?？?！小貓有個秘密武器，按綠色按鈕，小貓能拋出雪球，讓小動物先避讓開。小貓只有兩個雪球哦！

師：我們可以結合測控板的其他部件來設計游戲。課后大家根據自己的想法來豐富游戲。期待同學們設計出4.0版、5.0版！

● 樂享——合作學習，分享思之獲

筆者在實踐中發現，結合測控板的圖形化編程學習尤其要提倡合作學習，因此在組織學習時，將六人組成一個學習小組，成員分工明確，有器材收發員、器材調試員、技術指導員、紀律維護員等。課堂上每個學習小任務都由同桌兩人合作探究完成，通過互動交流，分享解決問題過程中各自的想法，及時補充修改，加深對問題的理解。