少兒編程教學(xué)中的計算思維培養(yǎng)實例 論文

少兒編程教學(xué)中的計算思維培養(yǎng)摘要：現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展迅猛，新軟件和硬件層出不窮，學(xué)生在學(xué)習(xí)信息技術(shù)課程時容易眼花繚亂。被動、完成任務(wù)式地學(xué)習(xí)操作技能，往往實際教學(xué)效果不佳。通過本學(xué)科校本活動課程中的教與學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)：編程課中有意識地引導(dǎo)和啟發(fā)，會促使學(xué)生形成一定的計算思維，推動其將本學(xué)科初期培養(yǎng)的信息意識、積累的多媒體通過知識遷移的方式融會貫通起來。學(xué)生會感受到各類軟、硬件是相通關(guān)聯(lián)的，從而更明晰地學(xué)習(xí)本學(xué)科知識，進一步推動學(xué)生計算思維的發(fā)展。關(guān)鍵詞：少兒編程，計算思維，思維遷移引言：小學(xué)信息技術(shù)課程體系中，涉及文檔編輯、多媒體影音制作、可視化圖形編程、計算機硬件處理、計算機網(wǎng)絡(luò)等多知識面，接觸學(xué)習(xí)的軟件繁多，往往給學(xué)生一種應(yīng)接不暇、難易差別大、零碎分散的感覺。大部分學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)僅停留于操作層面，課后延展和各單元間連貫性不夠，很容易產(chǎn)生“下課即忘”的現(xiàn)象，每單元均需重新接受新的軟件和思維概念。全觀整個小學(xué)階段，學(xué)生往往卻只能記住一些零星的軟件名和操作步驟，甚至還會失去最初對信息技術(shù)這門課程的興趣和信心。如何幫助學(xué)生搭建本學(xué)科內(nèi)各知識點的關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中掌握核心技能、培養(yǎng)關(guān)鍵思維，促進知識體系形成，達到“通一脈而舒全身”的效果。帶著這個困惑，筆者開始在教學(xué)中不斷摸索。一、少兒編程中的計計算機業(yè)界標志性人物喬布斯說過：“人人都應(yīng)該學(xué)習(xí)一門計算機語言，因為它將教會你如何思考?！本科湓颍賰簩W(xué)習(xí)編程的本質(zhì)，在于對思維方式的培養(yǎng)。通過計算機編程獲得的計算性思維邏輯，可以有效指導(dǎo)少兒進行信息技術(shù)學(xué)科全方位具體學(xué)習(xí)和實踐活動。1．少兒編程的意義少兒學(xué)習(xí)編程最重要的是學(xué)習(xí)編程思維，培養(yǎng)教導(dǎo)孩子解決問題的能力。一個孩子如果懂編程，他或許就是未來世界的創(chuàng)造者；如果不懂，他只是一切信息技術(shù)工具的使用者。隨著人工智能發(fā)展越來越深入，編程作為人類與計算機溝通的工具，與我們?nèi)粘Ｉ畹母鞣矫娑冀豢椩谝黄稹?．小學(xué)階段常見編程軟件（1）ScratchScratch是由美國麻省理工科學(xué)實驗室研發(fā)的一款面向小朋友的圖形化簡易編程語言，通過scratch的學(xué)習(xí)可以快速提升自主解決問題的能力，它的特點是可視化，小朋友只需要跟著老師像搭積木一樣，從左側(cè)功能區(qū)拖動不同的指令就組合成一段段邏輯代碼就可以創(chuàng)作出自已喜歡的動畫故事，甚至是多媒體游戲等Scratch不僅僅是編程工具，在編程過程中你跟老師一起動手實踐，做游戲，探索自主學(xué)習(xí)樂趣；激發(fā)創(chuàng)造力和想象力。（2）LogoLogo語言是一種符合小學(xué)生年齡特點，易學(xué)、易懂、易于掌握的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言。出發(fā)點是將原本較為枯燥的程序設(shè)計形象化，學(xué)生在掌握了為數(shù)不多的Logo原始命令后，能在發(fā)現(xiàn)和探索中學(xué)習(xí)，通過操縱屏幕上的海龜來學(xué)習(xí)編寫程序，強調(diào)創(chuàng)造性的探索給學(xué)生嚴密的計算思維和有趣的學(xué)習(xí)體驗。（3）GoCGoC繼承了Logo語言的優(yōu)點，引入現(xiàn)代的方法，是C語言的擴展。是專學(xué)和初中學(xué)生開發(fā)的趣味編程入門語言。GoC的特點就是簡單易上手，并且保留了C/C++的全部語法結(jié)構(gòu)。3．計算思維運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法形成解決問題方案的過程中，所包含的一系列思維活動即計算思維。具備計算思維的學(xué)生在信息活動中能夠采用計算機可以處理的方式界定問題，抽象問題特征，建立結(jié)構(gòu)模型，合理組織數(shù)據(jù)；通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用算法設(shè)計解決問題的方案；總結(jié)利用計算機解決問題的過程與方法，并將其遷移到與其相關(guān)的其他問題解決之中。二、圍繞少兒編程展開思筆者曾完整執(zhí)教小學(xué)各學(xué)段的計算機課程，內(nèi)容涵蓋電腦繪flash動畫、少兒編程、機器人創(chuàng)作，在信息類活動課教學(xué)中，和熱愛計算機的小朋友互動交流時，學(xué)生們的提問和思考也引領(lǐng)筆者嘗試探究本學(xué)科的教學(xué)系統(tǒng)和學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。隨著知識點增多、知識面拓寬、層次加深，學(xué)生大腦中存儲的信息知識和思維可能變得更加系統(tǒng)完善，而非零散的、冗雜的、碎片化的。而達成上述所說的關(guān)鍵就在于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，小學(xué)編程課中無不滲透著這一核心素養(yǎng)。它將推動學(xué)生的知識融會貫通，相互遷移，在腦中如同打通信息技術(shù)學(xué)科的任督二脈，“技”藝大增。1．與計算機對話，共享“畫筆”1）利用“畫圖”軟件圖形工具作圖（在二年級電腦繪畫課上，通過教授孩子“畫圖”軟件中各類圖形工具揮想象和創(chuàng)意進行組合，繪制一個屬于自己的田園小房子。如圖1，學(xué)生們課堂上畫得認真，作品豐富多彩。課后一位“老師，電腦真的好聰明奇的圖形工具，比我在紙上畫的標準多啦！它是怎么做到的呢？”正當筆者思考以何種兒童語言講解更便于其理解“編程，那都是靠人類編”圖1利用“畫圖”軟件圖形工具繪制田園蘑菇屋（2）拖拽“Scratch”軟件指令積木繪圖語言往往沒有直觀感受生動直接，編程又是什么呢？帶著這個解答一半的問題，在其后的Scratch編程課中，筆者和學(xué)生們嘗試使用“畫筆”這一拓展模塊，和計算機進行了有趣對話，指揮Scratch中的畫筆，猶如搭建積木一般，逐步繪制同款田園蘑菇房。第一步，分別繪制單個圖形利用“畫圖”課中養(yǎng)成的思維方式，繪圖前先分析圖形元素圓形、三角形、正方形等各類圖形，我“鉛筆”角色從簡易的正方形開過拖拽“落筆”、“移動”、“旋轉(zhuǎn)”等指令模塊來完成繪制，學(xué)生很快完成繪圖，如圖2。接著，學(xué)生探究多邊形轉(zhuǎn)角規(guī)律，嘗試靈活運用“抬/落筆”、“移動”、“旋轉(zhuǎn)”、“循環(huán)控制”等指令模塊的組合，繪制其他多邊形和組合圖形，如三角形、菱形、六邊形、八邊形、小草等圖案。他們的學(xué)習(xí)熱情高漲，思維靈敏的學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，隨著多邊形邊數(shù)增加，繪制的多邊形越來越接近圓形，能通過不斷調(diào)試數(shù)值繪制所需大小的圓形。第二步，靈活使用更多指令，完善繪圖完成單個圖形的繪制后，學(xué)生嘗試使用更多模塊指令，組合圖形，設(shè)計畫面內(nèi)容。他們通過“移動到坐標”、“畫筆顏色”、“畫筆粗細”、“抬/落筆”等指令緩慢控制畫筆移動進行作圖。操作逐步熟練，學(xué)“畫圖”軟件中使用圖形工具的操作體驗遷移到此已編寫的單個圖形指令積木塊，通過“事件”模塊中“當按下某鍵”指令，分別拆分到相應(yīng)的按鍵控制中。個別學(xué)生還嘗試添加“清屏C”、“橡皮擦”等其他角色，對它們分別搭建指令積木，使其完成相應(yīng)功能。最終，學(xué)生呈現(xiàn)的畫面色彩鮮明、富有童趣，如圖3。而這一設(shè)計過程，正是借助計算思維進行知識遷移，讓學(xué)生體驗了繪圖和可視化編程的樂趣，初步感知計算機畫圖原理，收獲成就感。圖2利用“Scratch”軟件繪制正方形圖3利用“Scratch”軟件搭建田園蘑菇屋（3）編寫“GoC”代碼繪圖令人驚喜的是，高年級有Scratch編程基礎(chǔ)的學(xué)生，課后利用GoC軟件，在Scratch可視化編程的基礎(chǔ)上，通過編寫代碼，實現(xiàn)了繪制田園蘑菇屋作品，如圖4。其中將此前Scratch中各按鍵控制和角色中的單個圖形和功能指令，分別以代碼語句的形式編寫進相應(yīng)函數(shù)，控制GoC中的畫筆前進、旋轉(zhuǎn)，完成多邊形、圓形的繪制和文字輸入，在主程序中利用GoC基礎(chǔ)繪圖命令，控制畫筆位置、顏色、粗細等，調(diào)用并修改函數(shù)參數(shù)，實現(xiàn)單個圖形的組合和整幅畫面的創(chuàng)作。圖4利用“GoC”編程繪制田園蘑菇屋2．與計算機對話，共創(chuàng)“動畫”（1）Flash中制作逐幀動畫電腦動畫課中逐幀動畫的制作，難點在于讓學(xué)生理解動畫的原理和關(guān)鍵幀的概念。實際教學(xué)中，筆者采用手繪翻頁連環(huán)畫的形式進行導(dǎo)入，讓學(xué)生直觀感受動畫的形成，再將每一頁模擬為Flash軟件中的“”，引導(dǎo)學(xué)生將動畫主角的每個動作到各關(guān)鍵幀同一位置中，如圖5。運行動畫，小老虎就在舞臺上跳動起來啦！學(xué)生還可嘗試添加舞臺燈光、觀眾等多組圖片素材，利用逐幀動畫原理，讓舞臺上各處臺下觀眾鼓掌，如圖6。圖5手繪翻頁連環(huán)畫+關(guān)鍵幀概念2圖6Flash逐幀動畫運行效果（2）Scratch、GoC中動畫效果制作將逐幀動畫的原理遷移到圖形化編程中，重難點迅速迎刃而解。在Scratch課堂中，學(xué)生導(dǎo)入海龜角色的多個造型圖片，拖拽指令使同一角色的各造型循環(huán)切換，調(diào)試等待時間，小海龜緩速追著魚兒遨游，如圖7。在GoC軟件里，學(xué)生進一步知識遷移。通過編寫命令，調(diào)入并設(shè)置自行車圖循環(huán)調(diào)用已編號的序列圖片，自行車轉(zhuǎn)動前行，如圖8。圖7Scratch中切換角色造型形成動畫效果2圖8GoC中調(diào)入設(shè)置圖片序列，循環(huán)調(diào)用形成動畫效果3．與計算機對話，共導(dǎo)“地圖”1）Scratch、GoC中設(shè)計平面線路圖（在學(xué)生可視化圖形編程的初期課堂中”（移動）、”（旋轉(zhuǎn)）等基本指令的靈活運用。學(xué)生發(fā)揮想象力，可以設(shè)計出很多創(chuàng)意作品。如圖9，無人小車在地圖平面圖中，在編寫好的GoC代碼指令下，按序接到分處3處的同學(xué)去科技館參觀。圖9GoC中設(shè)計線路，指揮無人車行走Scratch課后，筆者引導(dǎo)學(xué)生進行思維拓展和創(chuàng)作，讓導(dǎo)航變得更加智能逼真。如10，學(xué)生在移動、旋轉(zhuǎn)命令的基礎(chǔ)上，嘗試開始將平面思維過渡為立“面向某方向”指令，將東南西北四個方向的行走方式，設(shè)計進方向鍵控制中。利用偵測和控制模塊巧妙設(shè)計，判斷角色是否偏航，同時增加了外觀模塊中的切換場景、文字顯示命令以及聲音模塊，使導(dǎo)航的過程變得更加生動有趣。運行程序后，可以手動指揮小女孩角色沿著正確路線回家練習(xí)聲樂和鋼琴，或去往劇場練習(xí)舞蹈。這是一次開放性的設(shè)計，學(xué)生可通過如繪圖、音樂、運算、動畫等拓展功能不斷添加作品場景。激發(fā)學(xué)生為了興趣而鉆研編程，為了靈感而實現(xiàn)創(chuàng)作。圖10Scratch中運用直走、轉(zhuǎn)彎等基本指令，指揮無人車行走指定路線（2）中鳴機器人編程，現(xiàn)實中線路圖停留在平面線路圖的設(shè)計層面還欠缺些許真實感，機器人班的學(xué)生們嘗試將Scratch、GoC編程中所學(xué)知識，遷移進機器人課堂，利用機器人積木搭配各類傳感器，搭建實體小車，將平面線路搬進了現(xiàn)實11，學(xué)生們搭建的霍金小車，可以電傳感器感知環(huán)境中顏色光線變化，適時調(diào)整方向，巡沿地面上所貼黑色路線行進。在此基礎(chǔ)，學(xué)生們可通過拖動程序畫布中的指令積木，或直接打開代碼窗口，對小車的運行程序進行不斷調(diào)試，或新增傳感器和指令，使小車感知環(huán)境中聲音、在巡線行走的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)聲控亮車燈、遇障礙轉(zhuǎn)方向等更多功能，讓小車變得更加靈2氣。圖11巡線機器人編程腳本和機器人運行狀態(tài)三、計算思維促學(xué)科內(nèi)知上述3個基于Scratch、GoC等編程語言的少兒編程課實例，引導(dǎo)學(xué)生與計“深度對話”，從畫圖、Flash到Scratch、GoC，再到機器人搭創(chuàng)。雖分屬不同的活動課程，涉及諸多不同類別的軟件?？墒菍W(xué)生們成功地實現(xiàn)了知識的遷移、語言的互通，課堂作品的呈現(xiàn)充滿趣味和創(chuàng)造性，層次雖不斷加深，但學(xué)生不再覺得編程生澀無趣。同時通過編程實踐，學(xué)生們逐漸感知信息課程所學(xué)技能多樣，但核心本質(zhì)還是編程中所體現(xiàn)的計算思維。有聲有色的畫圖、Flash等多媒體制作課程，會培養(yǎng)學(xué)生信息意識，推動編程課中思維遷移和計算思維的培養(yǎng)；同時通過編程課中所培養(yǎng)的計算思維，進一步明晰信息技術(shù)課程中知識關(guān)系，增強數(shù)字化軟件的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。少兒編程的學(xué)習(xí)過程，存在三重境界。第一重：被動接受，學(xué)習(xí)命令和語句；第二重：任務(wù)推動，模仿實例；第三重：最為關(guān)鍵重要，也最難突破，就是利用語言本身來思考，不斷提高計算