基于計算思維的創(chuàng)意編程教學(xué)策略

【摘要】在計算思維理論指導(dǎo)下，教師要合理設(shè)計創(chuàng)意編程課程，選擇學(xué)思融通等教學(xué)方式調(diào)整學(xué)生的學(xué)習(xí)行為。本文從問題的發(fā)現(xiàn)與思考、模型的歸納與遷移、程序的編寫與優(yōu)化三個方面闡述如何在教學(xué)中使用相應(yīng)的策略讓學(xué)生經(jīng)歷學(xué)習(xí)的全過程?！娟P(guān)鍵詞】計算思維;創(chuàng)意編程;教學(xué)策略;學(xué)思融通隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的迅猛發(fā)展，在信息技術(shù)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計算思維與創(chuàng)造能力已成為適應(yīng)信息時代的需要。新課程改革的背景下，基于計算思維的創(chuàng)意編程教學(xué)，教師要結(jié)合多方位、多角度的學(xué)習(xí)策略調(diào)整學(xué)生學(xué)習(xí)行為，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)與思考問題、歸納與遷移模型、編寫與優(yōu)化程序等全過程，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)、用科學(xué)的科學(xué)精神，提升其信息技術(shù)核心素養(yǎng)。問題的發(fā)現(xiàn)與思考亞里士多德有句名言：思維自疑問和驚奇開始。孔子也曾說過，疑是思之始，學(xué)之端。常疑常思，常思常新。因而在創(chuàng)意編程活動的各個環(huán)節(jié)，教師都需要精心地設(shè)計問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入積極的思維狀態(tài)，讓學(xué)生學(xué)會從學(xué)習(xí)生活的具體現(xiàn)象與事物中發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)用關(guān)注點分離、計算參與等策略來思考問題[1]。1.設(shè)計問題的教學(xué)策略《江蘇省義務(wù)教育階段信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要》中，將“初步感悟信息技術(shù)在人類生產(chǎn)與生活中的重要價值，嘗試運用計算思維識別與分析問題，抽象、建模與設(shè)計系統(tǒng)性解決方案”作為學(xué)科課程目標(biāo)，倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)方法，重視學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。首先，問題設(shè)計聯(lián)系學(xué)習(xí)生活。創(chuàng)意編程問題來源于學(xué)生的生活實際，如數(shù)學(xué)、音樂、生活起居、園藝苗圃等，教師精選其中學(xué)生感興趣、有價值、易操作的內(nèi)容，如藝術(shù)圖形、智能家居、無人駕駛等，給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)、點撥，優(yōu)選主要問題進(jìn)行研究。其次，問題設(shè)計要面向全體學(xué)生。教師引導(dǎo)學(xué)生小組協(xié)作，制訂項目需求，多角度、多層次設(shè)計問題：創(chuàng)作思路、問題解決之法、編程知識的重難點、作品迭代更新修改、程序調(diào)試運行預(yù)設(shè)等。同時把握好時機(jī)，問在學(xué)生“欲發(fā)而未發(fā)”之前，問在學(xué)生“似懂而非懂”之處，問在學(xué)生“無疑與有疑”之際[2]。再次，問題設(shè)計需要學(xué)科思維主導(dǎo)。學(xué)生分析編程項目，從不同角度、不同層次設(shè)計與篩選問題，體現(xiàn)感知模塊化、面向?qū)ο?、迭代等基本的軟件工程思想。教師要引?dǎo)學(xué)生融合學(xué)科知識，主動探索，樂于嘗試，建構(gòu)并完善程序設(shè)計知識體系，鍛煉系統(tǒng)思維和計算思維能力。最后，問題設(shè)計要兼顧學(xué)習(xí)工具。當(dāng)前創(chuàng)意編程的工具根據(jù)年齡和學(xué)段的差異，主要有不插電編程、圖形化編程、代碼編程、開源硬件編程等。師生可靈活選擇學(xué)習(xí)工具或組合應(yīng)用，兼顧程序的移植和硬件的搭配。2.解決問題的教學(xué)策略計算思維為創(chuàng)意編程教學(xué)活動提供了活力，教師可以用計算參與的方法使學(xué)生真正成為問題的發(fā)現(xiàn)者，面對復(fù)雜問題時主動探索問題本質(zhì)，進(jìn)而拆解成易于解決的小問題。一是問題關(guān)注點分離。如對開源硬件智能設(shè)計、人機(jī)交互游戲等項目做合理的分解，控制問題復(fù)雜性，提高可理解性，再分別研究項目任務(wù)的不同側(cè)面，最后綜合各方面的成果，合成整體的解決方案[3]。二是探索計算參與教學(xué)。美國YasminB.Kafai教授指出，以“社會化轉(zhuǎn)向”為特征的計算參與是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的新范型。教師可以從“編寫代碼到創(chuàng)建應(yīng)用”“設(shè)計工具到促進(jìn)社區(qū)”“白手起家到再創(chuàng)作他人成果”這三個維度[4]，側(cè)重開展應(yīng)用層面的編程教學(xué)，擴(kuò)大學(xué)生的參與面。三是培養(yǎng)可視化思維。如在以“斐波那契樹”等數(shù)學(xué)、物理學(xué)科內(nèi)容解析為認(rèn)知導(dǎo)向的學(xué)習(xí)活動中，教師應(yīng)用思維導(dǎo)圖建立知識習(xí)得的途徑，將深奧的問題具體化呈現(xiàn)。教師可以借助圖形化編程工具探索問題求解的最優(yōu)路徑，進(jìn)行程序的可視化表達(dá)。3.拓展問題的教學(xué)策略教師依據(jù)學(xué)生年齡特點，以情景故事、游戲挑戰(zhàn)和動手拼搭等主題進(jìn)行拓展探究，學(xué)習(xí)圖形化編程或代碼編程的程序邏輯與代碼技巧，完成創(chuàng)意程序的編寫。如個性化游戲設(shè)計，教師將創(chuàng)意編程與游戲創(chuàng)作相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生圍繞游戲活動思考和發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)用不插電方式或圖形化編程工具創(chuàng)建豐富的游戲、動畫故事，讓解決問題的過程變成有趣的“游戲”。又如交互式項目制作，教師在交互式藝術(shù)作品創(chuàng)作學(xué)習(xí)過程中，引導(dǎo)學(xué)生從思考單用戶操作拓展到AI人機(jī)交互操作，親身體驗通過圖形、音頻等方式與計算機(jī)互動的神奇效果，深入理解由事件拓展而來的計算概念。再如螺旋式實踐創(chuàng)新，教師引導(dǎo)學(xué)生從一個簡單的問題或者一個項目組件開始，逐漸添加腳本或代碼，直到其完全實現(xiàn)效果，然后再設(shè)計運行，將原型逐步擴(kuò)展為成品程序，在整個編程學(xué)習(xí)過程中通過設(shè)置若干細(xì)節(jié)問題來拓展程序創(chuàng)新功能。模型的歸納與遷移模式識別、模型歸納是計算思維的重要組成部分，在程序設(shè)計教學(xué)中具有很強(qiáng)的可操作性。教師可依托計算思維訓(xùn)練的指導(dǎo)框架，利用學(xué)習(xí)支架幫助學(xué)生認(rèn)識理解創(chuàng)意編程的綜合性、抽象性，實現(xiàn)隱性思維顯性化、顯性思維工具化、高效思維自動化，真正構(gòu)建思維發(fā)展型課堂[5]。1.搭建“模式識別”學(xué)習(xí)支架應(yīng)用模式識別解決問題的規(guī)則，有助于培養(yǎng)人的元認(rèn)知能力，即學(xué)會發(fā)掘模式、應(yīng)用模式分析和設(shè)計方法。這有助于我們利用別人的經(jīng)驗，特別是專家的經(jīng)驗來分析和描述問題。（1）數(shù)據(jù)表征。在“避障”“巡線”等開源硬件創(chuàng)意編程活動伊始，教師設(shè)計活動記錄單等數(shù)據(jù)輸入支架，組織學(xué)生對比實驗活動記錄篩選數(shù)據(jù)，多層面多形式呈現(xiàn)加工信息，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注要點，并用語言、文字、圖表等方式來表征。（2）模式識別。在數(shù)學(xué)、圖形等可視化表達(dá)創(chuàng)意編程作品中，教師可設(shè)計表格形式的局部比較支架。表格設(shè)計指向具體的活動目標(biāo)，教師引導(dǎo)學(xué)生在活動中發(fā)現(xiàn)表格隱藏的特征或規(guī)律，實現(xiàn)形式到邏輯的模式識別。（3）分解轉(zhuǎn)化。以代碼編程“百錢買百雞”問題為例，教師為學(xué)生提供表格填寫每一次循環(huán)執(zhí)行的結(jié)果，通過變量列表法模擬推演，幫助學(xué)生理解循環(huán)的運行過程;引導(dǎo)學(xué)生繪制流程圖表示循環(huán)的嵌套，理清內(nèi)外循環(huán)之間的邏輯關(guān)系;在不插電編程活動中，還可利用游戲積木、卡片圖示、提示語、微視頻等學(xué)習(xí)支架，將復(fù)雜的問題分解轉(zhuǎn)化為簡潔明晰的操作。2.優(yōu)選"模型歸納"學(xué)習(xí)策略程序設(shè)計歸納模型主要鍛煉學(xué)生比較、概括、推理方面的能力，為進(jìn)一步編寫復(fù)雜程序做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。（1）共通原理。在機(jī)器人編程常見的項目中，如物品搬運分揀、無人駕駛汽車等，雖然控制過程非常復(fù)雜，但它們有著共同的原理：智能的感知識別、深度學(xué)習(xí)的經(jīng)驗積累和根據(jù)環(huán)境與經(jīng)驗做出的控制決策等。教師在編程中指導(dǎo)學(xué)生通過觀察關(guān)鍵動作，學(xué)習(xí)控制方法，自主建構(gòu)模型，領(lǐng)悟控制原理。（2）分離比較。在人機(jī)五子棋、雙人足球等交互游戲項目中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生將單個事件從同類事件中分離，通過區(qū)分研究事件、對象各方面的要素，同時明晰區(qū)分比較的必要性與合理性，初步體驗決策樹模型。（3）約簡提煉。教師通過枚舉、分類、概括等方法分析問題間的共性與可變性，通過提煉的方法撇開非本質(zhì)要素，以簡略的形式表述各要素之間的關(guān)系，進(jìn)而抽象出解決問題的一般模型。3.探索“模型遷移”學(xué)習(xí)應(yīng)用程序設(shè)計遷移學(xué)習(xí)利用數(shù)據(jù)、問題、模型之間的相似性，可以將學(xué)習(xí)過的知識、模型遷移應(yīng)用于新項目的實踐創(chuàng)作中。（1）迭代復(fù)用。學(xué)生在編程過程中復(fù)用模型，可節(jié)省創(chuàng)作時間、降低編程難度，同時循序漸進(jìn)地完善程序，增強(qiáng)創(chuàng)意編程作品的規(guī)范性、科學(xué)性和創(chuàng)新性。（2）局部變式。模型轉(zhuǎn)換的過程是不斷試驗和探索的過程。教師應(yīng)設(shè)計出可以點撥學(xué)生舉一反三、通過變換問題轉(zhuǎn)換先前所歸納的模型，圍繞新的問題和需求不斷嘗試，更新模型來完成任務(wù)，提升學(xué)生發(fā)散思維和動態(tài)思維。（3）知識圖譜。教師應(yīng)用知識圖譜引導(dǎo)學(xué)生建立節(jié)點之間的關(guān)系，避免模型碎片化，促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)且有意義地學(xué)習(xí)。程序的編寫與優(yōu)化編程可以鍛煉學(xué)生的邏輯思維和計算思維，幫助學(xué)生更好地認(rèn)識世界，促使他們從科技的消費者轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造者。教師在中小學(xué)各年級統(tǒng)籌編排編程主題活動，分步融入計算思維要素，迭代優(yōu)化實踐作品，進(jìn)行展示與評價，有助于發(fā)展學(xué)生編寫與優(yōu)化程序的能力。1.項目學(xué)習(xí)，自主編寫程序目前國內(nèi)眾多平臺秉承開源、共享的理念，為中小學(xué)生提供一個搭建程序、快樂實踐創(chuàng)意的云平臺。平臺匯聚了各地優(yōu)秀的創(chuàng)意編程作品，包括交互游戲、自動化控制、創(chuàng)客設(shè)計等。學(xué)生在充滿趣味的氛圍中經(jīng)歷“運行程序—分析程序—提取指令形成指令集—分析指令集功能指向特點”的過程，從而逐漸提升個人“指令集”的高階思維水平，為編寫智能穿戴、語音識別等生活小應(yīng)用積累程序模塊。同時，創(chuàng)意編程活動倡導(dǎo)小組合作的互動與表達(dá)。如教師給出繪本閱讀燈、月食的形成等科技創(chuàng)新項目要求，各小組統(tǒng)籌做好作品的規(guī)劃、程序的編寫和調(diào)試、作品的硬件拼搭、硬件的外形美化等。教師要關(guān)注編程活動的每個細(xì)節(jié)，從多個層面進(jìn)行展示點評，一方面及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生身上的閃光點，評析作品的優(yōu)點和特色;另一方面引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會反思，優(yōu)化作品方案，從創(chuàng)新創(chuàng)造、藝術(shù)審美、用戶體驗、程序技術(shù)等方面改進(jìn)作品，有意識地培養(yǎng)學(xué)生計算思維與設(shè)計思維的融合，鼓勵學(xué)生創(chuàng)新。2.學(xué)思融通，調(diào)試修改程序程序設(shè)計的重要環(huán)節(jié)是運行調(diào)試，學(xué)生在調(diào)試中學(xué)會理清邏輯關(guān)系，發(fā)現(xiàn)錯誤，修改程序。當(dāng)前主流的互動編程平臺，學(xué)生能立即獲得所編寫程序的反饋，若程序執(zhí)行出現(xiàn)Bug，則系統(tǒng)會自行跳出提示。創(chuàng)意編程的過程并非一帆風(fēng)順，一方面錯誤無法預(yù)料，另一方面運行效果與預(yù)期有差距，學(xué)生會對這樣或那樣的問題感到不知所措。教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的耐心和自信心，倡導(dǎo)自上而下逐步求精，將一個復(fù)雜的功能拆分為多個小功能任務(wù)分步驟進(jìn)行編寫，并且對每一次實現(xiàn)的功能進(jìn)行測試，同時需要關(guān)注參數(shù)的設(shè)定、邊界值范圍等。修改比較大可能會呈現(xiàn)新的偏差或錯誤，教師要引導(dǎo)學(xué)生采用代碼放大修改法，突出重點，反復(fù)調(diào)試。程序的邏輯有時是違反直覺的，學(xué)生需要深層次分析。當(dāng)面對單一程序時，可呈現(xiàn)關(guān)鍵點的結(jié)果，看看運行情況;當(dāng)面對相互關(guān)聯(lián)的多個程序時，學(xué)生可以用消息同步多段腳本的執(zhí)行順序，也可以代入數(shù)據(jù)，單步執(zhí)行，逐行分析，深化程序邏輯的理解。此時學(xué)生需要發(fā)揮勇于探索的精神，教師不能草率否定學(xué)生的無效探究，也不能強(qiáng)求學(xué)生調(diào)試的方式、路徑與預(yù)設(shè)的一致。3.關(guān)注細(xì)節(jié)，優(yōu)化設(shè)計程序隨著程序設(shè)計的逐步深入，學(xué)生積累豐富的編程經(jīng)驗，可以通過細(xì)節(jié)的優(yōu)化來提高程序的運行效率。首先是提高程序可讀性，教師引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣，如定義規(guī)范的名