以Scratch程序設(shè)計教學搭建學生計算思維的“金字塔”

徐薇薇

〔摘? ? 要〕? 本文以2022年版《義務(wù)教育信息科技課程標準》中所述的信息科技課程的四個關(guān)鍵能力之一——計算思維的提升為主導線索，依托于小學五年級的Scratch教學內(nèi)容，總結(jié)出了小學階段在計算思維培養(yǎng)上需要重視的四個基礎(chǔ)元素（亦即培養(yǎng)目標）：分析與抽象能力；做出邏輯判斷的能力；進行優(yōu)化與迭代的能力；建模與應用的能力。本文以計算思維的四個基本要素為目標，根據(jù)多年的課堂實踐，積累總結(jié)出Scratch課堂教學中有效培養(yǎng)學生計算思維的教學模式：分析設(shè)計抽象-編寫修正邏輯-反思迭代優(yōu)化-歸納應用建模，通過有效的教學模式，搭建學生計算思維的“金字塔”。

〔關(guān)鍵詞〕? 信息科技；計算思維；教學模式；Scratch程序設(shè)計

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 14? ? 049-051

一、計算思維及其在信息科技課中的重要性

2022年3月，教育部對新的義務(wù)教育信息科技課程標準進行了官方公布。這也是信息科技課程首度被納入國家教育課程體系，凸顯出國家對義務(wù)教育階段信息科技課程的高度重視。新版本的《義務(wù)教育信息科技課程標準》，明確了信息科技的重要性，指出，信息科技在當前的科技世界中是至關(guān)重要的一環(huán)，關(guān)鍵的研究內(nèi)容包括數(shù)字信息的表現(xiàn)方式以及在實際應用中相關(guān)的科學原理、思考方式、處理流程與實際應用情況。讓學生提高信息敏感度、計算思維、對數(shù)字學習以及創(chuàng)新的理解和在信息社會中的責任感，是信息科技課程的核心教育目標。特別是計算思維被獨立出來作為信息科技課程的重要培養(yǎng)目標之一。2011年ISET和CSTA聯(lián)合提出，計算思維是解決問題過程中的關(guān)鍵步驟，包括問題識別、數(shù)據(jù)分析、抽象思考、設(shè)計算法、最優(yōu)選擇以及推廣等六個關(guān)鍵方面。而在這個過程中，個人需要具備自信、堅定、寬容以及解決開放式問題的能力，并且需具備與他人進行良好溝通合作的能力。在《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》中，計算思維被定義為：運用計算機科學的思維方式，在解決問題的過程中進行抽象、分解、建模和設(shè)計算法等思維活動。

經(jīng)過之前的解釋和理解，我們可以輕松地看出，計算思維是信息科技教學的核心能力之一，對學生計算思維的培養(yǎng)影響深遠。在新的課程框架和教學策略的推動下，如何有效增強學生的計算思維能力，將成為教師主要的研究課題，能夠培養(yǎng)學生計算思維的新教學模式和策略，會變成教師研究的關(guān)鍵。

二、在Scratch程序教學中學生計算思維的表現(xiàn)及可能性分析

Scratch是一款源自美國MIT的開源編程工具，專為8歲或更大的孩子設(shè)計。其教學材料與眾不同，通過使用Scratch進行編程教育，學生的計算思維能力可以得到顯著提高。在使用Scratch進行編程創(chuàng)新的過程中，學生的邏輯理解能力、數(shù)字創(chuàng)新能力以及問題解決能力也獲得了提升。與傳統(tǒng)的C、C++等編程語言不同，學習Scratch不僅僅是為了培養(yǎng)編程人才，它不需要學生以傳統(tǒng)的方式逐行輸入代碼，而是通過拖拽預設(shè)的代碼模塊，用類似于“拼積木”的方式，使編程過程變得更直觀和迅速。這種圖像化的編程方法降低了記憶枯燥命令的壓力，在舞臺區(qū)，學生可以直觀地看到他們的編程設(shè)計帶來的效果，從而在學習過程中深入地體驗到編程的樂趣。在教材體系中，Scratch屬于五年級的重要教學內(nèi)容。五年級學生已經(jīng)初步具備抽象思維能力，數(shù)學計算能力也有一定的積累，對于事物的分析和邏輯思維都具有了自己的獨立思考，同時計算機操作和信息意識已經(jīng)有3～4年級兩年的鋪墊，完全具有信息化編程能力。綜上所述，無論從學情上還是教學內(nèi)容上，教師完全能夠在課堂上運用合適的教學方法和教學策略，通過Scratch圖形化編程，對學生實施計算思維的培養(yǎng)。

三、Scratch程序教學中學生計算思維的培養(yǎng)目標

按照《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》的要求，學生應掌握計算思維，能進行問題的抽象、解析、構(gòu)建模型，且能通過構(gòu)造算法制定解決問題的策略；有能力模擬、模仿、證實解決問題的流程，對解決方案進行反思、提高，同時有靈活運用這些策略解決其他問題的能力。同一標準還規(guī)定，處于第三學段（即5～6年級）的學生在練習計算思維的表現(xiàn)上有以下幾點：通過在日常生活中接觸算法，理解算法的特性及其效用，能用自然語言、流程圖等方式表現(xiàn)算法；在特定活動環(huán)境中，能對簡易問題進行抽象、解剖、構(gòu)造模型，并構(gòu)建簡潔的解決方案；檢驗問題解決方案的效率，能對解決流程及方法進行反思和升華。

根據(jù)Scratch的教學經(jīng)驗和研究，以及小學生的年齡特性和發(fā)展規(guī)律，筆者總結(jié)了小學階段計算思維的四個基礎(chǔ)元素（也就是我們要培養(yǎng)的目標）：1.分析抽象能力，即針對各種問題進行深入思考、分析，并抽象出適當?shù)乃惴ǎ?.邏輯判斷能力，即理解問題引發(fā)的各種關(guān)聯(lián)性和可能性，并進行決策執(zhí)行；3.優(yōu)化迭代能力，即對問題的解決策略進行進一步完善，并對自己的代碼進行迭代提升；4.建模應用能力，即采用計算機科學的方式對問題解決的方法和思維過程進行總結(jié)，創(chuàng)建模型，并對類似的問題進行擴展應用。

四、Scratch程序教學培養(yǎng)學生計算思維的教學模式

通過在教學中不斷實踐、反思和總結(jié)，筆者以培養(yǎng)學生計算思維四個基本要素為目標，以Scratch教學為內(nèi)容，總結(jié)出“分析設(shè)計-編寫修正-反思迭代-歸納應用”教學模式培養(yǎng)學生的計算思維。四個教學過程與四個教學目標既有一一對應的關(guān)系，每個過程和目標又存在螺旋上升的聯(lián)系。具體闡述如下。

（一）通過分析主題、設(shè)計算法，培養(yǎng)學生計算思維的抽象能力

在Scratch教程的每一部分，學生需先對主題加以理解并對預期的成果進行詳細分解，規(guī)劃出需要解決的各個子任務(wù)，之后再根據(jù)每一項任務(wù)和要求尋找解題的策略和途徑。比如在第5課《畫正多邊形》中，先出示復雜圖形，讓學生分析該圖形是由4個正三角形每次旋轉(zhuǎn)同樣的角度組成的，每個正三角形又是由3條直線每次旋轉(zhuǎn)同樣的角度組成的，然后再引出“畫筆”功能及該模塊的相應控件。由此，我們將大任務(wù)分解為小任務(wù)，將具象的畫線變?yōu)槌橄蟮某绦虮磉_。

在每課的開始階段，教師要引導學生實現(xiàn)從直觀思考到抽象思考的過渡及平衡。把培養(yǎng)學生邏輯思維的重點融入解決問題的步驟中，使學生在探討不同算法的具體應用時形成辯證思維，避免空洞無物的抽象概念教學。比如對猜數(shù)游戲和投票選舉這些學生熟悉的示例，在討論時引入算法，以此輔助學生自然地構(gòu)建知識體系。

（二）通過編寫程序、修正梳理，培養(yǎng)學生的計算思維邏輯能力

通過解讀每個角色的形象、對話、狀態(tài)，學生能夠依據(jù)需求選取合適的命令和參數(shù)，并對其執(zhí)行順序進行剖析和構(gòu)建。這是一種從表面到內(nèi)在、從簡單到復雜，逐漸深入理解問題和事物的方式，也是提升學生在計算思維中的算法及邏輯能力的一種方法。

繼續(xù)以《畫正多邊形》一課為例，學生在通過第一個環(huán)節(jié)具象到抽象的過程后，可以自主探究編寫出一個正三角形的程序。教師在展示分析學生程序的過程中，要注意將學生的程序進行修正梳理及指導點撥。在學生用腳本畫出三角形后，指導學生發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)的角度是外角且正多邊形的外角和是360度，在此邏輯上，學生可以清楚地畫出任意一正多邊形。在這個過程中，強調(diào)學生應明確把握各個角色之間的聯(lián)系，同時理解每個角色腳本的算法和邏輯過程。這樣的訓練可極大地助力提升學生在邏輯思維和算法使用方面的能力，進而推動學生在計算思維領(lǐng)域內(nèi)的邏輯技能的進步。

在一些更為復雜的多角色案例中，學生需要解析每一角色的登場次序、互動關(guān)系等邏輯思維。一旦學生構(gòu)建出明確的解決方案，他們就會精準地設(shè)計每一角色具體的劇本，并據(jù)此找出有效的指令，調(diào)整指令的各類參數(shù)和出現(xiàn)順序，持續(xù)調(diào)試并最后完成每一角色的設(shè)計程序，獲得所需效果。學生在編程時必須清楚各個角色的相互關(guān)系，除了自己進行編程實踐，也可以通過體驗程序，從多方面熟悉程序，閱讀理解、修改運行程序，培養(yǎng)計算思維的邏輯能力。對比較復雜的算法，教師也可以在和學生一起討論算法思想的基礎(chǔ)上，展示程序代碼，讓學生設(shè)置和調(diào)整參數(shù)、觀察討論，最后執(zhí)行驗證。

（三）通過反思判斷、迭代算法，培養(yǎng)學生計算思維的優(yōu)化能力

教師成功地激活了各個小組的潛能，構(gòu)造了一個班級學習集體，并通過小組間的相互研究和分享，使學生能夠?qū)Ω鞣N算法和腳本有所對比和分析判斷。他們可以從指令數(shù)、執(zhí)行效率和效果表現(xiàn)等方面進行比較，然后對自己的腳本進行修改和迭代，讓它們達到最優(yōu)狀態(tài)。這就是計算思維中對優(yōu)化能力的訓練。

在《繪制多邊形》這個教學案例中，畫三條邊的程序是重復的，我們可以將其轉(zhuǎn)化為可循環(huán)執(zhí)行的腳本。整個程序的流程會由順序結(jié)構(gòu)變?yōu)檠h(huán)結(jié)構(gòu)。三個三角形也是重復的腳本，可以將程序進一步重復嵌套。我們通過對腳本的改進以及迭代方法的應用，令程序更精簡、清晰，且易于維護和改動。在這一過程中，學生對計算思維中的優(yōu)化和迭代特性有了更深入和實質(zhì)的理解。

（四）通過歸納整理、模式應用，培養(yǎng)學生計算思維的建模能力

在教學活動中，教師著重于指導學生從編程過程中學習并總結(jié)出一些獨特的學習策略和思考模式。這包括通過從解決單一問題課題到創(chuàng)設(shè)一整類問題和情境的方法論，讓學生對這種相似問題具有自我應對策略。這即是計算思維模型能力的培育。

例如，《畫正多邊形》課后的“探究屋”第二題，就是學生在課堂基本任務(wù)建模后的應用。如果學生已經(jīng)理解了4個三角形的程序模型，就完全可以通過修改相應參數(shù)完成5個正方形的程序搭建。

在掌握了基礎(chǔ)理論和基本觀點之后，學生注重關(guān)注日常生活中的相應主題，通過啟發(fā)式教學，幫助學生發(fā)現(xiàn)問題并探索現(xiàn)象背后的原理，試圖運用已學的手段解決相關(guān)問題。這反映了學生對所學知識的梳理、融合應用以及進一步創(chuàng)新的能力，而這一過程也是提升學生運用所學知識進行建模以及知識遷移能力的教育方法。

從整體來看，在實施“分析—設(shè)計—抽象，編程—修正—迭代，反省—優(yōu)化—應用，并最后形成模型”這個教學方法的過程中，每一環(huán)節(jié)都充分蘊涵了計算思維的一項或多項特征，學生就像在構(gòu)建一個“金字塔”，層層遞進，不斷上升。這種教育方式不僅讓學生的編程水平和信息技術(shù)素養(yǎng)得到了明顯提升，更是極其有效且高效地提升了他們的計算思維能力。在實施這一教學方法的一年中，筆者發(fā)現(xiàn)學生的計算思維能力明顯增強，同時，他們的創(chuàng)新思維、邏輯推理、軟件優(yōu)化和模型應用能力也得到了顯著提高。

【本文系南京市江寧區(qū)“十四五”規(guī)劃課題“信息技術(shù)教學中基于問題解決的計算思維培養(yǎng)實踐研究”的階段性成果，編號：?JN2021/305】

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