基于計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)圖形化編程教學(xué)實(shí)踐

自美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家周以真教授于2006年提出計(jì)算思維這一概念以來(lái)，計(jì)算思維已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵理念。2022年4月，教育部頒布了《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，許多中小學(xué)已經(jīng)開(kāi)始重視計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，并嘗試通過(guò)編程教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。圖形化編程軟件因其直觀、易學(xué)的特點(diǎn)，成為中小學(xué)編程教學(xué)的熱門選擇。本案例旨在探討基于計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)圖形化編程教學(xué)策略與方法，為中小學(xué)編程教學(xué)提供有益的參考。

一、基于計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)圖形化編程教學(xué)案例展示

接下來(lái)我將以“編程貓”圖形化編程課程中的“清理河道”一課為例，詳細(xì)闡述如何利用“編程貓”的圖形化編程教學(xué)策略與方法來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。在本課中需要學(xué)生學(xué)習(xí)制作一個(gè)“清理河道”的游戲，實(shí)現(xiàn)如圖1所示的清理河道游戲。游戲中，學(xué)生需通過(guò)鍵盤操作“編程貓”進(jìn)行劃船，并成功清除河道中的垃圾。針對(duì)這一教學(xué)內(nèi)容，我設(shè)計(jì)了如下的教學(xué)實(shí)施過(guò)程：

（一）情景體驗(yàn)

為更有效地開(kāi)展一堂課，我們首先需要構(gòu)建一個(gè)身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境，以激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，促使他們主動(dòng)思考、勇于探索和創(chuàng)新。

雖然本節(jié)課配備了示例程序，但這些程序所呈現(xiàn)的虛擬場(chǎng)景難以讓學(xué)生深刻體驗(yàn)“清理河道垃圾”的實(shí)際情境。為讓學(xué)生更具體地理解這一過(guò)程，我設(shè)計(jì)了一次實(shí)踐活動(dòng)。

課堂上，我準(zhǔn)備了一個(gè)小河模型，配備了小船和一些模擬河道垃圾（如紙張和瓶子），組織學(xué)生進(jìn)行一次清理垃圾的小型比賽。

教學(xué)片段1：

教師：同學(xué)們，我們生活的周圍時(shí)?？梢钥吹絹y扔垃圾的現(xiàn)象，不僅在河流中，街道上也是如此?？?，我面前的小河模型就反映了這樣一個(gè)情況，河里滿是垃圾。現(xiàn)在我邀請(qǐng)一位同學(xué)上臺(tái)來(lái)，幫助我清理這些垃圾。

（學(xué)生上臺(tái)清理垃圾。在他清理的時(shí)候，教師要把新的垃圾投放進(jìn)去）

教師：請(qǐng)你描述一下你是如何清理河道的。

學(xué)生：我通過(guò)控制小船來(lái)?yè)炖?/p>

教師：清理完了嗎？

學(xué)生：沒(méi)，新的垃圾還會(huì)不斷出現(xiàn)。

教師：那么我們?cè)撊绾瓮ㄟ^(guò)編程讓“編程貓”持續(xù)清理河道直到任務(wù)完成呢？現(xiàn)在請(qǐng)大家打開(kāi)示例程序嘗試操作。

（運(yùn)行示例程序玩“游戲”）

教師：請(qǐng)你描述一下，你在操作程序中看到的清理河道的過(guò)程。

學(xué)生：游戲開(kāi)始時(shí)，我使用方向鍵控制“編程貓”劃船收集垃圾，每收集一塊垃圾就得到一分，垃圾消失后會(huì)在隨機(jī)位置重新出現(xiàn)，當(dāng)分?jǐn)?shù)達(dá)到20分時(shí)任務(wù)完成。

通過(guò)這次模擬實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生親身體驗(yàn)了船只清理垃圾的過(guò)程。結(jié)合示例程序的操作，他們能夠更直觀地理解程序中各元素之間的關(guān)系和操作方式。這種從具體實(shí)踐操作向抽象思維轉(zhuǎn)變的教學(xué)過(guò)程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力具有顯著效果，也為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)一步提升了自身的計(jì)算思維能力。

（二）需求分析

設(shè)計(jì)“清理河道”程序各對(duì)象之間的關(guān)系如何？教師在編程教學(xué)中不進(jìn)行有效的引導(dǎo)和分解，學(xué)生通常會(huì)面臨程序設(shè)計(jì)的困擾，不知從何下手。為改善這一狀況，我在教學(xué)過(guò)程中嘗試采用問(wèn)題清單、流程圖等輔助工具與學(xué)生共同分析示例程序。通過(guò)這種方法，我們將復(fù)雜的編程任務(wù)分解為若干個(gè)小任務(wù)，幫助學(xué)生逐步構(gòu)建解決問(wèn)題的初步思維框架，從而培養(yǎng)他們的計(jì)算思維能力。

1.問(wèn)題清單

問(wèn)題清單是一種列出所面對(duì)或需要解決的問(wèn)題的教學(xué)工具，它有助于系統(tǒng)化地整理和明確問(wèn)題的具體內(nèi)容。授課中我讓學(xué)生體驗(yàn)示例程序，通過(guò)觀察、對(duì)比與思考，想想每個(gè)情景背后待解決的問(wèn)題，并嘗試用自己的語(yǔ)言把問(wèn)題描述出來(lái)（如表1）。從學(xué)生的課堂反饋來(lái)看，他們所提出的問(wèn)題極具價(jià)值和啟發(fā)性。

引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)提出問(wèn)題，不僅有助于他們分析任務(wù)，還為任務(wù)的分解提供了有力的鋪墊。這種教學(xué)方式能夠促進(jìn)學(xué)生的發(fā)散性思維，使他們?cè)诮鉀Q問(wèn)題的過(guò)程中經(jīng)歷計(jì)算思維中的“分解”環(huán)節(jié)，從而深化對(duì)計(jì)算思維的理解與應(yīng)用。

2.思維導(dǎo)圖

思維導(dǎo)圖作為一種有效的分析工具，對(duì)于輔助思考和解決問(wèn)題具有顯著作用。本課的教學(xué)中，我采用問(wèn)答的形式引導(dǎo)學(xué)生深入思考游戲所需的角色，并仔細(xì)觀察角色的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、觸發(fā)條件以及所需的指令。通過(guò)這種方式，學(xué)生能夠更加清晰地理解游戲的內(nèi)在邏輯和編程要求，為后續(xù)的編程任務(wù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

用思維導(dǎo)圖的方式，可以讓學(xué)生把無(wú)形的思維轉(zhuǎn)化成直觀可見(jiàn)的導(dǎo)圖（如圖2“清理河道”思維導(dǎo)圖），按照“圖”的步驟將示例程序中的背景、角色、指令和算法逐一對(duì)應(yīng)。在為學(xué)生拆分任務(wù)、構(gòu)思算法以及設(shè)計(jì)程序的過(guò)程中，我們不僅搭建他們的思維支架，同時(shí)也讓學(xué)生感受“分解”和“概括”等計(jì)算思維的獨(dú)特魅力。我指導(dǎo)學(xué)生逐步分析看似復(fù)雜的問(wèn)題，并將其拆解為一系列簡(jiǎn)單且易于理解的“小”問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了化繁為簡(jiǎn)的目的。幫助學(xué)生理清每個(gè)角色的動(dòng)作和編程思路，為學(xué)生建立了建模和程序設(shè)計(jì)的穩(wěn)固基礎(chǔ)，這充分體現(xiàn)了計(jì)算思維中“分解”和“建?！钡暮诵乃枷?。

（三）程序設(shè)計(jì)

在完成初步的分析與場(chǎng)景設(shè)計(jì)后，我們便可以著手進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)過(guò)程中確?！熬幊特垺蹦軌蝽樌麆澊⑶宄袄笔侵陵P(guān)重要的。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的算法，并通過(guò)流程圖來(lái)清晰地描述這一過(guò)程。特別是“垃圾”清除后隨機(jī)再出現(xiàn)機(jī)制更是關(guān)鍵所在，需要精心策劃和實(shí)施。

教學(xué)片段2：

教師：我們按下空格鍵，編程貓開(kāi)始清除垃圾，但當(dāng)它碰到垃圾時(shí)，垃圾卻沒(méi)有被清除，怎么辦呢？

學(xué)生：要檢測(cè)到垃圾碰到編程貓。

教師：檢測(cè)到垃圾碰到編程貓，垃圾要怎么樣？

學(xué)生1：消失。

學(xué)生2：加分。

……

教師：消失加分后垃圾還會(huì)出現(xiàn)嗎？是立即出現(xiàn)嗎？出現(xiàn)在哪里？

學(xué)生1：隨機(jī)出現(xiàn)。

學(xué)生2：等待一秒再出現(xiàn)。

……

經(jīng)過(guò)上述步驟，我們成功構(gòu)建了“清理河道”的程序流程圖（如圖3），這為學(xué)生完成整個(gè)作品的程序設(shè)計(jì)提供了清晰且易于遵循的指南。

（四）測(cè)試改進(jìn)

程序設(shè)計(jì)往往并非一蹴而就，而是一個(gè)持續(xù)進(jìn)行測(cè)試、糾錯(cuò)和完善的過(guò)程。編程教學(xué)的核心目標(biāo)并非僅僅完成某個(gè)項(xiàng)目，而是通過(guò)不斷的測(cè)試和改進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生深入思考如何實(shí)現(xiàn)他們自己的目標(biāo)。學(xué)生需要在心中構(gòu)建一個(gè)流程圖，通過(guò)不斷的實(shí)踐和優(yōu)化，逐步打造出自己期望的程序效果。這一過(guò)程恰恰體現(xiàn)了計(jì)算思維中的“評(píng)估”“糾錯(cuò)”和“迭代”等核心理念。

（五）交流分享

課程結(jié)束之際，學(xué)生積極對(duì)作品做自我評(píng)價(jià)、相互評(píng)價(jià)，展現(xiàn)了積極的學(xué)習(xí)態(tài)度。通過(guò)這種交流、分享的方式，他們不僅能夠借鑒彼此的知識(shí)、技術(shù)和創(chuàng)意，還促進(jìn)了思想層面的深入交流。這種互動(dòng)環(huán)節(jié)不僅豐富了課堂內(nèi)容，也為學(xué)生提供了一個(gè)寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，有助于他們不斷提升自己的編程水平和創(chuàng)造力。

二、基于計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)圖形化編程教學(xué)反思

實(shí)施了以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的圖形化編程教學(xué)后，我們欣喜地觀察到學(xué)生對(duì)編程課堂的興趣發(fā)生了顯著的變化。他們對(duì)編程課堂的興趣日益濃厚，展現(xiàn)出了極高的學(xué)習(xí)熱情和參與度。以往學(xué)生只是機(jī)械地完成老師布置的任務(wù)，完成后便很快忘記。如今他們主動(dòng)探索游戲背后的原理，并嘗試自主開(kāi)發(fā)程序1.0、程序2.0等不同版本。這種主動(dòng)學(xué)習(xí)的態(tài)度預(yù)示著學(xué)生在計(jì)算思維培養(yǎng)過(guò)程中的學(xué)習(xí)心態(tài)發(fā)生了積極轉(zhuǎn)變。同時(shí)，隨著學(xué)生計(jì)算思維能力的提升，他們?cè)诜治鰡?wèn)題和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)于程序設(shè)計(jì)方面的能力也得到了顯著提高。

三、結(jié)語(yǔ)

在這個(gè)充滿變革與機(jī)遇的人工智能時(shí)代，培養(yǎng)孩子的計(jì)算思維能力已成為一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。圖形化編程軟件及游戲化教學(xué)方式為此提供了有力的支持，它們不僅極大地豐富了編程教學(xué)的形式，還降低了學(xué)習(xí)門檻，使學(xué)生能夠輕松、愉快地掌握編程的核心要義。通過(guò)這些創(chuàng)新工具，學(xué)生能在實(shí)踐中感受編程的魅力，鍛煉解決問(wèn)題的能力，為未來(lái)的學(xué)術(shù)研究與職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我堅(jiān)信，在這個(gè)充滿無(wú)限可能和挑戰(zhàn)的時(shí)代，具備計(jì)算思維的學(xué)生將更具競(jìng)爭(zhēng)力，為社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展貢獻(xiàn)出他們寶貴的力量。

（作者單位：1.佛山市高明區(qū)楊和鎮(zhèn)楊梅小學(xué)；2.佛山市高明區(qū)楊和鎮(zhèn)中心小學(xué)）

編輯：孫守春