Scratch教學中培養(yǎng)計算思維的理論基礎綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u28054Scratch教學中培養(yǎng)計算思維的理論基礎綜述 145291.1計算思維 1261581.1.1計算思維的概念和內涵 187641.1.2計算思維的培養(yǎng)策略 235061.1.3計算思維的教學模式 4183981.2Scratch 7208281.1.1Scratch介紹 7173591.1.2Scratch中體現(xiàn)的計算思維 8232621.1.3Scratch的課堂教學模式及特點 91.1計算思維1.1.1計算思維的概念和內涵目前，國內外研究者們圍繞計算思維定義的討論，分為狹義層面和廣義層面兩種脈絡。狹義層面突出強調計算思維與具體學科的關系，認為計算思維是通過使用編程、高效率專用算法和數值分析培養(yǎng)起來的心智習慣，在不同學科領域內表現(xiàn)出獨特內涵[PAGEREF_Ref22525\h18]。廣義層面概念則抽象于具體學科外，傾向于計算思維的通用化和普適性，認為計算思維是在形成問題及其快速有效解決方案時所必備的思維能力[PAGEREF_Ref22580\h19]。其中，美國國際教育技術協(xié)會（簡稱ISTE）2015年提出的定義是較為典型的代表，認為計算思維是能夠“有效結合數字技術與人類思想，解決復雜現(xiàn)實問題的一系列心智工具集”[PAGEREF_Ref22632\h20]。2006年，美國卡內基·梅隆大學（CMU）的周以真（JeannetteM.Wing）教授，為了幫助人們更好地認識機器智能的不解之謎，發(fā)表了題為ComputationalThinking的文章，提出了一種建立在計算機處理能力及其局限性基礎之上的思維方式——計算思維。她認為，計算思維就是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動，能為問題的有效解決提供一系列的觀點和方法，它可以更好地加深人們對計算本質以及計算機求解問題的理解，而且還能克服“知識鴻溝”，便于計算機科學家與其他領域專家交流[PAGEREF_Ref22939\h21]。雖有周以真教授的觀點為共識，但國內學者對計算思維的理解仍存在不同的看法。董榮勝等人認為，計算思維是運用計算機科學的思想與方法進行問題求解、系統(tǒng)設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[PAGEREF_Ref23132\h22]；蔣宗禮認為，計算思維是一種與計算機及其特有的問題求解緊密相關的思維形式，在求解各類問題時，有意識地使用計算機科學家們所采用的思想、方法、技術及工具，甚至環(huán)境，不僅包括思考，還包括更一般的活動[PAGEREF_Ref23207\h23]；龔沛曾等人認為，計算思維是由意識、方法和能力三個層次的內容所組成的復合思維[PAGEREF_Ref23276\h24]；任友群等人認為，計算思維是一種獨特的解決問題的過程，是一種可以幫助人們更好地理解和分析復雜問題的思想方法，從而形成具有形式化、模塊化、自動化、系統(tǒng)化等特征的問題解決方案[PAGEREF_Ref23374\h25]；李鋒等人則從不同的視角對計算思維進行解讀，從認知特征角度認為，計算思維是一種具有技術原科學性特征的、與信息化社會相適應的心理工具；從表現(xiàn)特征角度認為，計算思維是一種基于信息技術解決問題的能力；從信息環(huán)境角度認為，計算思維是頭腦內部信息系統(tǒng)和外部自然信息系統(tǒng)的合理互動過程[PAGEREF_Ref23439\h26]。從上述不同學者所持的觀點可以看出，雖然多數學者都強調計算思維作為解決問題的能力特征，但因切入角度的不同，所解讀的計算思維也不盡相同。當前，國內比較權威的當屬“新版普通高中信息技術課程標準”對計算思維的界定：計算思維是以計算機領域的學科方法界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案，總結利用計算機解決問題的過程與方法，并可遷移到與之相關的其他問題解決中的一種學科思維[PAGEREF_Ref23560\h27]。1.1.2計算思維的培養(yǎng)策略計算思維培養(yǎng)策略以培養(yǎng)學習者計算思維能力為目標，為了促進這一目標的實現(xiàn)，國內學者從不同的視角出發(fā)，提出了培養(yǎng)計算思維不同的策略與方法，主要的觀點如表1.1所示。我們通過對國內學者所提出的計算思維培養(yǎng)策略進行分析，發(fā)現(xiàn)有的學者是以宏觀的視角為切入點，從計算思維教育理論層面提出培養(yǎng)策略；有的是從中觀的計算思維教育系統(tǒng)層面提出培養(yǎng)策略，還有的是從微觀的視角結合具體的計算思維教育實踐提出培養(yǎng)策略。盡管學者們所提出的培養(yǎng)策略不盡相同，但依然較為清晰地呈現(xiàn)出計算思維教育的實踐理路：要想有效地培養(yǎng)學習者的計算思維，首先，要對計算思維教育有足夠重視，明確計算思維教育的目的是使學習者能夠具有像計算機科學家思考問題那樣的思維習慣；其次，應加快計算思維教育理論體系的建設，用于指導計算思維教育的有效開展；再次，還應盡快完善計算思維的課程體系建設，創(chuàng)建計算思維的教育課程，或者將計算思維的培養(yǎng)融入到具體的計算機課程中，抑或采取跨學科的方式將計算思維的培養(yǎng)內容與專業(yè)知識的學習進行整合，盡可能地充實計算思維的教學內容。在具體教學的過程中要充分使用新技術和豐富的網絡資源，根據學生的專業(yè)和學習基礎情況，采用以學生自主學習、自主探究為主的分類分層教學方式，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決解決，在教學和實驗訓練中激發(fā)和培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維和創(chuàng)造性能力，從而促使學習者的計算思維能力得到有效地提升；最后，還應該重視計算思維教師隊伍與計算思維教學環(huán)境的建設，打造一支高水平的師資隊伍與提供必要的計算思維實驗室、實訓場地，這也是影響計算思維教育能否有效開展的關鍵。表1.1培養(yǎng)計算思維不同的策略與方法研究者主要觀點牟琴通過“輕游戲”培養(yǎng)計算思維能力宗偉偉按學科知識設計并開發(fā)教學游戲梁艷瑞使用AppInventor培養(yǎng)計算思維林旺等應用軟件培養(yǎng)計算思維高嬌在游戲化教學的過程中培養(yǎng)計算思維路艷麗等使用案例式的教學培養(yǎng)計算思維劉瑜等在建構主義理論的指導下，開展拋錨式和支架式教學方法王曉丹等將計算思維的培養(yǎng)滲透到具體課程與教學過程中徐迎曉等在跨學科課堂中培養(yǎng)計算思維陳宇峰等利用啟發(fā)式虛擬實驗培養(yǎng)計算思維劉昕在計算機課程的教學中采用以問題為中心的教學方式趙蘭運用Scratch軟件培養(yǎng)中學生計算思維的研究姚天昉在程序設計課程的實驗過程中培養(yǎng)創(chuàng)新思維謝忠新等在具體課程教學中充分挖掘計算思維并引導學生學習馮博琴分類分層、三種方式靈活應用（方法推動式、內容重組式和全面革新式）、提升教師教學水平、完善課程體系、多學科融合王節(jié)制定培養(yǎng)計劃、完善課程體系、建構教學模式、發(fā)揮教師主導、引導學生自學楊建磊與“復合型高素質創(chuàng)新人才”培養(yǎng)相結合、推進計算機基礎教學與專業(yè)教學的融合、加強師資隊伍建設與管理、擴大資源共享和開放程度高敬陽等將特色的專業(yè)案例作為計算思維培養(yǎng)的載體，采用分級分層教學、參加大賽、使用資源網站等策略王移芝等培養(yǎng)計算機文化、建設教學內容與資源、使用現(xiàn)代教育技術手段、完善實驗室建設1.1.3計算思維的教學模式計算思維的培養(yǎng)模式多種多樣，筆者通過查閱相關文獻：當今主流的模式有如下幾種：①探究式教學模式“探究式教學主要從問題的提出、問題的探究以及問題的解決方法這三個層面去建構。教師按照教材內容去幫助學生獨立探索和互相協(xié)作，尋找出有價值的探究性問題，通過小組共同合作，最終得到解決，該模式很好的把計算思維融入到探究性過程中?！盵PAGEREF_Ref23635\h28]探究型教學模式的明顯優(yōu)點如下：不同于傳統(tǒng)的知識傳授，它注重學生的參與，要求學生必須參與到教學過程中來。它需要學生的設計、策劃，體現(xiàn)了學生的主觀能動性。這種學習方式注重學生的學習經驗與學習興趣，摒棄死記硬背、機械訓練的學習行為。能有效地指導學生掌握基礎知識和基本技能。在教學過程中重視讓學生運用已有知識分析、解決新問題，在“用中學”、“做中學”，使知識鞏固、運用、發(fā)展相結合，學會看書，學會思維，學會獲取新知識、新事物，增強了學生的自信心和知識遷移能力。在探究活動中，可培養(yǎng)學生交流合作良好素質的形成，學生在探究活動中認真聽取他人的意見和建議，相互取長補短，從探究過程中學會學習，學會思考，學會合作，學會探究，這正是現(xiàn)代教育的目標。運用探究教學法學生的思維密度和強度較大，思維過程的創(chuàng)造性和探索性具有很強的“似真性”，探究教學法對學生的創(chuàng)造能力的培養(yǎng)有著極其重要的作用。探究教學法通過對科學研究思路的模擬，使學生接觸和運用了前人經過大量的科學實踐證明了的行之有效的科學研究的方法與思路，這樣學生在得到生物知識的同時，也受到了科學方法的熏陶浸染。但缺點也同樣明顯：不能調動所有學生的積極性由于學生間有個體差異，有的學生外向，有的學生內向，有的學生基礎好，有的學生基礎差。外向的和基礎好的學生，積極性很容易調動起來，能夠配合老師的引導，積極地思考和主動的回答問題，學習知識的效果就比較顯著。對于內向的、基礎差的學生可能就只是在耗費時間而言；教師很難把握一個度，有時候難以完成教學任務由于探究性教學法凸顯的是學生的主體地位，要求學生動手參與的部分比較多，因此在教學中總感覺時間不夠，課標上要求一節(jié)課時完成的內容往要花兩課時。學生接受的知識較少，在進行探究教學的過程中，由于教師的作用只是引導，對于很多知識點沒有時間進行強調，這樣學生所接受的知識可能就會相對減少，在進行考試時并不一定能有好成績。②問題解決教學模式目前小學信息技術課程主要還是教師講授知識點為主，引導學生練習為輔，教師根據教材內容和學生個人特點指導課下學習。學生在課后進行分組學習和收集資料并在上課期間選出小組代表上臺進行匯報交流。該教學模式是注重學生對整體問題的解決，而不是一個個獨立開來的一類問題?；谟嬎闼季S的問題引導式教學模式與傳統(tǒng)教學模式相比更能夠培養(yǎng)學生去自己思考解決問題，強化學生的思維能力。采用該模式進行教學，教師可以根據每個學生的認知水平和學習特征來制定多樣的學習計劃并提供廣泛的學習資源。但是該種模式并沒有指出哪種類型的問題對計算思維的培養(yǎng)有效，基于項目的學習培養(yǎng)計算思維則很好的彌補這種不足。問題解決模式增強了學生學習的主動性，改變了學生過去的被動學習的模式，由被動模式轉為主動學習的模式，學生學習的主觀能動性大大提高；注重學生知識生成，知識的生成以學生經歷自主探究，合作交流的過程，生成知識，讓學生感悟到知識的生成過程，深刻意識實用應用價值，同時培養(yǎng)學生的探索創(chuàng)新意識；新的教學中強調學生自主探究，通過交流與合作去尋找解決問題的方法，在鼓勵學生解決問題時使用的策略要在多樣化下進行判斷、比較、優(yōu)化；充分尊重學生個性的需要。由學生獨立自主的去完成學習，教師作為旁聽者，引導者，組織者。讓學生在課堂中更好的發(fā)揮自己所長，培養(yǎng)自已所能；充分培養(yǎng)學生的問題意識與創(chuàng)新思維能力的拓展與提高；讓學生收獲生活中更多的數學知識，以及培養(yǎng)學生的情感與態(tài)度的價值觀。在鞏固反饋這一環(huán)節(jié)中，教師結合學生特點，分層次地安排一些切合學生實際學習情況的問題，讓學生自主的解決、完成，使課堂的教學得以更好地延伸到具體的生活現(xiàn)實中去，從而培養(yǎng)學生學習數學的興趣和情感?；谟嬎闼季S的問題解決教學模式也不是十分完美，學習知識的系統(tǒng)性存在被割裂或碎片化的的可能，如何更有效地解決共性問題與個性問題，使之有機結合起來是教師應該重視和解決的問題。③任務驅動式教學模式教師以具體的任務作為核心，引導學生利用計算思維方法去解決問題。該模式的依據來源于學生對知識點內容掌握的程度，學生的學習過程與完成任務的進程要緊密相連，通過計算思維方法去完成課堂任務[PAGEREF_Ref24334\h29]。任務驅動教學法體現(xiàn)了“學生為主體”的教學思想，改變了傳統(tǒng)教學法的教師講、學生聽的教學模式，學生在學習中起主體作用，是學習的主人，教師由在教學中起組織、引導、促進、評價、咨詢的作用；任務驅動教學法容易激發(fā)和保持學生的學習積極性，在教學中隨著一個個任務的完成，學生一個跟一個成就感的產生，學生學習信息技術的興趣、自信油然而生，改變了傳統(tǒng)教學中學生無所適從的局面，使學生在學習中充滿自信；該教學法可以鍛煉學生的合作精神和溝通能力，可以促進學生在學習過程中表達自己的見解、聆聽他人的意見、理解他人的想法，促進了學生思維能力的培養(yǎng)，提升了學生的信息素養(yǎng)；任務驅動教學法在培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力、提高學習效果、促進學生的個性化發(fā)展、增強學生探索精神、鍛煉學生頑強意志等方面有很好的促進作用。然而該模式的任務的設計往往有些強制性，學生可能會表現(xiàn)出抵觸情緒，完成學習任務所需的時間可能會有所增加，課堂學習效率不高。而基于項目的學習培養(yǎng)計算思維項目則是根據學生自己興趣選擇，并且在真實情境下完成學習，相比而言學生的學習積極性更強，也能夠更好的學習課程知識。④網絡自主學習模式通過利用互聯(lián)網網絡作為媒介，將教師的教學和學生的學習相結合，使學生在獨立探究的過程中使用計算思維方法去解決問題。在學習的過程中，學生能夠反思自己的不足，并將所學的知識遷移到其他領域當中[PAGEREF_Ref24402\h30]。在該模式中，教師將教學資源提供給學生并且完成對學生的指導幫助，但在學習過程中，學生可能注意力分散繼而偏離學習軌道。而基于項目的學習培養(yǎng)計算思維教學模式是師生之間的面對面交流，教師可以通過學生的肢體語言和言語表達來進行指導解決相應的問題。⑤基于計算思維的混合式學習模式通過教師的指導，學生利用計算思維方法獨立學習，完成課堂知識的吸收，完善學生的學習結果以提升學生內在的思維能力。該模式把教學與學習過程分開，學生以相應的學習資源為課程基礎進入到學習情境去學習，教師在計算思維理念幫助下指導學生進行學習，以此來培養(yǎng)學生計算思維和知識遷移能力[PAGEREF_Ref24504\h31]。該模式雖然能夠針對不同認知特點的學生進行教學，但是在教學內容方面局限于單一學科知識。而基于項目的學習培養(yǎng)計算思維則鼓勵學生可以跨學科進行學習，將某一學科知識應用到其他學科的學習中。通過以上幾種計算思維培養(yǎng)模式的分析，得出當前研究仍然存在不足：過多關注拋出問題，卻忽略問題的類型對培養(yǎng)計算思維的重要性。因而通過基于項目的學習教學模式培養(yǎng)學生的計算思維能力顯得特別重要，通過讓學生在真實情境去學習，不但可以提升學生的學習自主性和創(chuàng)造力，而且還能夠培養(yǎng)學生的思維能力，符合信息技術課程人才培養(yǎng)目標。本研究選取探究式、問題解決和任務驅動三種教學模式，分別運用到三輪教學行動中。1.2Scratch1.1.1Scratch介紹Scratch由麻省理工學院專為兒童的喜好而設計開發(fā)的一款富有趣味性的簡易編程工具，該軟件的操作界面簡單且容易上手，支持50多種語言，共有八大模塊，100多塊“積木”，角色庫中還有大量的卡通角色和場景可供選擇。Scratch作為一款可視化編程軟件相比其他編程軟件具有以下幾個特點：①界面簡單，操作簡易。Scratch擁有簡單、明了的操作界面，界面中的每一個模塊簡單、清晰，學生很容易操作。學生只需要拖動相應的積木來實現(xiàn)程序的編寫。趣味化的編程環(huán)境增強了低齡兒童學習編程的動機。②生動有趣的編程對象。Scratch中豐富的趣味性內容迎合了兒童的心理特點，得到了孩子們的喜愛。軟件中的角色豐富廣泛，涉及到各種動物、物品、人物、交通等領域，學生可以根據自己的喜好選擇不同主題的角色創(chuàng)建不同的作品。學生在不僅可以體驗到Scratch的趣味性，還可以快樂地學習編程，掌握編程的基本技巧，提高學生的計算思維。③作品表現(xiàn)形式多樣。通過Scratch學生可以創(chuàng)建出個性化的故事、動畫、音樂、游戲甚至是繪畫等不同類型的作品，在不知不覺中學習了基本的程序設計的概念，提升了學生們的計算思維。目前，江蘇省編《小學信息技術》教材，各校均以ScratchDesktop開展教學如圖1.1所示圖1.1ScratchDesktop界面1.1.2Scratch中體現(xiàn)的計算思維學生在利用Scratch進行作品創(chuàng)作的過程當中，不僅培養(yǎng)了學生的邏輯思維和問題解決的能力，更為重要的是在這一過程中學生的計算思維能力也得到了充分的培養(yǎng)。在Scratch編程中計算思維主要表現(xiàn)在以下五個方面：學習和設計的自動化不同于傳統(tǒng)編程軟件的編寫代碼，Scratch通過拖拽移動相應的程序模塊就能迅速的實現(xiàn)程序的編寫。同時圖形化的編程方式把學生從枯燥無趣的參數命令中解脫出來。學生學習Scratch編程的過程就像兒童搭建積木一樣輕松，學生通過對Scratch軟件中對自己的腳本設計進行演示以觀察實際效果，這種借助Scratch編程學習的形式就是計算機科學中的自動化。②任務設計與算法分析學生首先要對Scratch中的每一項任務都需要進行分析，針對不同的任務思考相應的問題解決辦法，最后結合自身需要選擇設計合適的指令算法。學生在設計中會發(fā)現(xiàn)不同算法能夠影響腳本的變化，所呈現(xiàn)的效果也是不同的，在這個過程中學生對問題的思考和過程的分析就是算法在計算思維中的具體體現(xiàn)。③腳本設計的邏輯思維在Scratch腳本的設計方面，學生在針對不同角色的不同功能以及展示效果，會采用不同的腳本來進行設計，其中各個指令塊之間的層次關系和先后順序的運用就是一種邏輯思維。④對程序的優(yōu)化處理在Scratch作品創(chuàng)作過程中，我們經常會發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)同一個效果往往可以采用多種方式與途徑。然而在眾多實現(xiàn)方法中，我們要選擇最合理、簡潔以及易維護的腳本，在這個選擇的過程就是計算思維的優(yōu)化處理。⑤學習過程與方法的歸納整理學生在學習Scratch編程的過程中，會將編程中的學習方法和思維方式進行歸納，同時對Scratch的創(chuàng)作從陌生到熟練，對于今后類似的創(chuàng)作設計就會有自己的思維方法和經驗參考了，這其實就是計算思維的表現(xiàn)和培養(yǎng)的抽象形式。1.1.3Scratch的課堂教學模式及特點2007年Scratch正式發(fā)布，隨后很多教師群體以及Scratch研發(fā)團隊開始對Scratch教學進行研究，在不斷的探索中形成了自己的教學模式。經過筆者整理主要有一下幾種Scratch教學模式：創(chuàng)新思維螺旋教學模式[PAGEREF_Ref24579\h32]2007年Resnick教授提出了“creativethinkingspiral”（創(chuàng)新思維螺旋理論），它包括了五個循環(huán)步驟：“想象一一創(chuàng)作——分享一一反思”。學生在開始自己的創(chuàng)作之前首先要構思自己的作品，明確創(chuàng)作的思