中學(xué)程序設(shè)計(jì)課程培養(yǎng)計(jì)算思維的策略與方法

胡秋萍

近年來，隨著信息技術(shù)核心素養(yǎng)概念逐步清晰，計(jì)算思維在中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中的地位和作用越來越突出，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和問題求解能力也已成為程序設(shè)計(jì)課程的核心目標(biāo)。為此，程序設(shè)計(jì)課程必須從過去的單純將程序設(shè)計(jì)作為一種編程工具、以講解語法和程序設(shè)計(jì)方法為主向培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和問題求解能力轉(zhuǎn)變。但在實(shí)際教學(xué)中，計(jì)算思維培養(yǎng)如何有效落地到程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐中，也就成了信息技術(shù)教師十分關(guān)注和研究的重要內(nèi)容。

計(jì)算思維與Scratch程序設(shè)計(jì)

周以真認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，如同所有人都具備“讀、寫、算”能力一樣，計(jì)算思維是必須具備的思維能力。而程序設(shè)計(jì)主要是基于語言級(jí)的問題求解，相比抽象級(jí)和系統(tǒng)級(jí)層次的問題求解，從抽象程度以及理解難度上講，學(xué)習(xí)語言級(jí)的問題求解方法是最適宜、最容易理解的計(jì)算思維。由此可見，程序設(shè)計(jì)不等于計(jì)算思維，也不是計(jì)算思維的全部，但是，程序設(shè)計(jì)是培養(yǎng)計(jì)算思維能力的重要內(nèi)容，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)方法是理解計(jì)算思維、培養(yǎng)計(jì)算思維能力的最好途徑和方法。2013年，南安普敦大學(xué)的Cynthia Selby博士和John Woollard博士提出計(jì)算思維包括算法思維（Algorithmic Thinking ）、評(píng)估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalisation）這五個(gè)方面的要素。結(jié)合程序設(shè)計(jì)的教學(xué)流程，我根據(jù)Scratch課程的特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，篩選出計(jì)算思維中的抽象、分解、算法、糾錯(cuò)和歸納五個(gè)核心要素，以Scratch迷宮程序設(shè)計(jì)為例，談?wù)凷cratch實(shí)例教學(xué)中滲透培養(yǎng)計(jì)算思維本質(zhì)教育的幾個(gè)常用的策略與方法。

針對(duì)案例需求細(xì)化任務(wù)流程

無論是現(xiàn)實(shí)中的迷宮游戲，還是網(wǎng)頁游戲中的迷宮，都吸引著大批的迷宮愛好者參與其中。你能使用Scratch編程語言設(shè)計(jì)一款獨(dú)特的迷宮游戲嗎？

研究有關(guān)迷宮游戲的描述，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)除了從圖上可以有所理解，文字上很難看出具體的要求。依據(jù)計(jì)算思維的核心五要素，基于問題解決的思路，任務(wù)實(shí)現(xiàn)可具體分解為三個(gè)階段（圖1）：審題，建立模型；分層細(xì)化，功能設(shè)計(jì)；編程實(shí)現(xiàn)，測(cè)試評(píng)估。

滲透培養(yǎng)計(jì)算思維的策略與方法

1.將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，嘗試構(gòu)建簡(jiǎn)單模型，滲透抽象思維培養(yǎng)

所謂抽象，是指通過忽略可有可無的細(xì)節(jié)來降低難度，將一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)變成為計(jì)算機(jī)可以處理的最小問題。抽象是選擇案例后實(shí)施編程前的一項(xiàng)重要工作，學(xué)會(huì)抽象可以更容易找到Scratch編程的切入點(diǎn)，更好地理清游戲的運(yùn)行規(guī)則。

對(duì)于迷宮任務(wù)來說，規(guī)則就是角色從迷宮入口出發(fā)，到達(dá)迷宮的某處位置，即為完成任務(wù)。迷宮可能是各種各樣的，具體規(guī)則相當(dāng)復(fù)雜。抽象就是將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，嘗試從最特殊的情況入手：如果迷宮是一條筆直的通道。這樣一來，問題顯而易見，角色從起點(diǎn)移動(dòng)到終點(diǎn)即可。這樣，我們很容易選定角色，確定作品中出場(chǎng)的角色有哪些，分別為這些角色分配不同的功能。

2.分解細(xì)節(jié)，抓住關(guān)鍵問題，促進(jìn)分解思維培養(yǎng)

計(jì)算思維中分解的概念是把一個(gè)看起來困難的問題重新闡釋成我們知道怎樣去解決的問題。經(jīng)過分解后，這些零散的部分才能夠被理解和解決，從而降低大型實(shí)例的設(shè)計(jì)難度。學(xué)生通過分解問題，理清每個(gè)角色的動(dòng)作與編程思路，將難點(diǎn)進(jìn)行分解并突破，從而從無序狀態(tài)中脫離出來，找到解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)。簡(jiǎn)化問題后發(fā)現(xiàn)，迷宮任務(wù)整體實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵條件是角色行走和碰到墻壁后的處理。

（1）如何控制角色行走？

通過分析我們發(fā)現(xiàn)，如果是單個(gè)角色，可以使用鍵盤的上下左右箭頭按鍵控制行走方向；如果是多個(gè)角色，還需要用到鍵盤上的其他按鍵來控制其他角色的行走。那么多個(gè)角色，如何使用鼠標(biāo)控制呢？帶著這個(gè)問題，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行更為深入的思考，從而找到答案。

（2）角色碰到迷宮墻壁，將被遣返到迷宮入口。

如果舞臺(tái)背景是迷宮地圖，可以使用條件判斷：如果角色碰觸到迷宮墻壁的顏色時(shí)，位置發(fā)生改變，回到入口處；但如果迷宮地圖是某個(gè)角色組合而成，那需要判斷：如果碰到某個(gè)角色，位置發(fā)生改變，回到入口處（圖2）。

3.增加行走迷宮的難度，添加怪獸角色等行為，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

角色如果被怪獸攻擊成功，游戲直接結(jié)束；或者角色的體力值下降，直到體力值為零，游戲才結(jié)束。怪獸角色可能是原地不動(dòng)，也可能在迷宮中隨機(jī)移動(dòng)位置。角色的策略可以選擇繞開怪獸，也可以使用武器攻擊怪獸，直到怪獸消失；同理，還可以為怪獸設(shè)計(jì)各種攻擊技能。

4.設(shè)計(jì)互動(dòng)環(huán)節(jié)，不同關(guān)卡策劃，滲透算法思維

通關(guān)的游戲設(shè)置很吸引大眾玩家，因此，要為游戲設(shè)置不同難度的關(guān)卡，吸引玩家的參與。不同關(guān)卡，舞臺(tái)背景、角色造型，應(yīng)有不同，充分發(fā)揮想象力，在不同關(guān)卡中設(shè)計(jì)遞進(jìn)的難度。例如增加角色的體力值、增加角色的攻擊技能、可以使角色直接到達(dá)終點(diǎn)等。在迷宮的某個(gè)位置固定放置神秘物品，碰到會(huì)有大驚喜，或者不定時(shí)出現(xiàn)在迷宮的任意位置上。

通過上面的分析，將迷宮游戲的規(guī)則細(xì)化到每個(gè)小細(xì)節(jié)，最后通過Scratch腳本，實(shí)現(xiàn)以上的全部功能。

從多個(gè)側(cè)面分析尋找必要條件，把問題分解，根據(jù)各部分的本質(zhì)聯(lián)系，將各方面的必要條件綜合起來使用。還要考慮各種細(xì)節(jié)，例如拓展迷宮類型，設(shè)計(jì)不同難度，如單迷宮、復(fù)迷宮。增加作品的藝術(shù)性，為作品設(shè)計(jì)不同的故事背景，如重走希臘神話背景米諾斯迷宮、解救盤絲洞中的唐僧、海底探險(xiǎn)尋找美人魚、宇宙大探秘等等。迷宮中也可以設(shè)置多個(gè)入口和出口，實(shí)現(xiàn)多人互動(dòng)比賽等。

5.程序?qū)崿F(xiàn)，關(guān)注過程的糾錯(cuò)調(diào)試，強(qiáng)化糾錯(cuò)思維

糾錯(cuò)是計(jì)算思維重要的方面，也是Scratch教學(xué)中另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，貫穿了整個(gè)課程的學(xué)習(xí)過程。從學(xué)生設(shè)計(jì)腳本程序時(shí)，糾錯(cuò)的行為就始終伴隨著，更體現(xiàn)了“擺弄”的重要性。學(xué)生在調(diào)試作品時(shí)，需要像計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序一樣去思考執(zhí)行語句，理解執(zhí)行每一步模塊應(yīng)該出現(xiàn)的現(xiàn)象，并與實(shí)際的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)現(xiàn)效果與預(yù)想的有偏離時(shí)，就要不斷地糾錯(cuò)、調(diào)整程序，采用不同的算法實(shí)現(xiàn)效果，在“構(gòu)思—編程—測(cè)試—調(diào)試”的過程中進(jìn)行糾錯(cuò)，反復(fù)磨練，這樣學(xué)生不僅在知識(shí)、技能上會(huì)有進(jìn)步，在計(jì)算思維上也會(huì)有所提升。

在中學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，教師對(duì)于命令語句和程序基本結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)一般都能較正確地把握，在教學(xué)中融入計(jì)算思維的理念，將教學(xué)重心從計(jì)算機(jī)語言、語法和規(guī)則等的講解轉(zhuǎn)移到以培養(yǎng)計(jì)算思維能力為核心，還需要很長(zhǎng)的路要走。所幸這一命題引起了許多有識(shí)之士的興趣，也有了很多策略和方法可以借鑒；本文我參考了有關(guān)工作文件，結(jié)合了自己的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了粗淺認(rèn)識(shí)，與大家共同探討。

參考文獻(xiàn)

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