面向计算思维的编程项目设计与应用

王康 熊轶 吕立立

计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题解决、系统设计与人类行为理解的过程^[1]。计算思维提供了一种组织与分析问题的新视角，能够广泛应用于工作、学习和生活中，是信息时代每个人都应具备的基本素养，是人类在未来社会求解问题的重要手段^[2]。计算思维是分解、抽象、算法、迭代、迁移等多种思维能力的集合^[3]。编程教育强调运用计算机学科的知识和编程工具解决问题，在解决问题的过程中培养学生信息素养，发展学生计算思维^[4]。它通过设计丰富的学习活动，增强学习任务的探索性与实践性，使学生的计算思维得到充分发展。随着我国自主可控且功能强大的可编程开源硬件及图形化编程平台的普及，在中小学开展开源硬件编程教学已成为提升学生计算思维能力的重要途径。基于此，笔者在STEM理念指导下设计了“制作龙舟大赛体感游戏”编程项目，并在武汉市梅苑学校八年级学生中开展教学实践，期望通过这一实践与研究，为教师们设计相关项目提供参考。

一、项目的设计框架

面向计算思维的编程教学是以跨学科内容知识为核心，以项目式学习为教学法，以发展学生计算思维为目标的教学。其设计框架从内到外由内容层、学习层、思维层构成，回答“学什么”“怎么学”“如何评”等一系列问题（如图1）。

内容层主要以科学（S）、数学（M）、工程（E）、技术（T）等学科内容为核心，旨在通过编程教学，加深学生对学科核心知识的理解，增强他们综合运用知识解决问题的能力。学习层明确编程教学的方法，采用项目式学习“明确项目任务→核心知识建构→协作方案设计→作品原型制作→作品展示评价”的流程推进教学活动。思维层设计项目要达成的目标，主要包括分解思维、抽象思维、算法思维、迭代思维等计算思维能力。三个层次紧密关联、层层推进，形成计算思维培育导向的编程教学整体框架。

二、项目设计与教学实施

“制作龙舟大賽体感游戏”编程项目共四个课时。前两个课时，学生以项目任务为引导，分组自主探究掌控板三轴加速度测量值的特性，理解加速度传感器的应用原理，完成项目任务分解与核心知识建构。后两个课时，学生运用所学知识，以评价为导向进行作品设计与原型制作，并分享展示作品，完成项目评价。在整个项目实施的过程中，学生的计算思维得以锻炼和发展。

（一）明确任务与目标分析

项目任务是学生利用掌控板开源硬件、扣叮编程平台等数字化工具，制作并体验手摇掌控板控制龙舟与机器龙舟比赛的体感游戏。

项目学习目标包括核心知识、关键能力与价值观三个方面。核心知识目标围绕跨学科知识展开，具体包括知道加速度与重力加速度的物理意义（S），知道掌控板中三轴加速度传感器的基本计算原理（S），学会用变量存放掌控板采集的加速度值（T），学会四则运算、向上取整运算、求算术平方根（M），了解与龙舟有关的中华传统文化（A）等。关键能力目标以提高学生计算思维为核心，具体包括将大任务分解为小任务、逐步解决问题的分解思维能力，对现实问题进行特征提取并利用数学表达问题的抽象思维能力，通过调试发现问题并解决问题的迭代思维能力，通过展示分享进行精准描述的逻辑表达能力等。价值观目标聚焦于提高学生对中华端午文化的理解和表达能力。

（二）项目设计与实施

基于上述框架与目标，本项目设计和实施过程如图2所示。

1.明确项目任务

学生试玩教师制作的龙舟大赛游戏。教师引导学生总结出掌控板在游戏中的作用——手摇掌控板控制龙舟向前运动，手摇得越快，龙舟就跑得越快。

游戏体验让学生产生强烈的好奇心：掌控板是怎样与软件交互以实现体感的呢？教师趁机发布本项目的任务——分组制作一个龙舟大赛体感小游戏，并向学生提供项目学习手册、线上测试题、项目时间进度安排等相关学习支架。

2.核心知识建构

学生根据前面的游戏体验，自主分析完成项目任务所需学习的核心知识。在《项目学习手册1》的指引下，他们分小组学习微课“计步器工作原理”“掌控板三轴加速度传感器”“探究三轴加速度值”“总加速度”，掌握有关三轴加速度传感器的基础知识，学会编写“读取掌控板三轴加速度值”及“计算掌控板总加速度”的代码。接下来，学生运行程序代码并摇动掌控板，对掌控板的三轴加速度传感器进行探索实验，记录多次实验数据，从实验数据中自行总结出掌控板“越用力摇动，掌控板加速度就越大”的规律。在完善流程图的过程中，教师结合生活中的实例讲解加速度传感器的工作原理，让学生理解加速度传感器在智能器件（如汽车安全气囊）中的应用与工作原理，进而理解加速度传感器在龙舟大赛中的作用原理。最后，组内合作画出龙舟大赛中各玩家龙舟体感动作的流程图，并在项目学习手册的指引下独立进行在线检测，以便及时反馈本阶段的学习成效。本环节通过分组自主学习、动手探索实践与总结，让学生在“做”中掌握核心知识，有效地培养了学生的抽象思维能力、算法设计能力及合作能力。

3.协作设计方案

学生掌握项目核心知识后，在《项目学习手册2》的指引下分组设计作品实施方案。他们依据该手册中的作品要求和评价表细则，先是组内开展头脑风暴，进一步分析项目需求，并合作设计项目作品的整体与细节，如背景与角色设计、游戏界面的整体风格、比赛开启方式、胜负条件判定及效果、声效设计、机控龙舟动作设计、玩家龙舟的体感动作设计、游戏的挑战性与创新性设计等。随后，学生又梳理和分解项目制作任务，明确每个组员分工负责的具体任务，为下一环节制作作品原型做好准备。这个环节，学生在学习手册的指引下，真正深入问题求解、系统分析、任务分解、问题抽象、算法实现等计算思维的过程中。

4.作品原型制作

学生依据各小组形成共识的具体方案，先在组内进行分工设计、代码编写和调试实现，再将各组员调试好的代码汇集到一个程序文件中，合成为完整作品，并运行调试（如图3）。

在调试作品的过程中，小组成员发现了在剧情、角色动作协调、时间协调等方面还存在的问题。针对问题，学生反复调试参数，提出解决方案，甚至更改原有方案，进行作品的优化迭代。《项目学习手册2》提供了等第制作品评价标准，各小组在合作协同的编写、调试和迭代中，不断优化完善各自的代码脚本，并以不同方式朝着最高级的评价目标努力。在代码合成、调试和迭代的过程中，学生的批判性思维以及算法设计、分析迭代、创新、合作等能力得到了有效的锻炼与提升。

5.作品展示评价

学生分组展示作品。全组学生一起展示游戏作品的玩法和效果，并将问题解决中最有价值的部分，如分工情况、有价值的发现、遇到的问题、解决问题的过程、团队合作感受等用令人印象深刻的方式展示出来。其他小组通过平板电脑对该组的作品评分，并提出挑战性问题，进而展开热烈的成果交流和思维碰撞。在这一环节，学生之间知识和经验互相融合，团队合作的集体荣誉感达到高潮。

在项目实施过程中，学生通过明确任务、创意构思、知识建构、协同设计、原型制作、分享评价等一系列学习过程，完成游戏场景规划、角色及规则、需求分析、问题抽象、算法步骤设计、交流评价等学习任务，掌握编程项目工程设计的一般流程，发展问题分解、问题抽象、算法设计、调试迭代等计算思维能力。

三、教学效果评测

为验证教学效果，本项目从作品达成、计算思维测试两个方面来综合评价。

（一）作品评价

《项目学习手册2》的评价细则指导学生进行作品创作，从六个维度、四级水平对学生的项目作品进行定性和定量评价，评价具体，可操作性强。组间评价的结果显示：学生自评与互评分数基本一致，各组评分均在百分制80分以上。这表明各小组学生都能制作出比较完整的作品，学生动手实践能力较强，实践效果好。

（二）计算思维测试

本项目参考CCT和《Bebras 国际计算思维挑战赛试题册》来编写计算思维测试题，共6道单选题，分别从课堂知识变量（自编）、三轴加速度（自编）、循环语句（CTT）、算法流程（Bebras）、状态转换及规则检测（Bebras）、最优解（CTT）等方面来考查学生计算思维概念的掌握及迁移情况。其中，两道自编题用来测试学生计算思维概念的掌握情况，后四题考查学生计算思维能力的迁移情况。

教师利用问卷星对参与项目的30名学生进行测评。测试结果显示：前四题正确率100%，第五题正确率50%（有一定难度系数），第六题正确率87.6%。以上数据表明，学生对项目中有关计算思维的基本概念掌握优秀，对计算思维有很好的迁移能力，具备了设计较复杂算法的能力。

四、反思与总结

“制作龙舟大赛体感游戏”是面向计算思维培养的跨学科编程项目，是以作品产出为导向的项目化学习。学生经历了分析项目需求、分解项目任务、设计项目场景与角色规则、体验计算思维分解和算法过程、参与展示交流、完成自评和同伴互评、基于评价进行作品调试迭代等一系列学习过程，提升了计算思维能力和创新能力。

整个项目分为两大部分。第一部分是任务探究与核心知识建构。通过探究实践，学生能够认识掌控板的三轴加速度传感器，并在问题指引和微课辅助下自主编写程序、运行程序、记录数据，最后根据记录的数据，自己总结出“掌控板在静止时测量出的三个轴的加速度值，可以用来判定掌控板的姿态”。在此基础上，教师进一步添加代码，让学生通过算式对直接数据进行处理，算出掌控板的总加速度。通过不同力度、不同频率摇动掌控板，学生通过观察总加速度大小的变化，得出“摇动用力越大，速度变化率越大，总加速度越大”的结论，并以此引导学生分析智能计步器、汽车安全气囊中加速度传感器的工作原理，为后续项目作品的设计和实施打下基础。通过探究学习，学生学会了编写用变量采集三轴加速度传感器测量值的程序代码，学会了将数学知识如四则运算、向上取整等运用在数据处理中，体验了通过对传感器数据进行恰当的算术运算，推导出有意义的信息（总加速度大小）的过程。在整个探究过程中，教师只是提出问题，给出实践的线索，让学生自己探究实践得出结论。对自己通过动手探索得出的结论，学生印象深刻，对知识的记忆牢固，学习兴趣浓厚，成就感强。

第二部分为项目作品的设计与制作。学生将加速度传感器在智能器件中的工作原理迁移应用到龙舟大赛作品中，如使用条件语句判断掌控板是否被摇动，如果被摇动龙舟就前行，并用总加速度作为龙舟前行动作的参数，实现体感效果。在项目实施中，作品评价细则是作品创作的方向和目标，从场景、角色、比赛规则、龙舟动作、行为侦测、声效六个维度设计评价标准，指引学生的创作过程。评价标准的六个维度也为学生组内分解任务提供了参考，不仅提高了创作效率，也使合作学习真正发生。

本项目实现了多学科的融合，增强了学习任务的探索性與实践性，有效激发出了学生的探究欲望，学生动手动脑，获得较强的成就感。发布的项目驱动性问题是一个真实且富有挑战性的任务，学生通过掌控板三轴加速度传感器采集人手臂摇动的运动状态，并把运动状态抽象成可以编程处理的数据，实现了真实的体感效果，切身体验了项目的设计与制作，提升了计算思维能力。

注：本文系湖北省教育科学规划2019年度重点课题“核心素养视角下的创客教育项目式学习案例开发与实施研究”（课题编号：2019JA100）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] WING J M. Computational thinking[J]. Communications of the ACM， 2006（3）：33-35.

[2] 任友群，隋丰蔚，李锋.数字土著何以可能？——也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育，2016（1）：1-8.

[3] DURAK H Y， SARITEPECI M. Analysis of the relation between computational thinking skills and various variables with the structural equation model[J]. Computers &education，2017（2018）：191-202.

[4] HSIN C， LI M， TSAI C， et al. The Influence of Young Children's Use of Technology on Their Learning： A Review[J]. Educational Technology & Society， 2014（4）：85-99.

（作者王康系湖北省武汉市教育科学研究院教研员，华中师范大学在读博士;熊轶系湖北省武汉市梅苑学校高级教师;吕立立系湖北省武汉市武昌区教育局电化教育中心高级教师）

责任编辑：牟艳娜