探究式编程教学开启孩子的计算思维能力——以Scratch教学为例 论文.docx

探究式编程教学开启孩子的计算思维能力以Scratch教学为例摘要：计算思维是信息技术课的核心素养，在中小学的信息技术课程中如何进 行计算思维能力的培养与提高，已成为中小学教师共同讨论并关注的热门话题。 Scratch作为一款图形化编程工具，是为协助儿童学习创意思考、协同合作及系统性 思考所发展出来的一个程序设计工具。笔者在文献研究的基础上，基于探究式教学 模式、计算思维和创新思维开发理念，设计了基于计算思维的Scratch编程探究式教 学模式流程。通过窠例，对具体教学中实施的策略和方法进行展示，教学研究与实 践为在Scratch编程教学中培养小学生计算思维作了有益的探索。关键词：探究式教学，编程，计算思维，SCratCh教学引言：随着现代信息技术的迅猛发展，信息素养与创造能力的培养成为信息技 术教育的主题，程序设计回归中小学课堂并成为主导内容，于是传统的基于代码的 编程方式遭受质疑，可视化的思维表达方式越来越受重视。小学生作为求学的启蒙 阶段，可以说课堂教学质量的高低直接影响着学生的学习效果，对学生计算思维能 力有着直按的影响。Scratch计算能力强大、界面设计独特、程序语言形象直观，能有效降低学生学 习编程语言的难度，提高学生对程序设计的兴趣。针对编程本身特点及其对学生“信 息意识、计算机思维、数字化学习与创新等核心素养的要求，在小学阶段编程课堂 中Scratch的课堂更是以实践探究为核心，培养和提高学生创新能力的主战场。一、简介L计算思维第一个提出计算思维的人是美国卡内基梅隆大学计算机科学系主任周以真教授, 她对计算思维的定义是：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系 统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。她认为在 基础语言能力中应该加入计算机运算的因素，在读、写和算数之外，还需要加上计 算机运算的概念：计算机计算思维的技巧，并不只是计算机科学家的专利，而是每个人都应该具备的能力及素养。(见图1)() iJo图1计算思维的四个方面计算思维是一种问题解决的方式，包括问题分解、模式识别、模式归纳、算法开发四部分。问题分解是把问题分解为若干部分或步奏，模式识别是识别并发现模式或趋势，模式归纳是寻找识别模式形成背后的一般原理，算法开发是为开发解决 问题或任务步奏的指令。编程教育的目标是培养学生的计算思维，而SCratCh是很受欢迎的青少年编程教 育工具。2. Scratch 简介Scratch是一款针对8-16岁儿童的图形化编程工具，由美国麻省理工学院开发设 计。Scratch2.0界面（见图2）,由舞台区、角色列表区、舞台列表区、指令区、脚 本区组成。它的编程实现方式是通过鼠标将指令拖拽到右边脚本区积木式拼合在一起，创 建带有交互式的故事、动画、游戏、音乐及视频等作品。氏1图 2Scratch2.0 界面Scratch不只简单、有趣，而且程序概念完整。更棒的是，Scratch被广泛的与各 种感应板、传感器结合，如Arduino> mBot机器人、Tello无人机等，非常容易激发 学生高度的学习兴趣，而学习的动机与兴趣，又是影响学习成效极重要的关键因素。二、理论支撑L计算思维三维框架理论2012年，美国麻省理工学院媒体实验室(MIT)终身幼儿园研究小组 (LifelOngKindergartenGrOUP)在多年研究Scratch在线社区、Scratch教师工作坊以及互 动媒体设计者的编程活动基础上，提出了计算思维三维框架理论，它包括计算概念、 计算实践、计算观念三个维度。2 . SCratCh课程中的计算思维在Scratch课程中，学生在编程、问题求解过程中体现其计算思维能力。根据计 算思维三维框架理论提到的七个计算概念包含于Scratch的动作、外观、声音、画笔、 控制、侦测、数字和逻辑运算、变量这八大指令中。这些对应的是知识与技能。在Scratch课程中，不仅要关注递增和重复、测试和调试、再利用和再创作以及 抽象和模块化四组策略，还要关注学生在学习过程中的表现。计算实践对应过程与 方法，教师需要充分利用有限的课堂时间，帮助和引导学生在设计作品和完成作品 这个过程中获得计算实践能力，体现为Scratch编程能力。计算观念是学生使用Scratch创建互动媒体的过程中形成的对自己与他人关系及 周围世界的理解，对应情感态度与价值观，这是一种有关人格塑造、思维习惯养成 的学习结果。教师要引导学生形成良好的计算观念。3 .探究式教学模式探究式教学模式是教师选取与生活中紧密联系的主题，创设情境，提出问题， 学生围绕一定的主题积极主动地寻找问题的答案，目的是培养学生的创新实践能力。 相比传统的教学模式，探究式教学模式以学生为本，在做中学，通过自主学习、合 作学习的形式开展，注重学生的主动性和求知性。三、基于探究式Scratch编程教学模式设计探究式Scratch创意计算思维教学模式是教师要学会引导青少年以设计者或创建 者的身份投人到创意设计活动中，在设计、创建、实验、探究和分享动态的、互动 的计算媒体的过程中发展成为计算思维者和计算创造者，以便在跨越不同学科、情 境的工作、生活中都能利用计算概念、计算实践和计算观念，为未来的职业发展做 好准备。基于此教学模式，设计了探究式SCratCh编程教学活动。1 .情境体验，设置任务在情境体验过程中，教师引导学生体验情境，让学生了解本节课的知识目标， 激发学生的学习兴趣。创设情境时要充分考虑学生的年龄及理解能力，要与学生的 真实生活密切相关，使他们明了主题。在这个过程中，计算实践是关键，它关注了 学生如何去学习。在创作过程中，学生需要完善故事情节，必须不断测试和调试， 修改再创作，最后形成模块化作品。2 .案例分析，自主探究案例分析的目的是让学生在明了主题后能够知道用什么样的思路和算法完成作 品，帮助学生掌握计算概念，即Seatch中的编程指令。学生依据情景体验，用自己 的语言把问题表征出来，小组内合作研讨完成问题清单（如表2）,通过激发学生提 出问题，有利于启发学生分析任务，为任务的分解做好铺垫，从而促成学生的发散 性思考，使学生经历计算思维中的分解过程。这个环节为学生提供了教学支架，增 加了学生自主思考的机会，目的是培养学生自主探究能力和互作探究解决问题的能 力。3 .教师讲演，答疑解惑案例分析及小组合作探究初次设计遇到问题后，教师采用任务驱动法，传授新 知识点，引导学生通过换角色并增加角色、换对话内容、换场景等，模仿或创造出 应用计算思维的Scratch作品。学生的学习是主动的、真实的，学习体验是深刻的， 学生就会明自为什么要学习这些知识，减少了机械学习和无效学习的发生，增加了 有效教学的时间，保证了课堂教学的高效性。在学生设计和搭建脚本之前，要先完成程序设计表（见表3）。基础较好或理解 能力好的学生，能很快掌握程序设计表，而对于基础较差的学生，教师需要耐心讲解, 并给他们更多的时间在操作中体会。通过这个过程，引导学生对一个看起来复杂的 问题逐步分析，然后分解为一个个相对简单容易理解的小问题，并重新阐释成学生 知道怎样去解决的问题，理清每个角色的动作与编程思路，从而为建模和程序设计 搭起支架，体现了计算思维中“分解和"建模的思想。提高学生的计算实践能力，增 强学生的逻辑思维能力。4 .调试作品，发展个性在接受新知识后，可采用自主探究和组内讨论的方式，针对过程中的问题进行 交流，反复修改作品，填写程序纠错单（见表4）,这个过程加深了学生对概念、知 识的理解，有助于学生综合能力的提高和计算观念的养成。完成了实例程序的设计，学生还只是停留在模仿的层次，要让学生从模仿、创 造再上升到创新，就必须指引学生不断尝试改进甚至创作自己个性化的程序作品。 这样的教学过程不仅要求学生对知识和技能进行识记和理解，更需要对其进行深入 的分析和灵活的运用，对学生的计算思维提出了更高的要求。在对程序进行调试、 改进的过程中，需要不断地分析、查错、改错、改进、完善、优化，这就体现了计 算思维中“评估”纠错“选代的思想。实际上，评估"纠错"迭代的思想是贯穿于学 生的整个学习过程的，通过不断的纠错、迭代，使学生得到反复磨练和改进，知识、 能力、思维获得了不断提升。5 .分享交流，多维点评通过对程序作品的交流分享，不但让学生能借鉴同伴的知识、技术与创意，还 有利于学生的思想交流，展示是对学生的肯定，也是学生再学习的种方式。交流分 享，不仅是展示自己的机会，也是对别人作品的评价过程，学生在交流分享中完成 对知识的归纳总结，对学习的过程进行概括与表述，这也正是计算思维中概括及 “评估思想的一种表现，这个过程有助于学生综合能力的提高和计算观念的养成。6 .归纳总结，知识拓展课堂教学最后，教师引导学生总结本节课的知识点，巩固知识，以学生为本， 为有能力的学生提供拓展任务。四、基于计算思维培养的SCratCh编程教学实施效果总结根据探究式理念下小学Scratch编程教学模式进行了一年的实践。经过实践发现, 与传统的教学模式对比，学生的学习态度和学习效果都发生了比较大的变化，学生 的计算思维也得到了充分发展。首先是学生对Scratch编程这门课产生了很浓厚的兴 趣，不但在课堂上认真学习，下课也主动探究，乐此不疲。其次，学生的综合能力 也有明显的提高，对于课堂任务，能够准确分析需求，并学会不断调试，完善作品。 思维能力和动手实践能力比较强的学生，主动充当小老师帮助其他同学解决问题， 体现团队协作精神。最后，学生的创新思维活跃了很多，在课堂上总能产生各种奇思妙想，设计出 新颖的作品。五、结束语人工智能时代，创新教育模式越来越重要。教育者在开展教学探索时，要理论 与实践相结合，通过实践不断改进教学方式，提高教学质量。笔者经过实践证明， 基于探究式教育理念下的小学Scratch编程教学模式有利于激发小学生对代码编程的 兴趣，促进学生计算思维的发展，提高学生综合素质和创造力。参考文献文章类牟琴，谭良：计算思维的研究及其进展D，计算机科学2011(3)： 10-15.王旭卿，面向三维目标的国外中小学计算思维培养与评价研究，电化教育研究谢忠新，曹杨璐：中小学信息技术学科学生计算思维培养的策略与方法，中国电 化教育,015, 11： 116-120.4瞿建越：Scratch在中小学信息技木教学中的突践与思考J,晨春教育学院学报， 2016, 3207： 61-63.5苏婷婷，小学信息技术课程探究式学习的应用研究D，云南大学，2016.