王康 熊軼 呂立立

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題解決、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與人類(lèi)行為理解的過(guò)程^[1]。計(jì)算思維提供了一種組織與分析問(wèn)題的新視角，能夠廣泛應(yīng)用于工作、學(xué)習(xí)和生活中，是信息時(shí)代每個(gè)人都應(yīng)具備的基本素養(yǎng)，是人類(lèi)在未來(lái)社會(huì)求解問(wèn)題的重要手段^[2]。計(jì)算思維是分解、抽象、算法、迭代、遷移等多種思維能力的集合^[3]。編程教育強(qiáng)調(diào)運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科的知識(shí)和編程工具解決問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維^[4]。它通過(guò)設(shè)計(jì)豐富的學(xué)習(xí)活動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)任務(wù)的探索性與實(shí)踐性，使學(xué)生的計(jì)算思維得到充分發(fā)展。隨著我國(guó)自主可控且功能強(qiáng)大的可編程開(kāi)源硬件及圖形化編程平臺(tái)的普及，在中小學(xué)開(kāi)展開(kāi)源硬件編程教學(xué)已成為提升學(xué)生計(jì)算思維能力的重要途徑?；诖?，筆者在STEM理念指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了“制作龍舟大賽體感游戲”編程項(xiàng)目，并在武漢市梅苑學(xué)校八年級(jí)學(xué)生中開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐，期望通過(guò)這一實(shí)踐與研究，為教師們?cè)O(shè)計(jì)相關(guān)項(xiàng)目提供參考。

一、項(xiàng)目的設(shè)計(jì)框架

面向計(jì)算思維的編程教學(xué)是以跨學(xué)科內(nèi)容知識(shí)為核心，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為教學(xué)法，以發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維為目標(biāo)的教學(xué)。其設(shè)計(jì)框架從內(nèi)到外由內(nèi)容層、學(xué)習(xí)層、思維層構(gòu)成，回答“學(xué)什么”“怎么學(xué)”“如何評(píng)”等一系列問(wèn)題（如圖1）。

內(nèi)容層主要以科學(xué)（S）、數(shù)學(xué)（M）、工程（E）、技術(shù)（T）等學(xué)科內(nèi)容為核心，旨在通過(guò)編程教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)學(xué)科核心知識(shí)的理解，增強(qiáng)他們綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力。學(xué)習(xí)層明確編程教學(xué)的方法，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)“明確項(xiàng)目任務(wù)→核心知識(shí)建構(gòu)→協(xié)作方案設(shè)計(jì)→作品原型制作→作品展示評(píng)價(jià)”的流程推進(jìn)教學(xué)活動(dòng)。思維層設(shè)計(jì)項(xiàng)目要達(dá)成的目標(biāo)，主要包括分解思維、抽象思維、算法思維、迭代思維等計(jì)算思維能力。三個(gè)層次緊密關(guān)聯(lián)、層層推進(jìn)，形成計(jì)算思維培育導(dǎo)向的編程教學(xué)整體框架。

二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施

“制作龍舟大賽體感游戲”編程項(xiàng)目共四個(gè)課時(shí)。前兩個(gè)課時(shí)，學(xué)生以項(xiàng)目任務(wù)為引導(dǎo)，分組自主探究掌控板三軸加速度測(cè)量值的特性，理解加速度傳感器的應(yīng)用原理，完成項(xiàng)目任務(wù)分解與核心知識(shí)建構(gòu)。后兩個(gè)課時(shí)，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，以評(píng)價(jià)為導(dǎo)向進(jìn)行作品設(shè)計(jì)與原型制作，并分享展示作品，完成項(xiàng)目評(píng)價(jià)。在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，學(xué)生的計(jì)算思維得以鍛煉和發(fā)展。

（一）明確任務(wù)與目標(biāo)分析

項(xiàng)目任務(wù)是學(xué)生利用掌控板開(kāi)源硬件、扣叮編程平臺(tái)等數(shù)字化工具，制作并體驗(yàn)手搖掌控板控制龍舟與機(jī)器龍舟比賽的體感游戲。

項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)包括核心知識(shí)、關(guān)鍵能力與價(jià)值觀三個(gè)方面。核心知識(shí)目標(biāo)圍繞跨學(xué)科知識(shí)展開(kāi)，具體包括知道加速度與重力加速度的物理意義（S），知道掌控板中三軸加速度傳感器的基本計(jì)算原理（S），學(xué)會(huì)用變量存放掌控板采集的加速度值（T），學(xué)會(huì)四則運(yùn)算、向上取整運(yùn)算、求算術(shù)平方根（M），了解與龍舟有關(guān)的中華傳統(tǒng)文化（A）等。關(guān)鍵能力目標(biāo)以提高學(xué)生計(jì)算思維為核心，具體包括將大任務(wù)分解為小任務(wù)、逐步解決問(wèn)題的分解思維能力，對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行特征提取并利用數(shù)學(xué)表達(dá)問(wèn)題的抽象思維能力，通過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的迭代思維能力，通過(guò)展示分享進(jìn)行精準(zhǔn)描述的邏輯表達(dá)能力等。價(jià)值觀目標(biāo)聚焦于提高學(xué)生對(duì)中華端午文化的理解和表達(dá)能力。

（二）項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施

基于上述框架與目標(biāo)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程如圖2所示。

1.明確項(xiàng)目任務(wù)

學(xué)生試玩教師制作的龍舟大賽游戲。教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出掌控板在游戲中的作用——手搖掌控板控制龍舟向前運(yùn)動(dòng)，手搖得越快，龍舟就跑得越快。

游戲體驗(yàn)讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的好奇心：掌控板是怎樣與軟件交互以實(shí)現(xiàn)體感的呢？教師趁機(jī)發(fā)布本項(xiàng)目的任務(wù)——分組制作一個(gè)龍舟大賽體感小游戲，并向?qū)W生提供項(xiàng)目學(xué)習(xí)手冊(cè)、線上測(cè)試題、項(xiàng)目時(shí)間進(jìn)度安排等相關(guān)學(xué)習(xí)支架。

2.核心知識(shí)建構(gòu)

學(xué)生根據(jù)前面的游戲體驗(yàn)，自主分析完成項(xiàng)目任務(wù)所需學(xué)習(xí)的核心知識(shí)。在《項(xiàng)目學(xué)習(xí)手冊(cè)1》的指引下，他們分小組學(xué)習(xí)微課“計(jì)步器工作原理”“掌控板三軸加速度傳感器”“探究三軸加速度值”“總加速度”，掌握有關(guān)三軸加速度傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)會(huì)編寫(xiě)“讀取掌控板三軸加速度值”及“計(jì)算掌控板總加速度”的代碼。接下來(lái)，學(xué)生運(yùn)行程序代碼并搖動(dòng)掌控板，對(duì)掌控板的三軸加速度傳感器進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)，記錄多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中自行總結(jié)出掌控板“越用力搖動(dòng)，掌控板加速度就越大”的規(guī)律。在完善流程圖的過(guò)程中，教師結(jié)合生活中的實(shí)例講解加速度傳感器的工作原理，讓學(xué)生理解加速度傳感器在智能器件（如汽車(chē)安全氣囊）中的應(yīng)用與工作原理，進(jìn)而理解加速度傳感器在龍舟大賽中的作用原理。最后，組內(nèi)合作畫(huà)出龍舟大賽中各玩家龍舟體感動(dòng)作的流程圖，并在項(xiàng)目學(xué)習(xí)手冊(cè)的指引下獨(dú)立進(jìn)行在線檢測(cè)，以便及時(shí)反饋本階段的學(xué)習(xí)成效。本環(huán)節(jié)通過(guò)分組自主學(xué)習(xí)、動(dòng)手探索實(shí)踐與總結(jié)，讓學(xué)生在“做”中掌握核心知識(shí)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的抽象思維能力、算法設(shè)計(jì)能力及合作能力。

3.協(xié)作設(shè)計(jì)方案

學(xué)生掌握項(xiàng)目核心知識(shí)后，在《項(xiàng)目學(xué)習(xí)手冊(cè)2》的指引下分組設(shè)計(jì)作品實(shí)施方案。他們依據(jù)該手冊(cè)中的作品要求和評(píng)價(jià)表細(xì)則，先是組內(nèi)開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，進(jìn)一步分析項(xiàng)目需求，并合作設(shè)計(jì)項(xiàng)目作品的整體與細(xì)節(jié)，如背景與角色設(shè)計(jì)、游戲界面的整體風(fēng)格、比賽開(kāi)啟方式、勝負(fù)條件判定及效果、聲效設(shè)計(jì)、機(jī)控龍舟動(dòng)作設(shè)計(jì)、玩家龍舟的體感動(dòng)作設(shè)計(jì)、游戲的挑戰(zhàn)性與創(chuàng)新性設(shè)計(jì)等。隨后，學(xué)生又梳理和分解項(xiàng)目制作任務(wù)，明確每個(gè)組員分工負(fù)責(zé)的具體任務(wù)，為下一環(huán)節(jié)制作作品原型做好準(zhǔn)備。這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生在學(xué)習(xí)手冊(cè)的指引下，真正深入問(wèn)題求解、系統(tǒng)分析、任務(wù)分解、問(wèn)題抽象、算法實(shí)現(xiàn)等計(jì)算思維的過(guò)程中。

4.作品原型制作

學(xué)生依據(jù)各小組形成共識(shí)的具體方案，先在組內(nèi)進(jìn)行分工設(shè)計(jì)、代碼編寫(xiě)和調(diào)試實(shí)現(xiàn)，再將各組員調(diào)試好的代碼匯集到一個(gè)程序文件中，合成為完整作品，并運(yùn)行調(diào)試（如圖3）。

在調(diào)試作品的過(guò)程中，小組成員發(fā)現(xiàn)了在劇情、角色動(dòng)作協(xié)調(diào)、時(shí)間協(xié)調(diào)等方面還存在的問(wèn)題。針對(duì)問(wèn)題，學(xué)生反復(fù)調(diào)試參數(shù)，提出解決方案，甚至更改原有方案，進(jìn)行作品的優(yōu)化迭代?！俄?xiàng)目學(xué)習(xí)手冊(cè)2》提供了等第制作品評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，各小組在合作協(xié)同的編寫(xiě)、調(diào)試和迭代中，不斷優(yōu)化完善各自的代碼腳本，并以不同方式朝著最高級(jí)的評(píng)價(jià)目標(biāo)努力。在代碼合成、調(diào)試和迭代的過(guò)程中，學(xué)生的批判性思維以及算法設(shè)計(jì)、分析迭代、創(chuàng)新、合作等能力得到了有效的鍛煉與提升。

5.作品展示評(píng)價(jià)

學(xué)生分組展示作品。全組學(xué)生一起展示游戲作品的玩法和效果，并將問(wèn)題解決中最有價(jià)值的部分，如分工情況、有價(jià)值的發(fā)現(xiàn)、遇到的問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程、團(tuán)隊(duì)合作感受等用令人印象深刻的方式展示出來(lái)。其他小組通過(guò)平板電腦對(duì)該組的作品評(píng)分，并提出挑戰(zhàn)性問(wèn)題，進(jìn)而展開(kāi)熱烈的成果交流和思維碰撞。在這一環(huán)節(jié)，學(xué)生之間知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)互相融合，團(tuán)隊(duì)合作的集體榮譽(yù)感達(dá)到高潮。

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)明確任務(wù)、創(chuàng)意構(gòu)思、知識(shí)建構(gòu)、協(xié)同設(shè)計(jì)、原型制作、分享評(píng)價(jià)等一系列學(xué)習(xí)過(guò)程，完成游戲場(chǎng)景規(guī)劃、角色及規(guī)則、需求分析、問(wèn)題抽象、算法步驟設(shè)計(jì)、交流評(píng)價(jià)等學(xué)習(xí)任務(wù)，掌握編程項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)的一般流程，發(fā)展問(wèn)題分解、問(wèn)題抽象、算法設(shè)計(jì)、調(diào)試迭代等計(jì)算思維能力。

三、教學(xué)效果評(píng)測(cè)

為驗(yàn)證教學(xué)效果，本項(xiàng)目從作品達(dá)成、計(jì)算思維測(cè)試兩個(gè)方面來(lái)綜合評(píng)價(jià)。

（一）作品評(píng)價(jià)

《項(xiàng)目學(xué)習(xí)手冊(cè)2》的評(píng)價(jià)細(xì)則指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行作品創(chuàng)作，從六個(gè)維度、四級(jí)水平對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目作品進(jìn)行定性和定量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)具體，可操作性強(qiáng)。組間評(píng)價(jià)的結(jié)果顯示：學(xué)生自評(píng)與互評(píng)分?jǐn)?shù)基本一致，各組評(píng)分均在百分制80分以上。這表明各小組學(xué)生都能制作出比較完整的作品，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力較強(qiáng)，實(shí)踐效果好。

（二）計(jì)算思維測(cè)試

本項(xiàng)目參考CCT和《Bebras 國(guó)際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽試題冊(cè)》來(lái)編寫(xiě)計(jì)算思維測(cè)試題，共6道單選題，分別從課堂知識(shí)變量（自編）、三軸加速度（自編）、循環(huán)語(yǔ)句（CTT）、算法流程（Bebras）、狀態(tài)轉(zhuǎn)換及規(guī)則檢測(cè)（Bebras）、最優(yōu)解（CTT）等方面來(lái)考查學(xué)生計(jì)算思維概念的掌握及遷移情況。其中，兩道自編題用來(lái)測(cè)試學(xué)生計(jì)算思維概念的掌握情況，后四題考查學(xué)生計(jì)算思維能力的遷移情況。

教師利用問(wèn)卷星對(duì)參與項(xiàng)目的30名學(xué)生進(jìn)行測(cè)評(píng)。測(cè)試結(jié)果顯示：前四題正確率100%，第五題正確率50%（有一定難度系數(shù)），第六題正確率87.6%。以上數(shù)據(jù)表明，學(xué)生對(duì)項(xiàng)目中有關(guān)計(jì)算思維的基本概念掌握優(yōu)秀，對(duì)計(jì)算思維有很好的遷移能力，具備了設(shè)計(jì)較復(fù)雜算法的能力。

四、反思與總結(jié)

“制作龍舟大賽體感游戲”是面向計(jì)算思維培養(yǎng)的跨學(xué)科編程項(xiàng)目，是以作品產(chǎn)出為導(dǎo)向的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)。學(xué)生經(jīng)歷了分析項(xiàng)目需求、分解項(xiàng)目任務(wù)、設(shè)計(jì)項(xiàng)目場(chǎng)景與角色規(guī)則、體驗(yàn)計(jì)算思維分解和算法過(guò)程、參與展示交流、完成自評(píng)和同伴互評(píng)、基于評(píng)價(jià)進(jìn)行作品調(diào)試迭代等一系列學(xué)習(xí)過(guò)程，提升了計(jì)算思維能力和創(chuàng)新能力。

整個(gè)項(xiàng)目分為兩大部分。第一部分是任務(wù)探究與核心知識(shí)建構(gòu)。通過(guò)探究實(shí)踐，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)掌控板的三軸加速度傳感器，并在問(wèn)題指引和微課輔助下自主編寫(xiě)程序、運(yùn)行程序、記錄數(shù)據(jù)，最后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，自己總結(jié)出“掌控板在靜止時(shí)測(cè)量出的三個(gè)軸的加速度值，可以用來(lái)判定掌控板的姿態(tài)”。在此基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步添加代碼，讓學(xué)生通過(guò)算式對(duì)直接數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，算出掌控板的總加速度。通過(guò)不同力度、不同頻率搖動(dòng)掌控板，學(xué)生通過(guò)觀察總加速度大小的變化，得出“搖動(dòng)用力越大，速度變化率越大，總加速度越大”的結(jié)論，并以此引導(dǎo)學(xué)生分析智能計(jì)步器、汽車(chē)安全氣囊中加速度傳感器的工作原理，為后續(xù)項(xiàng)目作品的設(shè)計(jì)和實(shí)施打下基礎(chǔ)。通過(guò)探究學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)會(huì)了編寫(xiě)用變量采集三軸加速度傳感器測(cè)量值的程序代碼，學(xué)會(huì)了將數(shù)學(xué)知識(shí)如四則運(yùn)算、向上取整等運(yùn)用在數(shù)據(jù)處理中，體驗(yàn)了通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)乃阈g(shù)運(yùn)算，推導(dǎo)出有意義的信息（總加速度大?。┑倪^(guò)程。在整個(gè)探究過(guò)程中，教師只是提出問(wèn)題，給出實(shí)踐的線索，讓學(xué)生自己探究實(shí)踐得出結(jié)論。對(duì)自己通過(guò)動(dòng)手探索得出的結(jié)論，學(xué)生印象深刻，對(duì)知識(shí)的記憶牢固，學(xué)習(xí)興趣濃厚，成就感強(qiáng)。

第二部分為項(xiàng)目作品的設(shè)計(jì)與制作。學(xué)生將加速度傳感器在智能器件中的工作原理遷移應(yīng)用到龍舟大賽作品中，如使用條件語(yǔ)句判斷掌控板是否被搖動(dòng)，如果被搖動(dòng)龍舟就前行，并用總加速度作為龍舟前行動(dòng)作的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)體感效果。在項(xiàng)目實(shí)施中，作品評(píng)價(jià)細(xì)則是作品創(chuàng)作的方向和目標(biāo)，從場(chǎng)景、角色、比賽規(guī)則、龍舟動(dòng)作、行為偵測(cè)、聲效六個(gè)維度設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，指引學(xué)生的創(chuàng)作過(guò)程。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的六個(gè)維度也為學(xué)生組內(nèi)分解任務(wù)提供了參考，不僅提高了創(chuàng)作效率，也使合作學(xué)習(xí)真正發(fā)生。

本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科的融合，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)任務(wù)的探索性與實(shí)踐性，有效激發(fā)出了學(xué)生的探究欲望，學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦，獲得較強(qiáng)的成就感。發(fā)布的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題是一個(gè)真實(shí)且富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，學(xué)生通過(guò)掌控板三軸加速度傳感器采集人手臂搖動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并把運(yùn)動(dòng)狀態(tài)抽象成可以編程處理的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的體感效果，切身體驗(yàn)了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與制作，提升了計(jì)算思維能力。

注：本文系湖北省教育科學(xué)規(guī)劃2019年度重點(diǎn)課題“核心素養(yǎng)視角下的創(chuàng)客教育項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例開(kāi)發(fā)與實(shí)施研究”（課題編號(hào)：2019JA100）的階段性研究成果。

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（作者王康系湖北省武漢市教育科學(xué)研究院教研員，華中師范大學(xué)在讀博士;熊軼系湖北省武漢市梅苑學(xué)校高級(jí)教師;呂立立系湖北省武漢市武昌區(qū)教育局電化教育中心高級(jí)教師）

責(zé)任編輯：牟艷娜