基于計(jì)算思維培養(yǎng)的Scratch教學(xué)論文
以“想象、創(chuàng)作、分享”為主題的Scratch，趣味性、易學(xué)性、實(shí)踐性、創(chuàng)新性都適合中小學(xué)生，特別是作為簡單易學(xué)的編程工具，用拖動(dòng)指令塊代替敲代碼，學(xué)生可以避開程序設(shè)計(jì)語言語法的學(xué)習(xí)和調(diào)試，集中精力對問題進(jìn)行求解，這為學(xué)生計(jì)算機(jī)思維的培養(yǎng)提供了便利條件。筆者以《大魚吃小魚》一課為例，就如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維同大家一起探討。學(xué)生此前已經(jīng)學(xué)會(huì)了Scratch中常見的指令塊，本節(jié)課是Scratch的綜合應(yīng)用課。課程任務(wù)是：在10秒鐘內(nèi)記錄大魚吃掉小魚的總條數(shù)。
● 利用面向?qū)ο蟮姆椒ǔ橄蟪鰡栴}求解的模型
計(jì)算思維作為一種思維過程，很難用知識描述的方式顯性呈現(xiàn)出來。其中方法是計(jì)算思維的重要內(nèi)容。計(jì)算思維的方法可分為數(shù)學(xué)方法和工程方法，其中數(shù)學(xué)方法涉及抽象、遞歸、證明、形式化表達(dá)等，工程方法包括系統(tǒng)方法、分治法、面向過程和面向?qū)ο蠓椒ǖ�。教師通過這兩類方法的傳授，把有關(guān)計(jì)算思維的相關(guān)思維特征和方法分解到每一個(gè)具體的教學(xué)內(nèi)容之中。
“大魚吃小魚”游戲?qū)崿F(xiàn)起來比較復(fù)雜，因?yàn)樗皇且粋�(gè)結(jié)構(gòu)化很強(qiáng)的問題，沒有明確要求先做什么再做什么，前后邏輯性不是很嚴(yán)密，小魚在游，大魚也在游，時(shí)間還在走，當(dāng)小魚碰到大魚，要被吃掉，其他小魚依然不受影響，繼續(xù)游，時(shí)間繼續(xù)走。程序中出現(xiàn)了幾個(gè)并行的流程時(shí)，如何進(jìn)行任務(wù)統(tǒng)籌呢？如何貼近實(shí)際進(jìn)行程序的優(yōu)化提高效益呢？利用求解的順序步驟很難解決問題，這需要從另外一個(gè)思路思考問題求解的方法——面向?qū)ο蟮姆椒ā０褑栴}抽象出“對象+觸發(fā)事件”模型，分析游戲中涉及哪些對象，這些對象的初始狀態(tài)是什么，哪些對象是靜態(tài)的，哪些對象是動(dòng)態(tài)的，動(dòng)態(tài)對象的激發(fā)事件是什么，調(diào)試運(yùn)行后，是否達(dá)到最初的預(yù)期，沒有達(dá)到如何優(yōu)化。學(xué)生從具體的事例中抽象出計(jì)算機(jī)能夠解決的模型，從而達(dá)到解決問題的目的。
教學(xué)片段1：
師：游戲中有哪些對象？
生：一條大魚，許多條小魚，背景，被吃小魚計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器。
師：它們初始狀態(tài)是什么？
生：計(jì)數(shù)器初始化為零，計(jì)時(shí)器初始化為零。舞臺背景選擇與“海底世界”類似的畫面；大魚初始位置為隨機(jī)（如圖1）；小魚初始狀態(tài)為游動(dòng)（如圖2）。
師：分析完后，有哪些對象處于初始狀態(tài)？并思考將要發(fā)生哪些事件？
生：事件1，當(dāng)鍵盤上的方向鍵被按下的時(shí)候，大魚的游動(dòng)會(huì)發(fā)生變化；事件2，當(dāng)大魚碰到小魚的時(shí)候，小魚被吃掉，被吃小魚計(jì)數(shù)器自增1；事件3，如果計(jì)時(shí)達(dá)到10秒，游戲結(jié)束，并顯示被吃小魚的條數(shù)。
在Scratch教學(xué)中，如果教師不把分析的過程、思考的過程及優(yōu)化的過程呈現(xiàn)出來，那么學(xué)生也僅僅獲得知識，因缺乏必要的思維訓(xùn)練，他們也無法獲得舉一反三、觸類旁通的能力以及普適的技能。讓學(xué)生從本質(zhì)上和全局上來建立對問題的解決思路，便于學(xué)生進(jìn)入到類似問題的求解中。
● 利用約簡、仿真等方法抽象出事件的處理過程
計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和符號化，在Scratch數(shù)字作品創(chuàng)作過程中，無論是動(dòng)畫故事的編制還是游戲的開發(fā)，都需要把具體的問題抽象成符號或?qū)ο螅⑹褂弥噶顗K把相應(yīng)的問題“計(jì)算”出來。Jeannette M.Wing教授認(rèn)為這種能將一個(gè)問題清晰、抽象地描述出來，并將問題的解決方案表示為一個(gè)信息處理流程的思維過程就是計(jì)算思維的訓(xùn)練過程。計(jì)算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看似困難的.問題重新闡釋成一個(gè)人們知道怎樣解決的問題。計(jì)算機(jī)模擬大魚吃小魚這一現(xiàn)實(shí)問題，怎樣讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真等方式進(jìn)行化難為簡的過程，體會(huì)計(jì)算思維的本質(zhì)——抽象和自動(dòng)化，是計(jì)算思維培養(yǎng)的突出表現(xiàn)。
教學(xué)片段2：
師：大魚（碰到鍵盤上的方向鍵）觸發(fā)什么事件？
學(xué)生操作如圖3所示。
師：如何模擬大魚吃掉小魚的情境�，F(xiàn)實(shí)中看到的場景是大魚張開嘴巴，小魚消失……
生：可以使用“碰到”大魚的時(shí)候，小魚“隱藏”的方式，模擬小魚被吃掉的場景（如圖4）。
師：很好，同學(xué)們已經(jīng)學(xué)會(huì)使用“仿真”方式來解決問題。其實(shí)計(jì)算機(jī)仿真是一種很好的思路。例如，實(shí)體機(jī)器人因?yàn)槌杀靖�，難以普及，所以市場上出現(xiàn)了仿真機(jī)器人，也能讓初學(xué)者體驗(yàn)到機(jī)器人的搭建和傳感器應(yīng)用等功能。當(dāng)時(shí)間達(dá)到規(guī)定時(shí)間10秒時(shí)，游戲結(jié)束。
學(xué)生執(zhí)行如圖5所示操作。
在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生對實(shí)現(xiàn)大魚游動(dòng)的程序進(jìn)行了簡化，抽象出通過按鍵控制大魚橫縱坐標(biāo)值的變化，大魚吃小魚的場景，仿真為小魚碰到大魚時(shí)則消失，并抽象為Scratch功能塊——隱藏，計(jì)數(shù)變量自增1。學(xué)生在觸發(fā)事件的處理過程中，不斷使用簡化、仿真等計(jì)算思維的方法把現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化成Scratch的功能塊，從而達(dá)到利用計(jì)算機(jī)解決問題的目的。
● 利用糾錯(cuò)優(yōu)化調(diào)試程序
計(jì)算思維是通過冗余、賭錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，在最壞的情況下進(jìn)行預(yù)防、保護(hù)和恢復(fù)的一種思維。當(dāng)學(xué)生在Scratch中編寫腳本進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，糾錯(cuò)優(yōu)化是始終伴隨其中的。當(dāng)學(xué)生運(yùn)行程序發(fā)現(xiàn)與預(yù)期的情況不同時(shí)，糾錯(cuò)的行為就開始了，他們會(huì)去尋找到底哪里出現(xiàn)了問題，糾錯(cuò)就是通過測試和調(diào)試去實(shí)現(xiàn)，而糾錯(cuò)同樣是計(jì)算思維的重要概念之一。
教學(xué)片段3：
師：在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)小魚游動(dòng)的畫面非常機(jī)械，如何改進(jìn)？
生：在小魚游動(dòng)的程序中，添加 可以使小魚游動(dòng)的畫面更加自如。
師：當(dāng)小魚隱藏后，游戲重新開始時(shí)，原先被吃掉的小魚不再出現(xiàn)，那么如何修改？
生：在小魚初始化程序塊中添加。
師：上述實(shí)現(xiàn)的是一條小魚，實(shí)際情況中，應(yīng)該有好多小魚，那么如何修改？
生：其他小魚與第一條小魚的不同點(diǎn)是外觀不同（大小、形狀、顏色），相同點(diǎn)是功能相同（來回游動(dòng)，碰到大魚消失）。
師：外觀不同，可以通過選擇圖庫中不同的角色，也可以復(fù)制原角色，利用Scratch自帶的圖片編輯工具填充不同的顏色區(qū)域。功能相同意味著腳本相同，可復(fù)制獲得，利用代碼復(fù)制可以簡化編程工作。調(diào)試運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)復(fù)制腳本能讓許多小魚具有相同的位置和狀態(tài)。這么多小魚不可能從同一點(diǎn)出發(fā)，不符合實(shí)際情況。利用隨機(jī)數(shù)字模塊可以解決小魚起點(diǎn)出現(xiàn)在相同位置的問題。
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