以Scratch程序设计教学搭建学生计算思维的“金字塔”

徐薇薇

〔摘    要〕  本文以2022年版《义务教育信息科技课程标准》中所述的信息科技课程的四个关键能力之一——计算思维的提升为主导线索，依托于小学五年级的Scratch教学内容，总结出了小学阶段在计算思维培养上需要重视的四个基础元素（亦即培养目标）：分析与抽象能力；做出逻辑判断的能力；进行优化与迭代的能力；建模与应用的能力。本文以计算思维的四个基本要素为目标，根据多年的课堂实践，积累总结出Scratch课堂教学中有效培养学生计算思维的教学模式：分析设计抽象-编写修正逻辑-反思迭代优化-归纳应用建模，通过有效的教学模式，搭建学生计算思维的“金字塔”。

〔关键词〕  信息科技；计算思维；教学模式；Scratch程序设计

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  14    049-051

一、计算思维及其在信息科技课中的重要性

2022年3月，教育部对新的义务教育信息科技课程标准进行了官方公布。这也是信息科技课程首度被纳入国家教育课程体系，凸显出国家对义务教育阶段信息科技课程的高度重视。新版本的《义务教育信息科技课程标准》，明确了信息科技的重要性，指出，信息科技在当前的科技世界中是至关重要的一环，关键的研究内容包括数字信息的表现方式以及在实际应用中相关的科学原理、思考方式、处理流程与实际应用情况。让学生提高信息敏感度、计算思维、对数字学习以及创新的理解和在信息社会中的责任感，是信息科技课程的核心教育目标。特别是计算思维被独立出来作为信息科技课程的重要培养目标之一。2011年ISET和CSTA联合提出，计算思维是解决问题过程中的关键步骤，包括问题识别、数据分析、抽象思考、设计算法、最优选择以及推广等六个关键方面。而在这个过程中，个人需要具备自信、坚定、宽容以及解决开放式问题的能力，并且需具备与他人进行良好沟通合作的能力。在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中，计算思维被定义为：运用计算机科学的思维方式，在解决问题的过程中进行抽象、分解、建模和设计算法等思维活动。

经过之前的解释和理解，我们可以轻松地看出，计算思维是信息科技教学的核心能力之一，对学生计算思维的培养影响深远。在新的课程框架和教学策略的推动下，如何有效增强学生的计算思维能力，将成为教师主要的研究课题，能够培养学生计算思维的新教学模式和策略，会变成教师研究的关键。

二、在Scratch程序教学中学生计算思维的表现及可能性分析

Scratch是一款源自美国MIT的开源编程工具，专为8岁或更大的孩子设计。其教学材料与众不同，通过使用Scratch进行编程教育，学生的计算思维能力可以得到显著提高。在使用Scratch进行编程创新的过程中，学生的逻辑理解能力、数字创新能力以及问题解决能力也获得了提升。与传统的C、C++等编程语言不同，学习Scratch不仅仅是为了培养编程人才，它不需要学生以传统的方式逐行输入代码，而是通过拖拽预设的代码模块，用类似于“拼积木”的方式，使编程过程变得更直观和迅速。这种图像化的编程方法降低了记忆枯燥命令的压力，在舞台区，学生可以直观地看到他们的编程设计带來的效果，从而在学习过程中深入地体验到编程的乐趣。在教材体系中，Scratch属于五年级的重要教学内容。五年级学生已经初步具备抽象思维能力，数学计算能力也有一定的积累，对于事物的分析和逻辑思维都具有了自己的独立思考，同时计算机操作和信息意识已经有3～4年级两年的铺垫，完全具有信息化编程能力。综上所述，无论从学情上还是教学内容上，教师完全能够在课堂上运用合适的教学方法和教学策略，通过Scratch图形化编程，对学生实施计算思维的培养。

三、Scratch程序教学中学生计算思维的培养目标

按照《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》的要求，学生应掌握计算思维，能进行问题的抽象、解析、构建模型，且能通过构造算法制定解决问题的策略；有能力模拟、模仿、证实解决问题的流程，对解决方案进行反思、提高，同时有灵活运用这些策略解决其他问题的能力。同一标准还规定，处于第三学段（即5～6年级）的学生在练习计算思维的表现上有以下几点：通过在日常生活中接触算法，理解算法的特性及其效用，能用自然语言、流程图等方式表现算法；在特定活动环境中，能对简易问题进行抽象、解剖、构造模型，并构建简洁的解决方案；检验问题解决方案的效率，能对解决流程及方法进行反思和升华。

根据Scratch的教学经验和研究，以及小学生的年龄特性和发展规律，笔者总结了小学阶段计算思维的四个基础元素（也就是我们要培养的目标）：1.分析抽象能力，即针对各种问题进行深入思考、分析，并抽象出适当的算法；2.逻辑判断能力，即理解问题引发的各种关联性和可能性，并进行决策执行；3.优化迭代能力，即对问题的解决策略进行进一步完善，并对自己的代码进行迭代提升；4.建模应用能力，即采用计算机科学的方式对问题解决的方法和思维过程进行总结，创建模型，并对类似的问题进行扩展应用。

四、Scratch程序教学培养学生计算思维的教学模式

通过在教学中不断实践、反思和总结，笔者以培养学生计算思维四个基本要素为目标，以Scratch教学为内容，总结出“分析设计-编写修正-反思迭代-归纳应用”教学模式培养学生的计算思维。四个教学过程与四个教学目标既有一一对应的关系，每个过程和目标又存在螺旋上升的联系。具体阐述如下。

（一）通过分析主题、设计算法，培养学生计算思维的抽象能力

在Scratch教程的每一部分，学生需先对主题加以理解并对预期的成果进行详细分解，规划出需要解决的各个子任务，之后再根据每一项任务和要求寻找解题的策略和途径。比如在第5课《画正多边形》中，先出示复杂图形，让学生分析该图形是由4个正三角形每次旋转同样的角度组成的，每个正三角形又是由3条直线每次旋转同样的角度组成的，然后再引出“画笔”功能及该模块的相应控件。由此，我们将大任务分解为小任务，将具象的画线变为抽象的程序表达。

在每课的开始阶段，教师要引导学生实现从直观思考到抽象思考的过渡及平衡。把培养学生逻辑思维的重点融入解决问题的步骤中，使学生在探讨不同算法的具体应用时形成辩证思维，避免空洞无物的抽象概念教学。比如对猜数游戏和投票选举这些学生熟悉的示例，在讨论时引入算法，以此辅助学生自然地构建知识体系。

（二）通过编写程序、修正梳理，培养学生的计算思维逻辑能力

通过解读每个角色的形象、对话、状态，学生能够依据需求选取合适的命令和参数，并对其执行顺序进行剖析和构建。这是一种从表面到内在、从简单到复杂，逐渐深入理解问题和事物的方式，也是提升学生在计算思维中的算法及逻辑能力的一种方法。

继续以《画正多边形》一课为例，学生在通过第一个环节具象到抽象的过程后，可以自主探究编写出一个正三角形的程序。教师在展示分析学生程序的过程中，要注意将学生的程序进行修正梳理及指导点拨。在学生用脚本画出三角形后，指导学生发现，旋转的角度是外角且正多边形的外角和是360度，在此逻辑上，学生可以清楚地画出任意一正多边形。在这个过程中，强调学生应明确把握各个角色之间的联系，同时理解每个角色脚本的算法和逻辑过程。这样的训练可极大地助力提升学生在逻辑思维和算法使用方面的能力，进而推动学生在计算思维领域内的逻辑技能的进步。

在一些更为复杂的多角色案例中，学生需要解析每一角色的登场次序、互动关系等逻辑思维。一旦学生构建出明确的解决方案，他们就会精准地设计每一角色具体的剧本，并据此找出有效的指令，调整指令的各类参数和出现顺序，持续调试并最后完成每一角色的设计程序，获得所需效果。学生在编程时必须清楚各个角色的相互关系，除了自己进行编程实践，也可以通过体验程序，从多方面熟悉程序，阅读理解、修改运行程序，培养计算思维的逻辑能力。对比较复杂的算法，教师也可以在和学生一起讨论算法思想的基础上，展示程序代码，让学生设置和调整参数、观察讨论，最后执行验证。

（三）通过反思判断、迭代算法，培养学生计算思维的优化能力

教师成功地激活了各个小组的潜能，构造了一个班级学习集体，并通过小组间的相互研究和分享，使学生能够对各种算法和脚本有所对比和分析判断。他们可以从指令数、执行效率和效果表现等方面进行比较，然后对自己的脚本进行修改和迭代，让它们达到最优状态。这就是计算思维中对优化能力的训练。

在《绘制多边形》这个教学案例中，画三条边的程序是重复的，我们可以将其转化为可循环执行的脚本。整个程序的流程会由顺序结构变为循环结构。三个三角形也是重复的脚本，可以将程序进一步重复嵌套。我们通过对脚本的改进以及迭代方法的应用，令程序更精简、清晰，且易于维护和改动。在这一过程中，学生对计算思维中的优化和迭代特性有了更深入和实质的理解。

（四）通过归纳整理、模式应用，培养学生计算思维的建模能力

在教学活动中，教师着重于指导学生从编程过程中学习并总结出一些独特的学习策略和思考模式。这包括通过从解决单一问题课题到创设一整类问题和情境的方法论，让学生对这种相似问题具有自我应对策略。这即是计算思维模型能力的培育。

例如，《画正多边形》课后的“探究屋”第二题，就是学生在课堂基本任务建模后的应用。如果学生已经理解了4个三角形的程序模型，就完全可以通过修改相应参数完成5个正方形的程序搭建。

在掌握了基础理论和基本观点之后，学生注重关注日常生活中的相应主题，通过启发式教学，帮助学生发现问题并探索现象背后的原理，试图运用已学的手段解决相关问题。这反映了学生对所学知识的梳理、融合应用以及进一步创新的能力，而这一过程也是提升学生运用所学知识进行建模以及知识迁移能力的教育方法。

從整体来看，在实施“分析—设计—抽象，编程—修正—迭代，反省—优化—应用，并最后形成模型”这个教学方法的过程中，每一环节都充分蕴涵了计算思维的一项或多项特征，学生就像在构建一个“金字塔”，层层递进，不断上升。这种教育方式不仅让学生的编程水平和信息技术素养得到了明显提升，更是极其有效且高效地提升了他们的计算思维能力。在实施这一教学方法的一年中，笔者发现学生的计算思维能力明显增强，同时，他们的创新思维、逻辑推理、软件优化和模型应用能力也得到了显著提高。

【本文系南京市江宁区“十四五”规划课题“信息技术教学中基于问题解决的计算思维培养实践研究”的阶段性成果，编号： JN2021/305】

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]江苏省中小学教学研究室.小学信息技术教师教学用书[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2022.

[3]昍爸.图形化编程及数学素养课.给孩子的计算思维书[M].北京：中国邮电出版社，2023.

[4]肖广德.计算思维导向的中小学编程能力培养：基于scratch的探索[M].北京：科学出版社，2022.

[5]陶双双.基于计算思维的Scratch项目式编程[M].北京：清华大学出版社，2019.