基于计算思维培养的LogoUp3D课堂教学模式探索

郭莹

摘要：计算思维是课程核心素养的重要组成部分，如何改变学生依葫芦画瓢完成作品建模的现状？如何促进学生计算思维核心素养的全面提升？笔者以近一年的LogoUp 3D教学实践为例，谈谈自己的思考与体会。

关键词：计算思维 3D打印 教学模式

计算思维是课程核心素养的重要组成部分，是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。具备计算思维的学生能够采用计算机领域的学科方法界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据;通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案;总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决中。[1]

LogoUp 3D是一款符合教育部《中小学综合实践活动纲要》及福建省教育厅基础教育处【2017】66号文件规定的三维程序式编程软件，它引入现代语法和Scratch式的积木设计，编写的每一个语句，都能实时地在三维图形中显示出来，实现所见即所得，是培养学生空间想象能力、创客精神和计算思维的一个得力工具。

如何改变学生依葫芦画瓢，按照教师的制作步骤或范例提示一步步操作完成作品建模的现状？如何促进学生计算思维核心素养的全面提升，创设“以生为本，以学生为中心，以学为主”的课堂，实现“多维互动·主体体验”课堂教学改革项目的扎实落地？笔者在近一年的LogoUp 3D教学实践中，做了如下尝试：

一、自主探究与小组合作，融合多学科知识建立结构模型

建模过程中需要掌握基本的数学、物理等学科知识，利用一些常见的几何特性计算模型的距离、角度和度数。例如：在上《五边形首饰盒》这一课时，学生首先观察、分析一个盒子由哪些部分组成，盒子分为上下2个部分，分别是底座和上盖。底座和上盖又分别由不同的零件构成，底座分为下底板、外壁、内壁三个部分，上盖分别为顶部、外壁两个部分，分析完后就可以分别来做每个部件。

底座的下底板和外壁的五边形边长均设定为50毫米，而内壁的五边形边长应为多少呢？某小组同学尝试根据教材提供的参数47.5毫米进行建模，发现实际打印出来的底座内壁的五边形边长过大，导致首飾盒盖子盖不上。学生对教材上的参数提出质疑，边长过大会导致盖子盖不上，边长过小盖子又会盖不紧，边长的数值具体应为多少呢？小组通过讨论、探究分析，利用三角函数，为某小组演算稿，计算得出内壁边长应为47.1毫米，而非课本提供的参数47.5毫米。通过运算，从数学归纳的角度体会建模过程，让学生“知其然”并“知其所以然”，由此建立起数学知识、编程思想与3D设计之间的桥梁。同时，也对学生勇于质疑教材错误的精神提出肯定，引导学生形成批判性思维。

二、以“程序设计”为主线，以“实例”为驱动，由浅入深，运用合理算法形成解决问题的方案

当学生掌握基本的语法绘制简单图形后，就需要引入重复语句、变量定义、过程函数、条件语句，构建较为复杂的模型。

1.重复语句（循环语句）——程序化繁为简

例如在上《玩转魔方》一课时，要求学生绘制一个10*10*10的正方体阵列，首先引导学生观察模型的组成，学生经过分析后发现这个结构中拥有大量的重复结构，代码需要重复多次，如果使用复制粘贴会浪费很多时间，而且代码很长也不利于阅读，是否有更为简便的方法？由此引出重复语句，引导学生不断地应用REPEAT语句，先绘制一个正方形，再绘制一行正方形，再绘制平面上的正方形阵列，拉伸为正方体后，最后绘制10层这样的立方体，逐步实现这样一个三维模型。

通过“魔方”实例，让学生掌握REPEAT…END这个语法并嵌套使用，解决代码重复问题，绘制出具有重复元素的几何模型，化简程序写作。

2.定义变量——程序求同存异

例如在上《路障》一课时，学生通过观察后发现路障（除底座外）底部圆形在拉伸至顶部圆形的过程中大小不是一成不变的，而是按一定比例不断缩小，且两种颜色交替。那么绘制这样一个在统一的过程中有一些规律变化的模型，该如何进行操作呢？由此引出“变量”，由它来完成这种不一般的重复。变量是以非数字符号的变量名命名来存储数字等数据，可以通过VAR语法来定义变量，并且随时访问变量名来调用变量，或是改变变量的值。

引导学生先设置一种颜色，然后底部圆形在拉伸的过程中按一定比例缩小，再设置另一种颜色，圆形在原有基础上再继续按一定比例缩小，以上操作重复4次

通过“路障”实例，让学生在重复语句中运用变量结合公式，更加灵活地绘制几何形状。

3.条件语句——区分不同的分支

《路障》一课中，颜色也是规律变化的，如果将颜色也定义为变量，该如何操作呢？由此引出条件判断语句。

学生先定义其中一种颜色，然后使用条件判断语句交替调用两种颜色绘制路障。

通过让学生使用条件语句，改写“路障”实例的代码，提高程序运行效率。

4.引入过程（函数）——命名代码片段

例如在上《挂钩的制作》一课时，学生观察后发现，衣服挂钩上的三个挂钩样式都是一样的。因此，需要反复用到绘制挂钩的代码。如果挂钩的数量多，反复写这段重复的代码会带来时间的浪费与代码的冗余，是否有更为简便的办法呢？由此引出“过程”语句来解决这个问题。利用FUNC语法定义一个名为Guagou的过程，FUNC与END之间的代码为绘制一个挂钩的代码，定义好后调用Guagou，前进一段距离后再调用Guagou（。

通过“挂钩”实例，让学生学会使用语法FUNC将一段代码打包起来，之后再用到的时候可以方便地调用过程名来实现，而不用再输入一遍繁琐的代码。学生在此基础上还进行了创意设计，在学习的过程中不断实现自我超越。

通过抓住教学重点，精心设计问题，引导学生对实例中的问题作出决策，以问题为线索突破难点，激活思维，找出问题的本质，学习的语句由浅入深、层层递进，最终完成作品的制作。

营造情境，运用微课启发思维，将创意变为现实，提升空间想象能力

例如在上《轴对称回转建模》一课时，学生通过观看微课“游览”了故宫、四合院、苏州园林等建筑，从皇城宫苑到普通民宅，从群体建筑的规划到一户一室的布局，处处可见中式对称的影子，由此引出用轴对称的方法设计茶杯、花瓶，引导学生首先确定中轴，然后绘制茶杯外壁的切面轮廓，围绕中轴一周完成茶杯的建模。

中国古代建筑艺术体现出了中国传统的精神文化，将它引入课堂，同时也增强了学生对传统文化的认识。

例如在上《CAVE——挖洞语句》一课时，以“垃圾分类 从我做起”为主题，践行社会主义核心价值观，要求学生设计桌面垃圾桶。学生在设计作品的同时，通过搜集资料并结合微课，也学习到不少与垃圾分类相关的知识。

例如在上《卷曲草图面》一课时，利用微课介绍丰富多彩的人工智能应用，引导学生结合时下网络通讯技术、智能云端控制、个性化需求等热点话题，设计一款智能手环，并附上“使用说明”，让学生充分展开想象的翅膀投入创作。

通过情境营造，创设生动的场景或氛围，让学生充分发挥想象力和创造力，从而培养了计算思维、编程能力及空间设计能力。同时，也对学生进行艺术与传统文化熏陶。

思维是人类认识世界的框架，思维是在能力培养的过程中形成的，从能力上升到思维，是3D打印课程的应有之义。随着信息化时代的到来， 发展计算思维显得越发重要。指向计算思维核心素养的3D教学，并非简简单单学习一个造物的过程，而是要帮助学生经历一个观察、发现、思考、绘制、建模、呈现、展示、分享的完整3D“造物”过程，使学生亲历一件作品“从无到有”的创作体驗，在学生的思维中，搭建起一座虚拟与现实互通的桥梁[2]。

核心素养从顶层设计到基层落实，还有很长的一段路要走。随着课程改革的不断深入，全面落实以培养“全面发展的人”为核心的教育目标会在教育实践中找到合适的对接点，并逐渐落地生根。

参考文献

[1]普通高中信息技术课程标准（2017版）[M].北京：人民教育教育出版社，2018-01。

[2]张婷婷. 搭建一座从虚拟到现实的桥梁——基于信息技术核心素养的3D课程设计[D]. 山东省淄博市博山区山头镇中心学校， 2018。