基于Scratch的高中编程情境教学模式的研究外文翻译资料

基于Scratch的高中编程情境教学模式的研究

作者：王晓霞

国籍：中国

出处：Proceedings of 2011 6th IEEE Joint International Information Technology and Artificial Intelligence Conference(ITAIC 2011) VOL.02

摘要：新课程改革实施以来，人们对高中的编程教学模式做出了大量研究。本文在探索运用Scratch图形编程语言设计教学模式的潜力的基础上，构建了一种基于Scratch的高中情景编程教学模式。这种教学模式最先设计了一种学生所熟悉的编程学习情境，通过分析情境与编程的概念之间的共同元素，与学生的日常生活紧密联系。然后指导学生在这种情境下学习，并在理解了概念的内容后回到传统的编程环境中。这种教学模式可以激发学生的学习兴趣，提高学生的学习转移能力。最终，这种教学模式可以帮助学生更好地理解算法编程，并建立他们的计算思维。这两者在培养学生的逻辑思维能力和解决实际问题的能力方面都发挥着重要的积极作用。

关键词：高中编程教学；Scratch；情境教学模式

Ⅰ.引言

在信息时代学习计算机编程语言是十分重要的。编程中的计算思维培养了孩子在计算机素养和熟练运用技术方面的能力。计算思维是指用算法来思考，并应用数学概念，如归纳，以开发更有效、更公平和更可靠的解决方案的能力。在高中课程中引入算法编程使学生对算法编程有了初步的认识和经验，不仅为学生的编程学习奠定了基础，而且训练学生了用计算思维解决实际问题。本文在研究高中现有编程教学模式的优缺点的基础上，根据中国中小学IT课程指导计划中算法编程模块的教学目标，利用与学生日常生活密切相关的Scratch，为学生创设了虚拟编程学习情境。然后引导学生在虚拟环境下学习，在理解了概念的内容后回到传统的编程环境中。这种教学模式帮助学生实现从熟悉的环境向传统编程环境的有效过渡，提高了学生以计算思维的方式解决问题的能力。

Ⅱ.高中编程教学模式

自2000年新课程改革实施以来，算法编程已经被调整为高中信息技术的选修模块。该模块的教学目标是为了使学生

• 了解什么是算法
• 知道算法和编程在解决问题中的作用
• 学习设计算法以解决基本问题

这个模块的关键学习目标是根据算法设计编程以解决问题^[1]。

随着新课程的实施，近年来对高中编程教学模式的研究取得了一些进展，如反思性教学模式^[2]、项目方法^[3]和教学游戏^[4]。通过对现有模型的分析，我们发现这些模型缺乏对促进新型编程教学模式的辅助教学工具的研究和有效利用。由于编程具有初始接触对学生有一定难度的抽象特点，学生对编程可能感到厌倦。高中编程教学需要生动的情境和有趣的编程工具以消除他们的焦虑，激发他们的学习兴趣。

在其他国家，人们已经在尝试研究有趣的编程工具以帮助中小学生学习编程。1968年，麻省理工学院设计并开发了通过绘制地图来学习编程的LOGO语言。2008年，麻省理工学院在LOGO意识形态的基础上开发了Scratch编程软件。由于Scratch编程语言的特点，它适合于高中生的初步编程学习。

Ⅲ.Scratch

由麻省理工学院创造的Scratch是一种新的编程语言。Scratch编程是将命令块从调色板拖动到脚本窗格中并组装它们，因此新手程序员可以用它轻易地制作交互式故事、卡通、游戏和音乐或艺术程序。

Scratch的界面分为四个部分（图1）。编程区域：选择程序特点和相应的程序；脚本区域：存储或组合选择的程序；舞台区域：展示相对位置和舞台角色；角色表：显示当前文件和所有选择了角色的舞台。

图1 Scratch界面

Scratch建立在Logo^[5]的理念之上，Logo具体有以下特点：

• 它是一种可视化语言；用户可以立即从舞台上看到他编程的内容。Scratch有助于教师的可视化编程教学，适用于高中生学习数学、逻辑、设计过程等；
• 拖放法编程途径取代输入代码（图1脚本区域），避免输入错误代码的困扰和学生编程学习的防卫心理；
• 创建一个故事动画或互动游戏，如大鱼吃小鱼、弹球游戏。

Scratch语言不是为了培养年轻的程序员，而是让学生学会用Scratch来表达自己，帮助他们发展学习技能，同时学生可以对设计过程有更深的理解。

在高中编程模块中，Scratch语言的目的与教学目标的算法非常相似。 因此，Scratch可以作为学生学习编程的辅助工具，激发学生的学习动机，培养学生用计算思维的途径解决实际问题的能力。

Ⅳ.基于Scratch的高中编程情境教学模式

A.基于Scratch的高中编程情境教学模式的理论基础

情境教学模式是指在教学方案和教材的指导下，教师创造各种情境，使学生沉浸在丰富、自然或半自然的习惯情境中，唤起学生的情感体验，帮助学生快速、正确地理解教学内容。此外，该模式可以促进其心理功能的整体发展，提高教学效率^[6]。情境模式设计的情境是能够促进学习者理解水平发展的环境，包括编程教学中真实和虚拟的环境^[7]。基于Scratch的编程教学只是在学生的经验学习中利用了虚拟情境。

B.基于Scratch的高中编程情境教学模式的设计

什么是基于Scratch的高中编程情境教学模式？它指的是教师首先通过将Scratch引入到编程教学中，创造生动的编程情境来激发学生的兴趣，学生则通过计算机练习了解编程的过程和功能。然后引导学生在理解概念的内容后，从Scratch情境转移到教科书中的传统编程环境，这预示着编程的进一步研究（图2）。该模式的目的是使学生掌握通过编程解决实际问题的方法、体验计算思维。

图2 基于Scratch的高中编程情境教学模式

本文结合情境教学过程和高中编程教学的特点，为这个模式设计了五个操作步骤：

1）创设情境环境，激发学生编程学习的兴趣

根据桑代克的学习迁移共同要素理论^[8]，学习迁移是将在一种情况下学到的技能、知识和、态度应用于另一种学习情况。这增加了学习的速度，特别是两种学习情境之间有共同要素时。

在编程学习中，教师应为学生创设与学生日常生活密切相关的Scratch学习情境，我们称之为学习情境——Scratch学习情境。所以学生会面临两种情境，一是传统编程环境，如C语言编程环境，以及教师创造的Scratch学习情境。

要创设Scratch学习情境，教师首先要分析Scratch学习情境与传统学习情境之间的共同要素。其次，教师根据共同元素设计Scratch学习情境。 Scratch学习情境应与学生的日常生活密切相关，能激发学生学习编程的兴趣和活跃的课堂气氛。

2）引导学生进入情境，体验编程过程

教师引导学生进入Scratch学习情境，分析Scratch情境的编程过程；然后教师细化Scratch的编程思路，引发学生思考。 学生在激发兴趣和理解基础知识的基础上，进行Scratch的编程练习以体验编程过程，掌握编程的基本结构。

3）转移情境回到传统的编程环境

教师引导学生从Scratch学习情境转移到在传统编程环境下编程的教科书里的编程示例，然后分析有利于学生的学习迁移的两种情境的共同要素。

4）独立设计，培养学生的计算思维

为独立设计程序的学生安排一些关于编程的练习。目的是形成用计算思维解决问题的习惯，提高自主创新能力。

5）在网络中分享Scratch作品并做总结

学生可以在Scratch网站上分享自己的作品进行交流。教师指导学生总结在编程中应注意的遇到的困难和问题。

C.基于Scratch的高中编程情境教学模式的案例

序列结构、选择结构、循环结构是学生必须熟悉的计算机编程的基础。本文以序列结构为例，探讨了基于Scratch的高中编程情境教学模式的设计与实现。

1）创设情境环境，激发学生编程学习的兴趣

编程语言的序列结构的特点是出现了执行程序的命令语句。在日常生活中，有许多事情都有时间顺序的特点，所以按优先顺序的执行是我们想找到的“共同要素”。我们以小猫烤蛋糕作为故事情境。由于动画编程的过程包含的序列概念与教科书中的编程序列概念非常相似，而且有趣、新颖的动画容易激发学生对编程学习的兴趣，减少对学习程序的恐惧，动画适合序列结构的教学。

一开始，老师播放Scratch动画——小猫烤蛋糕。动画制作的步骤分为六个步骤（图3）。动画通过创造丰富、有趣的编程环境，吸引学生的注意，同时激发学生的编程热情。

图3 “小猫烤蛋糕”Scratch编程

2）引导学生进入情境，体验编程过程

教师引导学生分析“小猫烤蛋糕”的整个制作过程。通过对编程基础知识的学习，学生掌握了用计算机解决问题的步骤：分析问题—确定算法和数据结构—算法描述—编程—调试。

a）分析烤蛋糕的制作过程：烤蛋糕必须按其方法一步步进行编程设计，第一步是预热烤箱；第二步是准备一个盘子hellip;hellip;最后蛋糕制作完成；算法描述：绘制流程图实现问题解决过程的设计想法（图4）；

b）可以发现整个过程都是通过分析流程图，按照烤蛋糕的顺序设计的，没有跳跃的步骤。这就是所谓的序列结构，即编程语言的基本结构。每一步都基于上一步的执行，并且上一步是下一步的先决条件，比如，首先执行准备盘子，然后在盘子上涂黄油；

c）通过对教师解释的分析，学生通过在计算机上练习“烤蛋糕”或其他序列结构的Scratch实例来体验编程设计过程。这些基于Scratch的实践有助于学生理解计算思维和结构概念，为后续学习奠定了基础。

3）转移情境回到传统的编程环境

教师在对小猫烤蛋糕的分析和实践的基础上，指导学生从Scratch情境转移到教科书中的顺序结构的案例——计算圆的面积，分析“小猫烤饼”和“计算圆的面积”之间的共同要素：两者都按从上到下的顺序执行，没有跳跃。教师通过小猫烤蛋糕的例子引出教科书中计算圆的面积的例子，介绍如何对序列结构编码（图4）。

学生已经知道了计算圆的面积的数学方法，但是如何用计算机解决这个问题呢？计算其面积需要两个条件：半径R和计算面积的公式。根据前面的例子，学生可以考虑使用计算机编程计算圆面积的步骤。步骤1，分析问题并确定算法和数据结构：计算面积需要将Pi;和半径联系在一起，然后使用圆形面积的公式（S=Pi;times;rtimes;r）完成计算；步骤2，算法描述：参考烤蛋糕的流程图描述如何计算圆形面积；步骤3，根据流程图和调试程序编写C语言程序（图4）代码。

4）独立设计，培养学生的计算思维

通过以上编程学习，教师在课堂上或课后为学生在练习时间安排一些与序列结构相关的编程作业。学生用Scratch完成编程，在此过程中要求学生独立设计。

5）在网络中分享Scratch作品并做总结

学生可以将他们的Scratch作品上传到Scratch网站上，供所有人交流。教师指导学生总结他们在计算机实践过程中应该注意的序列结构编程中的经验和问题，以加强学生的编程学习。

图4

Ⅴ.结论

本文以高中编程中基本的控制结构，序列结构为例，讨论了基于Scratch的编程情境教学模式。该模式在教学中引入Scratch，为相关编程知识创设生动情境。其目的是激发学生的编程学习兴趣，然后引导学生在情境中学习，并在理解概念内容后最终回归传统的编程环境。我们研究的后续工作，将完善高中编程中其他重要知识的教学设计。通过对高中生编程能力培养模式的研究，希望该研究可以为类似的教学研究提供一定的参考，丰富高中算法编程的教学模式。

参考文献

[1] The Ministry of Education. Ordinary high school technology curriculum standard, Beijing, peoples education press, 2003.

[2] ChenWeiPing. Information technology in the teaching reflective learning ability training study - 'algorithm and the design program' module, for example. journal of zhejiang normal universit

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