基于計算思維培養的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(jiǎn)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(kāi)程序設計語(yǔ)言語(yǔ)法的學(xué)習和調試，集中精力對問(wèn)題進(jìn)行求解，這為學(xué)生計算機思維的培養提供了便利條件。筆者以《大魚(yú)吃小魚(yú)》一課為例，就如何培養學(xué)生的計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(jiàn)的指令塊，本節課是Scratch的綜合應用課。課程任務(wù)是：在10秒鐘內記錄大魚(yú)吃掉小魚(yú)的總條數。
● 利用面向對象的方法抽象出問(wèn)題求解的模型
計算思維作為一種思維過(guò)程，很難用知識描述的方式顯性呈現出來(lái)。其中方法是計算思維的重要內容。計算思維的方法可分為數學(xué)方法和工程方法，其中數學(xué)方法涉及抽象、遞歸、證明、形式化表達等，工程方法包括系統方法、分治法、面向過(guò)程和面向對象方法等。教師通過(guò)這兩類(lèi)方法的傳授，把有關(guān)計算思維的相關(guān)思維特征和方法分解到每一個(gè)具體的教學(xué)內容之中。
“大魚(yú)吃小魚(yú)”游戲實(shí)現起來(lái)比較復雜，因為它不是一個(gè)結構化很強的問(wèn)題，沒(méi)有明確要求先做什么再做什么，前后邏輯性不是很?chē)烂�，小魚(yú)在游，大魚(yú)也在游，時(shí)間還在走，當小魚(yú)碰到大魚(yú)，要被吃掉，其他小魚(yú)依然不受影響，繼續游，時(shí)間繼續走。程序中出現了幾個(gè)并行的流程時(shí)，如何進(jìn)行任務(wù)統籌呢？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(wèn)題，這需要從另外一個(gè)思路思考問(wèn)題求解的方法——面向對象的方法。把問(wèn)題抽象出“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，調試運行后，是否達到最初的預期，沒(méi)有達到如何優(yōu)化。學(xué)生從具體的事例中抽象出計算機能夠解決的模型，從而達到解決問(wèn)題的目的。
教學(xué)片段1：
師：游戲中有哪些對象？
生：一條大魚(yú)，許多條小魚(yú)，背景，被吃小魚(yú)計數器、計時(shí)器。
師：它們初始狀態(tài)是什么？
生：計數器初始化為零，計時(shí)器初始化為零。舞臺背景選擇與“海底世界”類(lèi)似的畫(huà)面；大魚(yú)初始位置為隨機（如圖1）；小魚(yú)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，當鍵盤(pán)上的方向鍵被按下的時(shí)候，大魚(yú)的游動(dòng)會(huì )發(fā)生變化；事件2，當大魚(yú)碰到小魚(yú)的時(shí)候，小魚(yú)被吃掉，被吃小魚(yú)計數器自增1；事件3，如果計時(shí)達到10秒，游戲結束，并顯示被吃小魚(yú)的條數。
在Scratch教學(xué)中，如果教師不把分析的過(guò)程、思考的過(guò)程及優(yōu)化的過(guò)程呈現出來(lái)，那么學(xué)生也僅僅獲得知識，因缺乏必要的思維訓練，他們也無(wú)法獲得舉一反三、觸類(lèi)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(lái)建立對問(wèn)題的解決思路，便于學(xué)生進(jìn)入到類(lèi)似問(wèn)題的求解中。
● 利用約簡(jiǎn)、仿真等方法抽象出事件的處理過(guò)程
計算思維的本質(zhì)是抽象和符號化，在Scratch數字作品創(chuàng )作過(guò)程中，無(wú)論是動(dòng)畫(huà)故事的編制還是游戲的開(kāi)發(fā)，都需要把具體的問(wèn)題抽象成符號或對象，并使用指令塊把相應的問(wèn)題“計算”出來(lái)。Jeannette M.Wing教授認為這種能將一個(gè)問(wèn)題清晰、抽象地描述出來(lái)，并將問(wèn)題的解決方案表示為一個(gè)信息處理流程的思維過(guò)程就是計算思維的訓練過(guò)程。計算思維是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個(gè)看似困難的.問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)人們知道怎樣解決的問(wèn)題。計算機模擬大魚(yú)吃小魚(yú)這一現實(shí)問(wèn)題，怎樣讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉化、仿真等方式進(jìn)行化難為簡(jiǎn)的過(guò)程，體會(huì )計算思維的本質(zhì)——抽象和自動(dòng)化，是計算思維培養的突出表現。
教學(xué)片段2：
師：大魚(yú)（碰到鍵盤(pán)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(yú)吃掉小魚(yú)的情境�，F實(shí)中看到的場(chǎng)景是大魚(yú)張開(kāi)嘴巴，小魚(yú)消失……
生：可以使用“碰到”大魚(yú)的時(shí)候，小魚(yú)“隱藏”的方式，模擬小魚(yú)被吃掉的場(chǎng)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(lái)解決問(wèn)題。其實(shí)計算機仿真是一種很好的思路。例如，實(shí)體機器人因為成本高，難以普及，所以市場(chǎng)上出現了仿真機器人，也能讓初學(xué)者體驗到機器人的搭建和傳感器應用等功能。當時(shí)間達到規定時(shí)間10秒時(shí)，游戲結束。
學(xué)生執行如圖5所示操作。
在教師的引導下，學(xué)生對實(shí)現大魚(yú)游動(dòng)的程序進(jìn)行了簡(jiǎn)化，抽象出通過(guò)按鍵控制大魚(yú)橫縱坐標值的變化，大魚(yú)吃小魚(yú)的場(chǎng)景，仿真為小魚(yú)碰到大魚(yú)時(shí)則消失，并抽象為Scratch功能塊——隱藏，計數變量自增1。學(xué)生在觸發(fā)事件的處理過(guò)程中，不斷使用簡(jiǎn)化、仿真等計算思維的方法把現實(shí)問(wèn)題轉化成Scratch的功能塊，從而達到利用計算機解決問(wèn)題的目的。
● 利用糾錯優(yōu)化調試程序
計算思維是通過(guò)冗余、賭錯、糾錯的方式，在最壞的情況下進(jìn)行預防、保護和恢復的一種思維。當學(xué)生在Scratch中編寫(xiě)腳本進(jìn)行程序設計時(shí)，糾錯優(yōu)化是始終伴隨其中的。當學(xué)生運行程序發(fā)現與預期的情況不同時(shí)，糾錯的行為就開(kāi)始了，他們會(huì )去尋找到底哪里出現了問(wèn)題，糾錯就是通過(guò)測試和調試去實(shí)現，而糾錯同樣是計算思維的重要概念之一。
教學(xué)片段3：
師：在調試中，發(fā)現小魚(yú)游動(dòng)的畫(huà)面非常機械，如何改進(jìn)？
生：在小魚(yú)游動(dòng)的程序中，添加 可以使小魚(yú)游動(dòng)的畫(huà)面更加自如。
師：當小魚(yú)隱藏后，游戲重新開(kāi)始時(shí)，原先被吃掉的小魚(yú)不再出現，那么如何修改？
生：在小魚(yú)初始化程序塊中添加。
師：上述實(shí)現的是一條小魚(yú)，實(shí)際情況中，應該有好多小魚(yú)，那么如何修改？
生：其他小魚(yú)與第一條小魚(yú)的不同點(diǎn)是外觀(guān)不同（大小、形狀、顏色），相同點(diǎn)是功能相同（來(lái)回游動(dòng)，碰到大魚(yú)消失）。
師：外觀(guān)不同，可以通過(guò)選擇圖庫中不同的角色，也可以復制原角色，利用Scratch自帶的圖片編輯工具填充不同的顏色區域。功能相同意味著(zhù)腳本相同，可復制獲得，利用代碼復制可以簡(jiǎn)化編程工作。調試運行后，發(fā)現復制腳本能讓許多小魚(yú)具有相同的位置和狀態(tài)。這么多小魚(yú)不可能從同一點(diǎn)出發(fā)，不符合實(shí)際情況。利用隨機數字模塊可以解決小魚(yú)起點(diǎn)出現在相同位置的問(wèn)題。
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