陶雙雙 王戈

【摘 要】“計(jì)算思維”與讀寫算一樣，是學(xué)生需要掌握的必備技能之一。為了能培養(yǎng)這種思維能力，本研究選用Scratch作為編程工具，運(yùn)用項(xiàng)目式教學(xué)策略，讓學(xué)生體驗(yàn)“需求分析—總體設(shè)計(jì)—編程實(shí)現(xiàn)—分享拓展”的項(xiàng)目開發(fā)全過程。通過反復(fù)經(jīng)歷“分解、抽象、概括、算法、評估”，最終提升其計(jì)算思維能力。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維;Scratch;項(xiàng)目式教學(xué)

【中圖分類號】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號】1671-7384（2019）02、03-077-04

從2006年3月美籍華人周以真教授提出“計(jì)算思維”概念以來，學(xué)者們便開始對其內(nèi)涵及落實(shí)的策略進(jìn)行研究。周以真教授對計(jì)算思維進(jìn)行了概念性和操作性兩個(gè)維度的專業(yè)界定，由于本研究著眼于基礎(chǔ)教育教學(xué)，因此，主要從計(jì)算思維的操作性維度來理解其內(nèi)涵。

筆者通過文獻(xiàn)追蹤了國內(nèi)外K-12教育中相關(guān)成果，從操作維度看，計(jì)算思維的組成元素包含如下5個(gè)方面[1]：算法（Algorithmic thinking）、評估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalization）。

谷歌中國教育合作項(xiàng)目推出了《面向教育者的計(jì)算思維課程》[2]，把計(jì)算思維劃分為如下4個(gè)組成要素：分解（解構(gòu)）、模式識(shí)別、抽象（模式歸納）、算法開發(fā)。

為理解和研究的方便，筆者按照項(xiàng)目開發(fā)流程把計(jì)算思維的組成要素重新排列為：抽象（理解任務(wù)）、分解（分解任務(wù)）、概括（運(yùn)用已有知識(shí)）、算法（設(shè)計(jì)步驟）、評估（檢驗(yàn)算法）。當(dāng)然，在實(shí)際問題解決過程中，這五個(gè)要素并不是遵循嚴(yán)格的線性關(guān)系，可能很多時(shí)候是互相疊加的。

Scratch項(xiàng)目式教學(xué)策略設(shè)計(jì)

Scratch教學(xué)中的項(xiàng)目可以是游戲、動(dòng)畫或者應(yīng)用軟件。按照軟件項(xiàng)目開發(fā)過程，本研究中將項(xiàng)目教學(xué)分為四個(gè)環(huán)節(jié)，分別是需求分析、總體設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)和分享拓展。我們以“迷宮尋寶游戲”為例來說明。

1.需求分析

需求分析是項(xiàng)目開發(fā)的首要環(huán)節(jié)，其目的是能明確用戶需求，真正理解項(xiàng)目的功能。

（1）理解需求。在實(shí)際軟件開發(fā)過程中，項(xiàng)目多是來源于客戶需求，作為開發(fā)者，需要多與客戶交流，了解客戶對于項(xiàng)目的要求有哪些，爭取盡可能多地理解用戶需求。對于學(xué)習(xí)者來說，除了有來自老師的要求外，也有很多自我創(chuàng)意的部分，無論項(xiàng)目來源于哪里，都需要能明確項(xiàng)目到底要做什么，包括哪些具體功能。

（2）描述需求。在理解了項(xiàng)目需求后，可以用“六要素”法將需求描述出來，有利于提升學(xué)生的抽象能力?！傲亍笔侵福簳r(shí)間、地點(diǎn)、人物、起因、經(jīng)過、結(jié)果。比如：游戲何時(shí)開始、何時(shí)結(jié)束、有無限定時(shí)間、游戲發(fā)生的地點(diǎn)、人物有哪些、起因、經(jīng)過和結(jié)果是什么，等等。如表1所示。

（3）分析需求。根據(jù)功能描述，將所有的名詞和動(dòng)詞找出來，將他們互相匹配，即為動(dòng)詞找到主語（名詞），最終在匹配成功的名詞里確定哪些適合作為角色，如表2所示。接著，再找到和數(shù)據(jù)有關(guān)的詞語去確定變量，找到“如果……那么”和重復(fù)，確定程序的邏輯和流程。

經(jīng)過這種逐層抽象后，接下來，可以再用思維導(dǎo)圖把分析結(jié)果表示出來，對項(xiàng)目由上到下、由粗到細(xì)做了大致分解，形成了幾個(gè)功能模塊，該環(huán)節(jié)有利于提升學(xué)生的分解能力。篇幅所限，這里僅展示“小貓”的行為設(shè)計(jì)，如圖1所示。

2.總體設(shè)計(jì)

該階段包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是劃分功能模塊，二是總體流程設(shè)計(jì)。

（1）劃分功能模塊。畫好角色行為設(shè)計(jì)圖后，項(xiàng)目包含的模塊基本清晰可見。該項(xiàng)目包括“背景設(shè)計(jì)、小貓移動(dòng)、寶貝出現(xiàn)（將計(jì)分合并）、障礙物旋轉(zhuǎn)”四個(gè)模塊。劃分出功能模塊后，就會(huì)對項(xiàng)目有總體上的把握。

（2）總體流程設(shè)計(jì)。該環(huán)節(jié)主要是從用戶的角度，根據(jù)程序運(yùn)行過程，設(shè)計(jì)出模塊之間的邏輯關(guān)系，形成總體流程設(shè)計(jì)圖，如圖2所示。該環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)有助于提升學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

圖2 總體流程設(shè)計(jì)

3.編程實(shí)現(xiàn)

完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)后，就開始對每個(gè)模塊進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，而編程之前先要進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，即先要明確解決某個(gè)功能或問題的步驟，然后據(jù)此編寫程序。

（1）算法設(shè)計(jì)。這一環(huán)節(jié)屬于編程的核心，也是難點(diǎn)，設(shè)計(jì)工具是繪制流程圖，用以表達(dá)程序中的順序、選擇以及循環(huán)等邏輯結(jié)構(gòu)。圖3所示是“迷宮尋寶游戲”中小貓移動(dòng)過程中的各種情況處理對應(yīng)的算法流程圖。

（2）編寫程序。編程時(shí)，首先需要考慮選用何種編程語言，這里選用的是Scratch。在學(xué)習(xí)Scratch的基本語法和指令后，就可以依據(jù)該算法編寫出相應(yīng)的程序。通過運(yùn)行程序，觀察結(jié)果，檢測和評估算法的準(zhǔn)確性，反復(fù)修改，如圖4所示。

圖3 算法設(shè)計(jì)

圖4 編程實(shí)現(xiàn)

（3）調(diào)試程序。準(zhǔn)確地說，調(diào)試是伴隨編程的全過程，“出錯(cuò)”是編程的常態(tài)。甚至說程序出錯(cuò)是好事，因?yàn)槌鲥e(cuò)了，我們才能發(fā)現(xiàn)自己到底哪里理解得不夠，是語法錯(cuò)誤，還是整個(gè)邏輯上的錯(cuò)誤。所以，調(diào)試程序的過程其實(shí)是在檢驗(yàn)自己的思維過程，幫助我們提升問題分析和解決的能力。

同時(shí)，在該過程中，學(xué)生會(huì)經(jīng)歷從起初的興奮到遇到問題后的沮喪，從急躁到耐心，從自負(fù)到欣賞他人，從單純的競爭到共同協(xié)作，能體會(huì)到編程過程中的互幫互助，這些都在潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

4.分享拓展

為了讓學(xué)生敢于正視不足并學(xué)會(huì)欣賞他人，設(shè)置“分享”環(huán)節(jié)，開展互玩程序活動(dòng)。在體驗(yàn)別人程序的同時(shí)，學(xué)習(xí)他人的創(chuàng)意與思路，提出改進(jìn)建議，同時(shí)展示說明自己程序的亮點(diǎn)及不足，提升總結(jié)與概括能力。

教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生體驗(yàn)多次的展示分享后，更加地開放，會(huì)主動(dòng)與同伴交流，會(huì)吸取更多的創(chuàng)意和更優(yōu)化的思路及算法。比如：在實(shí)現(xiàn)迷宮尋寶游戲后，很多學(xué)生會(huì)考慮為游戲增加暫停、倒計(jì)時(shí)、設(shè)置不同難度級別等功能。

項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施建議

1.花時(shí)間引導(dǎo)學(xué)生分析和設(shè)計(jì)

實(shí)際教學(xué)中，課時(shí)少，項(xiàng)目本身容量大，前期的分析和設(shè)計(jì)也要花大量的時(shí)間。教師們?yōu)榱粟s教學(xué)進(jìn)度，經(jīng)常把教學(xué)重點(diǎn)放在了“編程實(shí)現(xiàn)”環(huán)節(jié)，“分析和設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)很多時(shí)候浮于表面，甚至是教師代替學(xué)生去分解項(xiàng)目模塊。這樣的話，學(xué)生其實(shí)并沒有體驗(yàn)到面對陌生問題時(shí)的無從下手，也體驗(yàn)不到從模糊到清晰的思維分析過程，計(jì)算思維培養(yǎng)其實(shí)并沒有真正落地。因此，教學(xué)中需要為“需求分析”和“總體設(shè)計(jì)”兩個(gè)環(huán)節(jié)花費(fèi)時(shí)間，這兩個(gè)環(huán)節(jié)做好了，學(xué)生后期編程時(shí)會(huì)有更多的積極性和目標(biāo)性。

2.小步調(diào)地設(shè)計(jì)與編程

“需求分析—總體設(shè)計(jì)—編程實(shí)現(xiàn)—分享拓展”是一個(gè)縱向環(huán)環(huán)相扣的過程，但具體在教學(xué)實(shí)施過程中，并不建議嚴(yán)格地按照這樣的環(huán)節(jié)來實(shí)施教學(xué)。因?yàn)樽鲂枨蠓治龊驮O(shè)計(jì)不是一兩節(jié)課能完成的，如果集中把這些工作做完再去編程，很容易讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。所以建議采用“小步調(diào)設(shè)計(jì)與編程”策略，即設(shè)計(jì)一點(diǎn)兒實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)兒展示一點(diǎn)，這樣學(xué)生會(huì)始終帶著目標(biāo)和興趣去學(xué)習(xí)。

3.開展小組合作學(xué)習(xí)

為有效開展小組合作學(xué)習(xí)，需要有共同的任務(wù)讓大家參與，否則很多合作流于形式。在對項(xiàng)目做分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以讓學(xué)生兩人一組或多人一起描述和討論游戲功能，一起在紙上繪制角色行為設(shè)計(jì)圖。筆者運(yùn)用了在線實(shí)時(shí)協(xié)作作圖網(wǎng)站，在網(wǎng)站上建立小組，組長邀請成員，一起在線分工繪制思維導(dǎo)圖，并實(shí)時(shí)顯示結(jié)果，這種方法可以讓每個(gè)學(xué)生真正體會(huì)到合作的力量。

4.線上線下混合式學(xué)習(xí)

在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中，每位同學(xué)的任務(wù)完成進(jìn)度不一樣，遇到的問題也是五花八門，這時(shí)需要教師作為指導(dǎo)者，在學(xué)生出現(xiàn)問題時(shí)能及時(shí)參與并引導(dǎo)。為此，在教學(xué)中嘗試搭建了Moodle自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，開發(fā)了項(xiàng)目課程，包括有關(guān)知識(shí)點(diǎn)和模塊實(shí)現(xiàn)的微視頻和課件，方便學(xué)生自主選用學(xué)習(xí)資源，這種線上線下混合式學(xué)習(xí)模式為項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施提供了資源支持。

參考文獻(xiàn)

Computing at SchoolWorking Group. Developing computational thinking in the classroom：a framework[DB/OL].（2014）.https：//eprints.soton.ac.uk/369594/1/DevelopingComputationalThinkingInTheClassroomaFramework.pdf. [2018-12-01].

毛澄潔等.Google中國教育合作項(xiàng)目——Google計(jì)算思維課程（中文版）[DB/OL].http：//gur.zucc.edu.cn/curriculum/resource/5a0ba2c899dc9f2478aa35a8.（2016）.[2018-12-01].