曹恒來+陳宏斌+鈕洪斌+仇大成

【摘 要】計(jì)算思維起源于計(jì)算科學(xué)，程序設(shè)計(jì)是理解計(jì)算思維的最佳途徑?；谟?jì)算思維的小學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)，從學(xué)科思維層面重新建構(gòu)了以Scratch和Logo為基礎(chǔ)，以機(jī)器人和Free BASIC為拓展的小學(xué)程序設(shè)計(jì)課程體系，歸納和優(yōu)選了關(guān)注點(diǎn)分離、計(jì)算參與、案例教學(xué)、模式建構(gòu)等系列化的程序設(shè)計(jì)教學(xué)策略與方法，希望學(xué)生能夠像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣去思考和解決問題，提高發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維；程序設(shè)計(jì)；教學(xué)研究；教學(xué)實(shí)踐

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2016）12-0039-04

研究緣起

長期以來，我國的中小學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)更多定位于程序設(shè)計(jì)語言的學(xué)習(xí)，學(xué)生無法形成計(jì)算科學(xué)特有的理解問題和分析問題的思維方式，存在問題如下。

1. 乏味的形式化教材體系，泯滅了學(xué)習(xí)的興趣

計(jì)算機(jī)誕生于西方，因此程序設(shè)計(jì)語言都明顯帶有西方文化的演繹思維特征，如使用巴科斯范式或語法圖等形式化的方式描述語法規(guī)則，并影響到了教材的編寫。這種抽象的向?qū)W生灌輸程序設(shè)計(jì)語言語法知識的教材編寫方式，脫離了具體的生活情境，忽視了學(xué)生自身的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，容易使他們喪失學(xué)習(xí)的興趣。[1]

2. 單一的演繹式教學(xué)策略，消磨了學(xué)習(xí)的能力

受教材的影響，無論是BASIC，還是Logo，中小學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)都是采用講授式的教學(xué)方式，教師“灌”，學(xué)生“聽”，學(xué)生只能處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，幾乎沒有動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，課堂上大多數(shù)時(shí)間都掌控在教師的手中。這種演繹式教學(xué)策略，讓學(xué)生能夠在較短的時(shí)間內(nèi)掌握所學(xué)的知識，卻不能使學(xué)生掌握獲取知識的方法，以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)的能力。

3. 文本的專業(yè)化編程環(huán)境，阻礙了學(xué)習(xí)的進(jìn)程

程序設(shè)計(jì)離不開編程環(huán)境的支持，然而，各種專業(yè)的編程環(huán)境，包括面向兒童的編程語言Logo，都是基于文本和符號的編程方式，學(xué)生必須自己輸入指令，各種各樣的語法錯(cuò)誤往往導(dǎo)致學(xué)生寸步難行，大大延長了程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的時(shí)間，影響了程序設(shè)計(jì)能力的提高。

思想的源泉

近年來，從學(xué)科思維層面構(gòu)建課程結(jié)構(gòu)和內(nèi)容逐漸成為人們的共識[2]。這里所說的思維，是指科學(xué)思維，主要分為邏輯思維、實(shí)證思維和計(jì)算思維三類[3]。計(jì)算思維起源于計(jì)算科學(xué)，2006年，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授在計(jì)算機(jī)科學(xué)協(xié)會(huì)（ACM）年會(huì)報(bào)告中，首次明確提出計(jì)算思維的概念：“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)?！彼J(rèn)為：“計(jì)算思維就是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看起來困難的問題重新闡釋成一個(gè)我們知道怎樣解決的問題。”[4]

計(jì)算思維不是今天才有的，只是計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，計(jì)算思維才逐漸被認(rèn)識和強(qiáng)化。當(dāng)前，計(jì)算思維已經(jīng)超越了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)環(huán)境，適用于信息技術(shù)滲透的每一個(gè)角落，但是程序設(shè)計(jì)仍然是理解計(jì)算思維的最佳途徑。在設(shè)計(jì)問題求解方法時(shí)，會(huì)用到遞推法、迭代法、遞歸法等；用計(jì)算機(jī)語言描述求解過程時(shí)，會(huì)涉及順序、分支和循環(huán)三種基本結(jié)構(gòu)；考慮如何響應(yīng)和處理各種意外情況時(shí)，就要用到冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方法；在維護(hù)和修正程序的過程中，要用到測試和調(diào)試的技術(shù)。這些技術(shù)都是計(jì)算思維中的核心概念[5]。

實(shí)踐的歷程

1. 建設(shè)程序設(shè)計(jì)教學(xué)課程資源

現(xiàn)有的程序設(shè)計(jì)書籍都是基于演繹思維編寫的，更多適用于成人學(xué)習(xí)。從2008年起，我們著手編寫適合青少年需要的《程序設(shè)計(jì)應(yīng)用》校本教材，努力使其成為小學(xué)生愛看、好讀、易懂的程序設(shè)計(jì)書籍。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了嘗試。

一是從教學(xué)出發(fā)選擇工具，突破復(fù)雜編程環(huán)境的壁壘。從計(jì)算思維的角度看，程序設(shè)計(jì)語言是描述問題的工具，在設(shè)計(jì)程序之前，首先要選好工具。通過多年的探索與實(shí)踐，我們認(rèn)為BASIC語言仍然是適合小學(xué)生學(xué)習(xí)的程序設(shè)計(jì)語言。FreeBASIC（簡稱FB）既保持了BASIC語言簡單易學(xué)的傳統(tǒng)，也提供了程序設(shè)計(jì)開發(fā)工具所應(yīng)具備的輸入、編輯和調(diào)試功能，菜單簡潔、清晰，可以較好地突破復(fù)雜編程環(huán)境造成的學(xué)習(xí)壁壘。

二是將演繹與歸納相結(jié)合，促進(jìn)知識的主動(dòng)建構(gòu)。人類的思維方式一般有兩種：歸納與演繹。歸納是指從各種特殊事例中抽象概括出一般規(guī)律；而演繹則是從一般原理出發(fā)，通過推導(dǎo)得出個(gè)別結(jié)論。演繹法是西方文化的內(nèi)涵，而歸納法反映了東方文化的內(nèi)涵。受西方演繹思維框架的影響，目前的程序設(shè)計(jì)教材都是直接從語句的基本格式出發(fā)，展開到各個(gè)局部細(xì)節(jié)知識。這對一直接受東方文化熏陶的中國學(xué)生來說，理解上有一定的困難。為此，我們從兩個(gè)方面采取措施，融合兩種文化差異所帶來的問題：一是用自然語言的體系結(jié)構(gòu)類比程序設(shè)計(jì)語言的體系結(jié)構(gòu)，首先讓學(xué)生從整體上把握程序設(shè)計(jì)語言的結(jié)構(gòu)，并由此過渡到具體內(nèi)容的學(xué)習(xí)[6]；二是對于基本語句，先通過一個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)和生活中典型問題的程序，歸納出它的基本格式或解決問題的基本規(guī)律，再將這些規(guī)則或規(guī)律應(yīng)用于相似問題的解決，而不把所有的知識不分巨細(xì)都“嚼碎”了“喂”給學(xué)生。顯然，這是一種基于計(jì)算思維的構(gòu)造性思維方式，更符合中國學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

圖1 自然語言的基本體系結(jié)構(gòu) 圖2 程序設(shè)計(jì)語言的基本體系結(jié)構(gòu)

三是強(qiáng)化算法的分析，經(jīng)歷問題解決的全過程。用程序設(shè)計(jì)解決問題，關(guān)鍵是要找到解決問題的方法——算法。對于初學(xué)者來說，往往在看到問題后，粗粗一想就開始動(dòng)手，很簡單的問題卻寫出一大堆代碼，自己也說不清解決問題的方法和過程。所以，對于每一個(gè)編程問題，我們都會(huì)從問題的分析和分解開始，首先找出解決問題的算法，再用FB語言編寫程序、實(shí)現(xiàn)算法。[7]

程序設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，學(xué)習(xí)者只有通過大量的編程實(shí)踐，才能比較牢固地掌握基本的編程知識和技能，進(jìn)而編寫出具有“實(shí)用”價(jià)值的程序。因此，我們?yōu)槊空露寂渲昧肆?xí)題，并專門編寫了配套的習(xí)題解析，對教材中的習(xí)題進(jìn)行詳細(xì)的分析和解答。同時(shí)，進(jìn)一步補(bǔ)充了改錯(cuò)題、讀程序題、程序填空題等。多數(shù)習(xí)題創(chuàng)設(shè)了貼近學(xué)生學(xué)習(xí)和生活的應(yīng)用情境，以激發(fā)學(xué)習(xí)者在真實(shí)的情境中尋找解決問題的方法。為了檢測學(xué)生編程解決問題的能力，我們還使用HUSTOJ系統(tǒng)架設(shè)了在線程序評測系統(tǒng)。學(xué)生提交的程序在服務(wù)器端運(yùn)行，會(huì)有正確、答案錯(cuò)誤、編譯錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤等反饋信息，可以很好地指導(dǎo)學(xué)生調(diào)試程序。教師亦可很好地檢查學(xué)生作業(yè)完成情況，并就存在的問題進(jìn)行解答。

2. 創(chuàng)新程序設(shè)計(jì)教學(xué)策略與方法

融入計(jì)算思維，不僅是內(nèi)容和工具的改變，更應(yīng)是教學(xué)方法、教學(xué)方式的改變。近年來，我們總結(jié)和歸納了系列的程序設(shè)計(jì)教學(xué)策略與方法。

一是采用案例教學(xué)，自主建構(gòu)程序設(shè)計(jì)指令集。程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)主要圍繞環(huán)境、語言和應(yīng)用三個(gè)方面的知識和內(nèi)容展開，語言的學(xué)習(xí)，其核心主要在于語言規(guī)則本身。傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)主要使用規(guī)例法介紹語言規(guī)則，即從語句的基本格式出發(fā)，詳細(xì)講解語句的各個(gè)要素，最后舉例說明。我們則在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中運(yùn)用案例教學(xué)法，首先對典型程序進(jìn)行模仿，歸納出語句基本格式或解決問題的基本規(guī)律，再將這些規(guī)則或規(guī)律應(yīng)用于類似問題的解決。

案例1：定義過程

1.提出問題，呈現(xiàn)任務(wù)。分析“俄羅斯方塊”游戲，發(fā)現(xiàn)共有七種基本方塊，本節(jié)課的任務(wù)是學(xué)習(xí)用Logo語言繪制七種基本方塊。

2.運(yùn)行程序，分析過程。用定義好的“ZFX”過程示范繪制一個(gè)基本方塊，對“過程”作初步講解。

3.范例研習(xí)，提取指令。出示“ZFX”過程，為學(xué)生揭開教師演示的秘密。再出示“SJX”“WJX”兩個(gè)過程，歸納出過程的一般格式。

4.定義過程，嘗試使用。學(xué)生嘗試定義繪制正方形的過程，調(diào)用過程繪制一種自己喜歡的基本俄羅斯方塊。

5.創(chuàng)意設(shè)計(jì)，再用過程。從“多層柜”“幸運(yùn)草”和“好運(yùn)星”中選擇自己喜歡的圖形進(jìn)行分析，并完成圖形的繪制。也可以自己定義一個(gè)或者多個(gè)繪制基本圖形的過程，設(shè)計(jì)出新的圖形。

在程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)伊始，為學(xué)生提供一個(gè)需要解決的生活中的具體任務(wù)，分析解決這個(gè)問題的“程序”，引導(dǎo)學(xué)生提取其中的指令，得到一組“指令集”，再將這組“指令集”應(yīng)用于類似問題的解決，逐漸提高個(gè)人“指令集”的復(fù)雜程度，最終得到功能強(qiáng)大的指令集。顯然，這種例規(guī)法教學(xué)更符合中國學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

二是面向計(jì)算參與，在創(chuàng)意和計(jì)算中學(xué)習(xí)編程。Scratch是一個(gè)可視化編程工具，學(xué)生只需要拖動(dòng)圖形就可以輕松創(chuàng)作出蘊(yùn)涵著故事情節(jié)的游戲和故事等編程制品。然而，許多教師仍然采用傳統(tǒng)的“編寫代碼”的教學(xué)思路，并沒有充分發(fā)揮Scratch在創(chuàng)意計(jì)算上的優(yōu)勢。2012年，美國賓夕法尼亞大學(xué)教育研究生院的YasminB.Kafai教授提出了以“社會(huì)化轉(zhuǎn)向”為特征的培養(yǎng)計(jì)算思維的新范式——計(jì)算參與，并從三個(gè)維度進(jìn)行了描述：（1）從編寫代碼到創(chuàng)建應(yīng)用；（2）從設(shè)計(jì)工具到促進(jìn)社區(qū)；（3）從“白手起家”到再創(chuàng)作他人成果。傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)總是通過解決一些看似趣味、其實(shí)枯燥的數(shù)學(xué)題（如農(nóng)夫過河等）來學(xué)習(xí)編程?；凇皠?chuàng)建應(yīng)用”的編程教學(xué)方式，學(xué)生不再只是編寫代碼，設(shè)計(jì)功能完整的應(yīng)用程序成為學(xué)習(xí)編程的重要任務(wù)[8]?！拔业腟cratch畫圖程序”這節(jié)課就采用了“創(chuàng)建應(yīng)用”程序設(shè)計(jì)教學(xué)方式。

案例2：我的Scratch畫圖程序

教師出示學(xué)生Scratch作品范例——“畫一畫”程序。（1）體驗(yàn)操作，并思考程序中有哪些角色，它們在程序中分別有什么功能。（2）觀察“畫筆工具”角色的主要?jiǎng)幼?，分析角色的腳本，完成“連一連”，將動(dòng)作和對應(yīng)腳本模塊用直線相連。（3）兩人一組，一人負(fù)責(zé)現(xiàn)有范例程序不變，另一人逐條刪除“畫筆”工具中的相應(yīng)指令，比較、分析每一個(gè)指令的作用。

學(xué)生在創(chuàng)作我的“畫圖”程序的過程中，需要“仔細(xì)思考用戶與應(yīng)用程序互動(dòng)的方式，以及根據(jù)意圖實(shí)現(xiàn)功能的方式”，知識與技能的學(xué)習(xí)有機(jī)地融入到了設(shè)計(jì)有意義的“畫圖”程序中來。學(xué)生不再只是技術(shù)“消費(fèi)者”，更多的是技術(shù)的“生產(chǎn)者”。此外，在他人的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)編程，一個(gè)人也可以編寫相對“復(fù)雜”的程序。使用——修改——?jiǎng)?chuàng)作是這種教學(xué)策略的基本思路，范例研習(xí)引領(lǐng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)別人解決問題的方法，通過修改參數(shù)進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)，進(jìn)一步理解技術(shù)的關(guān)鍵要點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，嘗試為游戲添加更多的功能，從而將學(xué)到的知識與技能應(yīng)用到解決實(shí)際問題的過程中，使學(xué)習(xí)變得更加有趣。

三是運(yùn)用關(guān)注點(diǎn)分離，降低問題解決的復(fù)雜度。在教學(xué)中采用關(guān)注點(diǎn)分離方法，就是將復(fù)雜問題進(jìn)行合理的分解，控制問題的復(fù)雜性，提高可理解性，再分別仔細(xì)研究問題的不同側(cè)面（關(guān)注點(diǎn)），最后綜合各方面的結(jié)果，合成整體的解決方案[9]?！爱嫿M合圖形”就采用了關(guān)注點(diǎn)分離的方法。

案例3：畫組合圖形

你會(huì)畫組合圖形嗎？這個(gè)圖形由哪幾個(gè)圖形組成？你準(zhǔn)備先畫哪個(gè)圖形？小海龜出發(fā)時(shí)的角度是多少？繪制這個(gè)圖形的命令是什么？畫好該圖形后，小海龜?shù)奈恢迷谀膫€(gè)點(diǎn)？你準(zhǔn)備把第二個(gè)圖形的起始位置確定在哪個(gè)點(diǎn)？小海龜出發(fā)時(shí)的角度是多少？繪制這個(gè)圖形的命令是什么？

通過把復(fù)雜的組合圖形拆分成兩個(gè)簡單圖形——等邊三角形和正方形，實(shí)現(xiàn)關(guān)注點(diǎn)的分離，也降低了繪制組合圖形的難度，更易于學(xué)生理解。

四是基于模式建構(gòu)，培養(yǎng)正確的程序設(shè)計(jì)思維方法?，F(xiàn)代大型軟件系統(tǒng)的開發(fā)中，工程化的開發(fā)控制是軟件系統(tǒng)成功的保證。在我們程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，“個(gè)性化”方法比較嚴(yán)重，同一個(gè)算法在不同問題中的描述往往是不同的，學(xué)生即使編寫了“大量”的程序，也無法遷移到相似問題的解決過程之中。所謂模式，是指一種經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，是對相似問題的一種通用解決方案，它是經(jīng)過充分考驗(yàn)并證明是行之有效的，能夠遷移并推廣到更廣泛的問題解決與應(yīng)用中去[10]。以下就是基于模式建構(gòu)的循環(huán)語句教學(xué)案例。

案例4：循環(huán)語句

循環(huán)是程序設(shè)計(jì)最困難的部分之一，學(xué)生往往在這里開始出現(xiàn)分化。主要是由于在使用DO-LOOP語句時(shí)，必須自己實(shí)現(xiàn)循環(huán)的四個(gè)部分，這時(shí)經(jīng)常會(huì)遺漏修正部分或修正不正確，或者檢查條件設(shè)置不正確，造成死循環(huán)。應(yīng)用模式進(jìn)行循環(huán)語句的教學(xué)，則可以幫助學(xué)生建立起循環(huán)結(jié)構(gòu)解決問題的基本模式：初始條件、檢查條件、循環(huán)體、檢查條件，學(xué)生在解決其他相似問題時(shí)，只需要根據(jù)具體問題，修改這個(gè)基本模式的相應(yīng)部分即可。應(yīng)用是無限的，但方法、原理、思想?yún)s是相對固定的，基于模式建構(gòu)的程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生建立良好的程序設(shè)計(jì)思維和方法。

3. 探索基于機(jī)器人平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)

雖然Scratch采用了圖形化的編程界面，但是編程的結(jié)果也只能呈現(xiàn)在屏幕上，基于機(jī)器人平臺(tái)，學(xué)生則可以把程序下載到機(jī)器人里，即時(shí)看到編程的“物化”效果，再根據(jù)這些反饋修改程序，使程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)更具有知識性、實(shí)踐性、趣味性和直觀性。

例如，在機(jī)器人沿線（如黑線）行走的運(yùn)動(dòng)中，機(jī)器人是根據(jù)灰度傳感器測得的黑白色灰度值來判斷是否在線上。理論上來說，在機(jī)器人行走的過程中，灰度傳感器測得的灰度值等于黑色灰度值，說明機(jī)器人在軌跡線上，測得的灰度值等于白色的灰度值，說明機(jī)器人在線下。然而，黑色軌跡線的顏色并不是絕對均勻的，可能也有小塊的白色區(qū)域沒涂上白色。因此，為了使機(jī)器人能夠比較穩(wěn)定地行走，應(yīng)該允許識別黑白色的臨界值有一定的差值。這樣，學(xué)生在經(jīng)歷“思考—實(shí)踐—再思考—再實(shí)踐”的反復(fù)人機(jī)交互過程中，體驗(yàn)了在解決工程問題過程中，為滿足系統(tǒng)的可實(shí)施性，而對系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的技術(shù)、方案做出合理取舍的一種折衷思維[11]。

實(shí)踐成果

至此，我們逐步建立了小學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)的課程體系。該體系主要由四個(gè)模塊組成：把Scratch作為小學(xué)生首門程序設(shè)計(jì)課，學(xué)生在制作富有個(gè)性的互動(dòng)媒體作品的過程中，形成信息化情境下解決問題的方法與策略；在用Logo指令控制計(jì)算機(jī)完成動(dòng)作的過程中，理解人是如何通過程序指揮計(jì)算機(jī)解決問題的；通過機(jī)器人模塊的學(xué)習(xí)，理解基于“工程-設(shè)計(jì)-管理”框架下的模塊化、結(jié)構(gòu)化、逐步求精、測試與調(diào)試等軟件工程設(shè)計(jì)方法。通過FB程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)從問題出發(fā)設(shè)計(jì)算法并編程實(shí)現(xiàn)，理解算法和程序設(shè)計(jì)在解決問題過程中的地位和作用。

作為最重要的計(jì)算思維原則之一，關(guān)注點(diǎn)分離法是處理復(fù)雜問題的一種普適系統(tǒng)方法和原則，在不同模塊教學(xué)中都要運(yùn)用這種思想方法。在基于計(jì)算參與的程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，學(xué)生從使用、“擺弄”他人的編程制品開始學(xué)習(xí)編程，理解程序設(shè)計(jì)的基本思想。案例教學(xué)指向的思維品質(zhì)正是計(jì)算思維的本質(zhì)——抽象，用這種方法學(xué)習(xí)到的“程序設(shè)計(jì)”，不是陷在陌生的人工語言環(huán)境之中，依賴記指令、背結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)，而是面向貼近生活經(jīng)驗(yàn)的、解決現(xiàn)實(shí)問題的程序設(shè)計(jì)。應(yīng)用模式進(jìn)行問題的分析與設(shè)計(jì)，有助于我們運(yùn)用別人的經(jīng)驗(yàn)，特別是專家的經(jīng)驗(yàn)來分析、設(shè)計(jì)和描述問題，并最終解決問題。在實(shí)際的教學(xué)情境中，這幾種教學(xué)方法之間是一種相互支持、互為補(bǔ)充的關(guān)系，我們應(yīng)充分利用它們的優(yōu)勢，以促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展為原則來尋求一種最佳的搭配。

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（作者單位：江蘇鹽城市教育科學(xué)研究院 江蘇鹽城市第一小學(xué)教育集團(tuán) 江蘇大豐區(qū)幸福路小學(xué) 江蘇濱?？h教師發(fā)展中心）