面向計(jì)算思維培養(yǎng)的Python程序項(xiàng)目設(shè)計(jì)策略
——以“石頭、剪刀、布”游戲的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例

劉付燕 江蘇省南京市秦淮中學(xué)

2020年9月，基于新教材的信息技術(shù)課程教學(xué)全面實(shí)施，程序設(shè)計(jì)在新課程中的占比增加，其在提升學(xué)生計(jì)算思維水平方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，筆者根據(jù)所在學(xué)校實(shí)際情況，探索以“Python游戲化學(xué)習(xí)項(xiàng)目”為載體培養(yǎng)計(jì)算思維的策略，并通過兩輪的教學(xué)實(shí)踐與改進(jìn)，積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

● 采用逆向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)引領(lǐng)

在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)項(xiàng)目之前，筆者對(duì)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查表明：大部分學(xué)生缺少程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)比較薄弱，但喜歡玩人機(jī)小游戲，并具有開發(fā)人機(jī)小游戲的愿望和動(dòng)機(jī)。基于學(xué)情，筆者設(shè)計(jì)了“石頭、剪刀、布”游戲的探究項(xiàng)目，在第一輪的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，以程序設(shè)計(jì)的三種結(jié)構(gòu)為項(xiàng)目設(shè)計(jì)的知識(shí)與技能主線，采用程序半成品填空的形式來開展學(xué)習(xí)，在一定程度上激發(fā)了學(xué)生的探究興趣，有效地幫助學(xué)生掌握了Python程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，但是學(xué)生問題提出、學(xué)習(xí)遷移、融會(huì)貫通、學(xué)以致用的能力稍顯不足。為了解決這個(gè)問題，在第二輪的教學(xué)實(shí)踐中，采用“大單元”逆向設(shè)計(jì)法，將計(jì)算機(jī)解決問題的過程、三種程序控制結(jié)構(gòu)、模塊化程序設(shè)計(jì)、計(jì)算與問題解決等有機(jī)融合，通過數(shù)字化游戲中的角色設(shè)定、游戲規(guī)則設(shè)計(jì)、游戲交互與挑戰(zhàn)、游戲場(chǎng)景等來對(duì)標(biāo)計(jì)算機(jī)解決問題過程與計(jì)算思維的要素：分析和界定問題（形式化）/分解——設(shè)計(jì)算法（模型化）/抽象建模、算法實(shí)現(xiàn)和問題解決（自動(dòng)化和系統(tǒng)化）/算法實(shí)現(xiàn)及其優(yōu)化。具體地說，就是以興趣激發(fā)為出發(fā)點(diǎn)，以計(jì)算思維培養(yǎng)為落腳點(diǎn)，遵循“游戲體驗(yàn)——需求分析、明確問題——分析問題、設(shè)計(jì)算法——編寫程序、算法實(shí)現(xiàn)——運(yùn)行程序、優(yōu)化算法”的思路，將程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、算法的思想以及編程的技能融入到問題解決的過程中，注重引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題分析、利用計(jì)算機(jī)程序解決問題，在做中學(xué)，在用中學(xué)。

為了有效提升學(xué)生的計(jì)算思維水平，提高學(xué)生的遷移能力，筆者采用“明確預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果——設(shè)計(jì)證明學(xué)生達(dá)到預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)——設(shè)計(jì)相關(guān)學(xué)習(xí)活動(dòng)”的逆向設(shè)計(jì)法對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過逆向設(shè)計(jì)提高了學(xué)習(xí)活動(dòng)的針對(duì)性和課堂教學(xué)的指向性，在預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果階段明確了學(xué)生應(yīng)該掌握哪些知識(shí)與技能、進(jìn)行怎樣的意義建構(gòu)、形成怎樣的學(xué)習(xí)遷移，讓“掌握、理解、遷移”形成學(xué)習(xí)結(jié)果的良性循環(huán)。

● 關(guān)注問題分析，打開思維之門

在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，首先要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行分析，明確項(xiàng)目需求，對(duì)項(xiàng)目目標(biāo)有清晰的認(rèn)知，在整體分析和明確目標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，逐步細(xì)化，分模塊實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程體現(xiàn)了“自上而下、從整體到局部、逐步求精”的問題解決思路。問題分析是問題解決的第一步，也是計(jì)算思維中問題分解的重要一步，因此，在教學(xué)中教師可以通過問題驅(qū)動(dòng)的形式讓學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行問題分析、分解和抽象建模，進(jìn)而提升學(xué)生的計(jì)算思維。

例如，在“‘石頭、剪刀、布’游戲的設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目的“單局游戲”設(shè)計(jì)中，教師首先通過“角色扮演”和“游戲?qū)崙?zhàn)”的直觀體驗(yàn)讓學(xué)生分析游戲過程，明確游戲角色、游戲規(guī)則和實(shí)現(xiàn)該游戲需要解決的問題，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考設(shè)計(jì)一個(gè)“人機(jī)互動(dòng)”游戲需要解決哪些問題。通過經(jīng)驗(yàn)遷移讓學(xué)生將游戲角色、角色功能、游戲過程逐一分解，思考算法設(shè)計(jì)。在“多局游戲”設(shè)計(jì)中，同樣讓學(xué)生通過“角色扮演”和“游戲?qū)崙?zhàn)”分析游戲過程，并將真實(shí)游戲中的記分員記分過程類比到程序設(shè)計(jì)中的“變量”，幫助學(xué)生理解變量的概念及其應(yīng)用。在此過程中，教師提供了表格式的學(xué)習(xí)支架供學(xué)生進(jìn)行游戲過程的分析，以實(shí)現(xiàn)游戲過程的抽象建模。

● 預(yù)設(shè)與生成并重，完善思維過程

分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、系統(tǒng)化、具體化等構(gòu)成了思維的過程，而分析與綜合是思維的基本過程。教學(xué)預(yù)設(shè)在于把握教學(xué)方向，合理利用生成性資源培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。要讓學(xué)生經(jīng)歷思維過程，就要為學(xué)生的自主、合作、探究學(xué)習(xí)提供支持，教師不僅要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)的情境，以激發(fā)學(xué)生探究的興趣，還要為學(xué)生搭建必要的腳手架，以支撐學(xué)生的探究學(xué)習(xí)順利開展，探索項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的“收”與“放”策略。

例如，在本項(xiàng)目中，教師通過“游戲?qū)崙?zhàn)”引導(dǎo)學(xué)生設(shè)定游戲規(guī)則、游戲角色、項(xiàng)目目標(biāo)、項(xiàng)目分解、項(xiàng)目評(píng)價(jià)等，從整體到部分對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行拆解。學(xué)生用流程圖繪制游戲算法并嘗試實(shí)現(xiàn)，在游戲的1.0版本（單局游戲）中，依據(jù)游戲的實(shí)現(xiàn)過程，將問題的解決分為三步：第一步是實(shí)現(xiàn)對(duì)“出拳”的編號(hào)和導(dǎo)入隨機(jī)數(shù)函數(shù)；第二步是輸入拳號(hào)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)并輸出人和計(jì)算機(jī)的出拳方式；第三步是比較人和計(jì)算機(jī)的出拳方式，并輸出比賽結(jié)果。為了幫助學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，教師提供了游戲半成品程序、學(xué)案、Python基本語法幫助文件等學(xué)習(xí)支架。在完成1.0版本的過程中，學(xué)生掌握了計(jì)算機(jī)解決問題的一般過程，了解了分情況討論的分支思想，從基本輸入輸出到分支程序，從單分支到多分支，習(xí)得了程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和分支程序控制結(jié)構(gòu)。

在完成了1.0版本后，讓學(xué)生通過“玩游戲”發(fā)現(xiàn)程序的可改進(jìn)之處，學(xué)生會(huì)提出如程序運(yùn)行一次只能玩一局、不想一局定勝負(fù)、平局不算數(shù)等問題，然后教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析問題，并思考如何優(yōu)化改進(jìn)程序，進(jìn)而引入循環(huán)的思想，并完成程序2.0版本。在程序展示分享階段，某學(xué)生在輸入拳號(hào)時(shí)頻頻不按常規(guī)出牌（不按照約定拳號(hào)輸入），導(dǎo)致程序運(yùn)行結(jié)果出錯(cuò)。缺少容錯(cuò)機(jī)制的程序容易導(dǎo)致意外的程序運(yùn)行結(jié)果，教師及時(shí)將課堂生成轉(zhuǎn)化為算法設(shè)計(jì)中的健壯性問題，即為了避免“誤輸入”，需要在程序中增加容錯(cuò)糾錯(cuò)機(jī)制。有的學(xué)生想到再增加一個(gè)分支，那分支條件是什么？如果連續(xù)多次輸入錯(cuò)誤怎么辦？這就用到了循環(huán)，用前面學(xué)習(xí)的for計(jì)數(shù)循環(huán)很顯然不能解決問題，因?yàn)閷W(xué)生輸入錯(cuò)誤的次數(shù)是不可預(yù)測(cè)的，這樣自然而然就引入了while條件循環(huán)，即通過while循環(huán)來檢查輸入的內(nèi)容。通過這樣的思維過程，學(xué)生不僅意識(shí)到算法強(qiáng)壯性的重要性，而且充分理解了for循環(huán)與while循環(huán)的區(qū)別與聯(lián)系及其應(yīng)用情境。

為了充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，教師還為學(xué)有余力的學(xué)生設(shè)計(jì)了“我的游戲，我做主”的個(gè)性化游戲設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，為學(xué)生綜合利用所學(xué)知識(shí)設(shè)定自己的游戲規(guī)則、完成個(gè)性化的游戲設(shè)計(jì)提供平臺(tái)。

● 在迭代中優(yōu)化，提升思維高度

1.從基礎(chǔ)入手，激發(fā)興趣

算法即解決問題的方法和步驟，同一個(gè)問題有不同的解決方法，在教學(xué)中要鼓勵(lì)學(xué)生多想、多交流、多進(jìn)行思維的碰撞，不斷優(yōu)化問題解決的方法。本項(xiàng)目1.0版本的程序是大多數(shù)學(xué)生能夠想到的，但是有些比較精巧的解決方法則需要教師的點(diǎn)撥。在程序3.0版本中引入列表的學(xué)習(xí)與使用，在程序4.0版本中引入字典的應(yīng)用，從用分支結(jié)構(gòu)到巧妙運(yùn)用列表再到綜合應(yīng)用列表和字典來解決問題，這些都充分體現(xiàn)了問題解決算法的多樣性，通過建模過程的優(yōu)化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.依托技術(shù)，助力個(gè)性化

依托程序設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的關(guān)鍵是尊重個(gè)性，關(guān)注探究過程，提供學(xué)習(xí)結(jié)果的展示交流平臺(tái)。依托信息技術(shù)搭建程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)平臺(tái)，不僅為學(xué)生個(gè)性化、分層次的探究提供了保障，而且也更好地呈現(xiàn)與保留了學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，有助于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)自信心和成就感，并為學(xué)生的相互交流分享搭建平臺(tái)。因此，在第二輪的教學(xué)實(shí)踐中筆者借助在線教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目探究活動(dòng)，基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可以在程序半成品的完善中解決問題，中等水平的學(xué)生可以在已有基礎(chǔ)上優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，學(xué)有余力的學(xué)生可以嘗試個(gè)性化游戲的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3.交流借鑒，拓展思路

在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，鼓勵(lì)學(xué)生多進(jìn)行交流討論，學(xué)生交流展示的過程就是陳述算法的過程，展示程序的過程就是學(xué)生將算法付諸實(shí)踐并解決問題的過程。學(xué)生之間的交流可以相互啟發(fā)，是一種思想的交換。教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)也要多借鑒一些優(yōu)秀的案例來拓展程序設(shè)計(jì)的算法。

● 項(xiàng)目實(shí)踐總結(jié)

在面向計(jì)算思維培養(yǎng)的Python程序設(shè)計(jì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，教師從計(jì)算思維的視角設(shè)計(jì)項(xiàng)目，項(xiàng)目實(shí)施遵照“整體分析、分步實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化提升”的設(shè)計(jì)思路，遵循分析問題、設(shè)計(jì)算法、程序編寫與調(diào)試優(yōu)化這一計(jì)算機(jī)程序解決問題的一般過程。程序設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)入難、從粗到精，無不體現(xiàn)了計(jì)算思維方法的使用和計(jì)算思維的提升。