王鳴九

2006年，周以真教授系統(tǒng)地提出了計算思維的定義、概念和特征。從2010年5月起，計算思維開始融入大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程，以培養(yǎng)高素質(zhì)的研究型人才。而在中學(xué)信息科技課程中，各地教師也已開展了諸多實踐，除了融入原有的計算機編程課程外，廣州、深圳、重慶的很多教師以Scratch、Kodu等為載體，將計算思維的培養(yǎng)融入其中，以此來體現(xiàn)學(xué)科價值。筆者所在學(xué)校近年來也一直在開展計算思維融入初中信息技術(shù)課的實踐研究，本案例所描述的是利用Scratch載體，結(jié)合傳感器，針對計算思維的抽象、分解、算法和糾錯等核心概念開展教學(xué)實踐。

案例描述

這是七年級Scratch課程中的一個案例，學(xué)生將通過三課時的學(xué)習，利用Scratch及其外設(shè)傳感器，通過程序設(shè)計來模擬現(xiàn)實生活中的抓娃娃機。在第一課時，學(xué)生們已經(jīng)接觸了Scratch傳感器，并學(xué)習了如何將滑桿應(yīng)用到Scratch作品中。本文重點探討第二課時中關(guān)于計算思維的落實，主要體現(xiàn)在以下幾個教學(xué)環(huán)節(jié)。

1.抽象

首先，筆者請學(xué)生描述生活中抓娃娃機的游戲過程，學(xué)生一般會給出如下描述：通過搖動手柄來控制爪子前后左右移動，然后對準要抓的娃娃后，按下按鈕爪子就會下降，當下降到一定高度后，爪子就會合上，無論是否抓到娃娃，爪子都會回到出口處的上方。接著，結(jié)合PPT，如圖1所示，筆者依次拋出這樣四個問題，請學(xué)生思考：第一，爪子是由什么控制的？第二，手柄可以讓爪子在什么方向上移動？第三，如何讓爪子下降？第四，爪子何時會上升？

學(xué)生們稍作思考便能回答，且答案也近乎統(tǒng)一，即爪子是由手柄控制的，手柄可以前后左右移動，當按下按鈕時爪子會下降，當下降到一定高度時爪子會上升。

筆者拋出這四個問題目的在于引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、思考，將現(xiàn)實生活中的對象，與計算機中處理的對象進行一一對應(yīng)。如圖2所示，手柄和按鈕對應(yīng)Scratch傳感器上的滑桿和按鈕；爪子和娃娃對應(yīng)Scratch中的角色。

此環(huán)節(jié)就體現(xiàn)了計算思維中的“抽象”概念——將現(xiàn)實生活中的對象轉(zhuǎn)為計算機可以處理的對象，將一個現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可以處理的問題。而采用的教學(xué)策略是層層提問，促進學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生去描述現(xiàn)象和問題。

2.分解

計算思維中分解的概念是將一個復(fù)雜的大問題分解為若干個易于解決和實現(xiàn)的小問題。

在這個案例中，爪子的行為最復(fù)雜，直接讓學(xué)生去編程實現(xiàn)是很困難的。為了幫助學(xué)生理清思路，如圖3所示，筆者將爪子的行為分解為五個步驟：左右移動、下降、合上、回到原位、松開。當學(xué)生拿到學(xué)習單后，就要去思考：在什么情況下，爪子左右移動；在什么情況下，爪子會下降；又是在什么情況下，爪子會合上……

學(xué)生通過思考和課堂交流，了解到爪子的一系列行為都是有觸發(fā)條件的，而他們的腦中對這些條件的認識也變得清晰了：當調(diào)節(jié)滑桿時，爪子可以左右移動；當按下按鈕時，爪子會開始下降；當下降到一定高度時，爪子會合上；當爪子合上后，開始上升并回到原位；當回到原位后，爪子開始松開。

在引導(dǎo)學(xué)生對案例進行分解時，筆者采用的教學(xué)策略是提供學(xué)習支架，以“當……時候，爪子做……”的形式設(shè)計表格，啟發(fā)學(xué)生思考，進行課堂交流，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)每一個行為都是有對應(yīng)的觸發(fā)條件的，同時也為進一步提煉算法打下基礎(chǔ)。

3.算法

計算思維中另一個重要的概念就是算法，算法是有窮規(guī)則的集合，是用規(guī)則制定了某一特定類型問題的運算序列，或者是任務(wù)執(zhí)行與問題求解的一系列步驟。而算法又有很多種描述方式，在經(jīng)過抽象和分解后，學(xué)生們已經(jīng)可以用自然語言去描述這個案例。但僅憑借自然語言，學(xué)生在Scratch中進行程序設(shè)計是很困難的，因為分支和循環(huán)是很難用自然語言描述清楚的，因此，借助流程圖描述算法就是筆者采取的教學(xué)策略。

以爪子的左右移動和下降這兩個行為為例，在自然語言描述的基礎(chǔ)上，筆者給出流程圖如圖4所示，虛線框中的條件判斷和循環(huán)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)到Scratch中，就是“重復(fù)執(zhí)行直到傳感器按下按鈕”。在按下按鈕之前，都是由滑桿來控制爪子的移動，而左右移動，在計算機中對應(yīng)的就是爪子的x坐標發(fā)生變化，因此，可以通過設(shè)定爪子的x坐標來實現(xiàn)水平移動。

因為學(xué)生程序設(shè)計經(jīng)驗不足，所以給出流程圖以及Scratch中對應(yīng)的腳本，這樣能夠幫助學(xué)生更有效、更規(guī)范地描述算法，引導(dǎo)學(xué)生在Scratch中找到對應(yīng)代碼塊，進行腳本編寫。同樣，判斷爪子何時合上以及判斷是否碰到娃娃，筆者給出如圖5所示的流程圖。

與爪子左右移動同理，所謂爪子下降，就是將爪子的y坐標減小，這是一個重復(fù)執(zhí)行的過程，結(jié)束的條件是下降到一定高度，用y坐標小于某一個數(shù)值來實現(xiàn)。而當爪子合上后，需要進行一次判斷，如果碰到了娃娃，那么就進行廣播，以便“告知”娃娃在接收到這個廣播后可以執(zhí)行的后續(xù)行為，如跟隨爪子。

4.糾錯

其實，當學(xué)生在Scratch中編寫腳本進行程序設(shè)計時，糾錯是始終伴隨其中的。當學(xué)生運行程序，發(fā)現(xiàn)與預(yù)期不同的情況發(fā)生時，糾錯的行為就開始了，他們會去尋找到底哪里出現(xiàn)了問題，糾錯是通過測試和調(diào)試去實現(xiàn)的，糾錯同樣是計算思維的概念之一。

在這個環(huán)節(jié)中，筆者采用的教學(xué)策略有兩種，一是提供傳感器使用微視頻，二是指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會添加注釋。有的學(xué)生對傳感器上的滑桿和按鈕如何應(yīng)用還不清楚，那么，就可以在Moodle平臺上下載微視頻教學(xué)資源并反復(fù)觀看，從而解決Scratch中傳感器的使用問題。

部分學(xué)生有些功能是實現(xiàn)了，但是在運行觀察中發(fā)現(xiàn)存在問題，而想要尋找問題出在哪里的時候，卻因為代碼塊數(shù)量的增加很難快速查找定位。對此，應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會為代碼塊添加注釋功能，根據(jù)代碼所實現(xiàn)的功能添加注釋（如圖6），這樣便于排錯過程中快速定位，尋找問題所在。

案例反思

1.本案例的優(yōu)點及不足

本案例最顯著的優(yōu)點就在于抽象和分解這兩個環(huán)節(jié)，筆者通過問題設(shè)計、層層提問、提示引導(dǎo)，幫助學(xué)生把一個現(xiàn)實生活中的問題轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢杂糜嬎銠C處理的問題，并且將復(fù)雜的大問題分解為多個簡單的小問題，讓學(xué)生在解決問題中培養(yǎng)計算思維。

筆者之所以選擇“抓娃娃機”，也是出于對學(xué)生最近發(fā)展區(qū)的考慮，這個例子是學(xué)生生活中熟悉并且能夠很好理解的，所以在引導(dǎo)學(xué)生對案例進行抽象和分解時，學(xué)生有很高的參與度。

這節(jié)課的不足之處在于，筆者僅考慮了案例本身的難點，卻忽視了學(xué)生接觸Scratch只有半個學(xué)期，編程經(jīng)驗不足這樣一個事實，因此，沒能充分預(yù)設(shè)，在編程環(huán)節(jié)沒有給予學(xué)生更多幫助。任務(wù)是明確的，學(xué)生也清楚最終成品應(yīng)該是怎樣的，但在對作品進行反復(fù)運行和糾錯時就顯得很費力，沒有能夠獲得及時的輔導(dǎo)。

2.從計算思維角度進行教學(xué)設(shè)計的一般方法

類似的案例也有不少，如利用傳感器的滑桿制作平板接球游戲，利用傳感器的光感信號控制發(fā)射子彈制作射擊游戲等。

雖然案例的內(nèi)容和實現(xiàn)作品的技術(shù)手段各不相同，但可以得出此類教學(xué)設(shè)計的一般方法，即選擇案例→抽象建?！纸鈫栴}→形成算法→糾錯調(diào)試。

第一步，案例的選擇要貼近學(xué)生認知，對案例的熟悉程度和理解程度是對問題抽象和分解的基礎(chǔ)。

第二步，幫助學(xué)生將現(xiàn)實生活中的對象轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的對象，將一個現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€計算機可以處理的問題，也就是抽象的過程。

第三步，分解問題，引導(dǎo)學(xué)生將一個大而復(fù)雜的問題分解為若干個更易實現(xiàn)和解決的小問題。

第四步，在分解的基礎(chǔ)上，針對每個小問題，形成解決問題的算法。

第五步，運行程序進行觀察和測試，對出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進行糾錯，而糾錯的過程會反復(fù)進行。

相信各地對計算思維開展研究的教師們，在思考和實踐計算思維與信息科技課程融合中也會有很多案例，筆者由衷地希望可以相互學(xué)習和交流。