Computational Thinking With Scratch

緒論：

本課程所要探究的課程內容，是如何藉由Scratch的教學，進而培養學生的運算思維(Computational Thinking)能力。2016~2020資訊總藍圖規劃，運算思維(computational thinking)成為課程發展的一項重要綱領。雖然，運算思維所要強調發展，並非僅止於程式編輯一項，反而更是一個解決問題的思維發展模式。但是，在資訊教育的課程發展中，利用程式編輯的學習經驗，是足以作為培養學生發展運算思維的媒介工具。

Inside這篇文章曾經提到：曾任 TripAdvisor 軟體工程師、現任 LinkedIn 資深軟體工程師的 Yevgeniy Brikman 在其個人部落格發表「Don't learn to code. Learn to think.」一文，認為這股鼓吹大家學習寫程式的風潮有點誤導大眾，他認為大家在學習寫程式的同時，更重要的是學習電腦科學的思維模式。

MIT Media Lab 團隊的計劃執行長 Mitch Resnick 在TED演講中也說：重點並非是要將所有年輕人培訓成程式設計師，而是透過學習程式語言，開拓更寬廣的學習途徑。「當你學會閱讀，你便能藉著閱讀學習更多知識，程式設計也是一樣的道理；如果你會撰寫程式，你能透過程式語言學習到的事物將更為多樣。」學寫程式就是在學習創意思考、有系統的推論、和團隊合作，而這些技能不僅在各專業領域都受用無窮，更是生活中不可或缺的能力。

運算思維(Computational Thinking)

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授因提出並倡導「計算思維」(Computational Thinking) 而享譽計算機科學界。她在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》雜誌上給出並定義計算思維（Computational Thinking）。周教授認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、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。在她看來，「計算思維是一種普適思維方法和基本技能，所有人都應該積極學習並使用，而非僅限於計算機科學家。」

綜合上述，運算思維就是問題的解決策略，使用電腦、人或兩者都可以理解的方式來呈現問題的解決方案。（BBC：Introduction to computational thinking），蓋可分為下列部分：(參考：兒童程式設計 KidsCoding)

1. 問題分解（Decomposition）：
   breaking down a complex problem or system into smaller, more manageable parts.
   將複雜的問題或系統分解成更小、更易於管理的問題；進而能夠更容易理解與處理、維護。
2. 模式識別（Pattern Recognition）：
   looking for similarities among and within problems.
   為了讓解決問題更有效率，將每個小問題分別檢視，思考之前是否有解過類似的問題；比對問題、模式。
3. 抽象（Abstraction）：
   focusing on the important information only, ignoring irrelevant detail.
   只注意重要的細節，忽略不相關的資訊；
4. 演算法（Algorithms ）：
   developing a step-by-step solution to the problem, or the rules to follow to solve the problem.
   設計簡單的步驟或規則來解決每個小問題。

• 運算思惟其實一點也不神祕（上集）、演算法也有不神祕的一面（下集）。
• 什麼是運算思維？如何培養運算思維？
• 「教師運算思維推動計畫」研習紀錄1/3(Day 1)、
  「教師運算思維推動計畫」研習紀錄2/3(Day 2)、
  「教師運算思維推動計畫」研習紀錄3/3(Day 3)。
• 教育部 運算思維推動計畫。
• Bebras 國際運算思維挑戰賽。
• 走进计算性思维——Jeannette M.Wing教授的精彩分享。

利用知識管理進行運算思維的實務開展！

知識管理（KM，Knowledge Management）是網路時代的新興管理方法，管理學者彼得·杜拉克 (Peter F. Drucker) 早在一九六五年即預言：「知識將取代土地、勞動、資本與機器設備，成為最重要的生產因素。」受到1990年代的信息化（資訊化）蓬勃發展，知識管理的觀念結合網際網絡建構入口網站、資料庫以及應用電腦軟體系統等工具，成為組織累積知識財富，創造更多競爭力的新世紀利器。

所謂知識管理的定義為：在組織中建構一個人文與科技兼備的知識系統，讓組織中的資訊與知識，透過獲得、記錄、存取(分析)、更新、整合、創造、分享等過程，達到知識不斷創新的最終目的，並回饋到知識系統內，個人與組織的知識得以永不間斷的累積，從系統的角度進行思考這將成為組織的智慧資本。

知識管理是在於接受外界新的資訊後，利用知識管理的步驟：認知 、規劃、試點、推廣、制度化。將資訊轉變成為有效、科學的方法，透過有系統、有組織的策略，將知識轉化為經驗，經驗培養為能力。如果知識管理是人類社會的智慧生產模式，那麼運算思維則是生產過程的思維酵素。

• 維基百科：知識管理、
• 百度百科：知識管理、
• MBA智庫網百科：知識管理。

在 ScratchED 網站中對於Scratch 學習運算思維的定義：(1) computational concepts, (2) computational practices, and (3) computational perspectives。從程式編輯的角度，正是：(1)程式設計概念 (Concepts)；(2)程式設計技巧 (Practices)；(3)程式設計觀點 (Perspectives)。

Scratch是一種具有物件概念的積木式程式語言，透過角色、行為與時間的不同搭配方法，藉由使用迴圈、條件和變數的程式編輯觀念來完成指派的行為動作或任務。

接下來將進入本課程探討的焦點，如何利用 Scratch 培養運算思維 (Computational Thinking)?

我們將從 ScratchEd 這些資訊教育專家所設計的 Scratch 課程，讓學生在實作中，學會運算思維。基於上述對於Scratch 學習運算思維的定義，我們將更深入探討關於定義中：概念 (Concepts)、實踐(Practices)、觀點 (Perspectives)，所發散出來的教學策略與學習技巧。

運算的概念 (Concepts)~程式設計概念

1. 序列（sequence）：對某一個任務，確定一系列的步驟 。
2. 迴圈（loops）：重複執行相同的序列。
3. 平行（parallelism）：在同一時間讓許多事同時發生。
4. 事件（events）：一件事引發另一件事的發生。
5. 條件（conditionals）：根據條件做決定。
6. 運算子（operators）：支援數學與邏輯的表達。
7. 資料（data）：儲存資料、讀取資料與更新資料。

實踐作法 (Practices)~程式設計技巧

1. 反覆地增加（being iteratively and incrementally）：發展了一點點，試試看，然後再發展一些
2. 測試與除錯（testing and debugging）：確保事情能執行，發現錯誤並解決問題
3. 重複使用與混合（reusing and remixing）：在現有的專案或想法上做點什麼
4. 抽象與模組化（abstracting and modularizing）：探索整個問題與其他部分的連結

建立觀點 (Perspectives)~程式設計觀點

1. 表達（expressing）：了解「電腦運算」是一種創作的媒介，「我可以創造」
2. 連接（connecting）：體認到「與他人一起創造」和「為他人創造」的力量，「當我有機會接觸他人，我可以做不一樣的事！」
3. 質疑（questioning）：有能力對世界提出問題，「我可以（運用電腦運算）提問，並理解（電腦運算）世界！」

PS. 資料參考來源：

1. 蔡淑玲老師 Coding for Fun
2. 橘子蘋果 程式設計學苑。
3. 创意计算: Chinese Translation of the Creative Computing Curriculum Guide

說明：

ScratchED(http://scratched.gse.harvard.edu/) 是一個專門為 Scratch 教學者建立的線上社群，所有關於 Scratch 的教育工作者皆可以在這裡分享自己的資源，並取的相關的協助。

補充資源：

• 计算思维：编程教育的价值追求。
• 蔡淑玲老師：Coding for Fun。
• 人人都該學程式設計。
• Scratch-TW。
• 橘子蘋果 程式設計學苑：「橘子蘋果開放教材」。

• 陳弈學老師：「Scratch2.0 程式積木 X 機器人」。

ScratchJr (http://www.scratchjr.org/) 是一款適合5~7歲孩子學習編程的應用軟體，讓幼兒（5-7歲）創建自己的互動故事和遊戲。孩子圖形程式模塊的不同組合，可以使人物移動，跳躍，舞蹈，唱歌。孩子們可以藉由編輯文字，添加自己的聲音，甚至將自己的照片，然後利用程式使他們成為動態的角色。ScratchJr的靈感來自流行的程式設計語言（MIT Scratch），在世界各地已有數以百萬計的學生（8歲及以上）使用。透過 scratchjr，開發團隊重新設計了介面和程式設計語言，使它們適合較年幼的孩子，精心設計符合幼兒認知、個人、社會、和情感的發展特點。scratchjr 在 iPad 和 Android 平板電腦上已經提供免費的應用APP。關於ScratchJr的更多資訊，請連結http://scratchjr.org 官方網站。

ScratchJr 與 Scratch 不同之處在於，它更加生動，更加吸引使用平板電腦和智慧型手機的滑世代孩子。MIT 的Mitchel Resnick教授提道：我們想要讓孩子們不僅僅把平板電腦用作一個消費和瀏覽的工具。Mitchel Resnick教授是麻省理工大學媒體實驗室Lifelong Kindergarten的負責人，他們和塔夫斯大學的研究人員，以及蒙特利爾的Playful Invention公司一起開發了這款應用。

Resnick教授強調，雖然SratchJr非常精簡，但是它還是保留了最基本的電腦概念，比如事件、序列、以及反覆運算等這些Scratch程式設計的核心概念。

兒童程式設計 KidsCoding：適合5-7歲孩子的程式工具-ScratchJr

1. Save：Save the current project and exit to the Home page.
   儲存：保存並退出返回主畫面。
   
2. Stage：This is where the action takes place in the project. To delete a character, press and hold it.
   舞台區：程式主畫面，移動角色，如要删除請按住角色。
   
3. Presentation Mode：Expand the stage to the full screen.
   全螢幕顯示。
   
4. Grid：Toggle on (and off) the x-y coordinate grid.
   網格模式：打開、關閉（xy）座標網格。
   
5. Change Background：Select or create a background image for the stage.
   選擇或創建背景。
   
6. Add Text：Write titles and labels on the stage.
   舞臺上添加文字。
   
7. Reset Characters：Reset all characters to their starting positions on the stage. (Drag characters to set up new starting positions.)
   重置角色在舞臺上的起始位置。（拖動角色來設定新的起始位置）。
   
8. Green Flag：Start all programming scripts that begin with a "Start on Green Flag" block by tapping here.
   綠旗：按下綠旗「開始執行」。
   
9. Pages：Select among the pages in your project — or tap the plus sign to add a new page. Each page has its own set of characters and a background. To delete a page, press and hold it. To reorder pages, drag them to new positions.
   頁面：點擊“+”以添加新頁。每一頁有自己的角色和背景。要删除一個頁面，長按。重新排序，直接拖動到新的位置。
   
10. Project Information：Change the title of the project, see when the project was created, and share the project (if supported by your device).
    專案(主題)資訊：修改標題、查看項目資訊，分享。
    
11. Undo and Redo：If you make a mistake, tap Undo to go back in time, reversing the last action. Tap Redo to reverse the last Undo.
    回覆或重作：如果要撤銷操作，返回上一步；如果要取消回覆，按重做撤銷動作。
    
12. Programming Script：Snap blocks together to make a programming script, telling the character what to do. Tap anywhere on a script to make it run. To delete a block or script, drag it outside the programming area. To copy a block or script from one character to another, drag it onto the character's thumbnail.
    程式設計腳本：將各個程式積木塊組合在一起形成一個腳本，積木塊可以透過拖入、拖出來快速增删程式的執行命令。
    
13. Programming Area：This is where you connect programming blocks to create scripts, telling the character what to do.
    程式設計區：放置程式設計腳本區域。
    
14. Blocks Palette：This is the menu of programming blocks. Drag a block into the programming area, then tap on it to see what it does.
    程式設計塊選單，可選擇直接拖動到程式設計區。
    
15. Block Categories：This is where you can select a category of programming blocks: Triggering Blocks (Yellow), Motion (Blue), Looks (Purple), Sounds (Green), Control (Orange), End Blocks (Red).
    程式塊分類：【觸發（黃色），動作（藍），外觀（紫色），聲音（綠色），控制（橙色），結束（紅色）。】
    
16. Characters：Select among the characters in your project — or tap the plus sign to add a new one. Once a character is selected, you can edit its scripts, tap its name to rename it, or tap the paintbrush to edit its image. To delete a character, press and hold it. To copy a character to another page, drag it to the page thumbnail.
    角色：一次選擇一個角色進行編輯，點擊畫筆修改角色，長按删除，拖動角色到其他頁面實現複製。

ScratchJr 官方線上學習手冊

1. Undo：Reverses the most recent change.
   撤銷：回覆到上一個步驟。
   
2. Redo：Reverses the most recent Undo.
   重做：取消回覆。
   
3. Shape：Choose a shape to draw: line, circle/ellipse, rectangle, or triangle.
   畫筆樣式(形狀)：選擇一個形狀來畫：線，圓/橢圓，長方形，或三角形。
   
4. Character Name：Edit the name of the character.
   角色名稱：編輯角色名稱。
   
5. Cut：After selecting the Cut tool, you can tap a character or shape to remove it from the canvas.
   剪下 ：選擇剪下可以點擊一個字元或形狀，從畫布上删除它。
   
6. Duplicate：After selecting the Duplicate tool, you can tap a character or shape to create a copy of it.
   複製：圖章複製工具，選擇工具後點擊一個角色來複製。
   
7. Rotate：After selecting the Rotate tool, you can rotate a character or shape around its center.
   旋轉角色：選定一個角色後，可以讓它繞著圖案中心旋轉。
   
8. Drag：After selecting the Drag tool, you can drag a character or shape on the canvas. If you tap on a shape, you can then edit the shape by dragging the dots that appear.
   移動：選擇移動工具後，可以移動畫布上的字元或形狀.。如果按一下形狀，則可以通過拖動出現的點來編輯形狀.。
   
9. Save：Save changes and leave the Paint Editor.
   保存：保存並離開編輯器。
   
10. Fill：After selecting the Fill tool, you can tap any section of a character or shape to fill it with the currently selected color.
    填充：在選擇填充工具後，您可以使用現時選定的顏色填充角色或形狀來的任何部分。
    
11. Camera：After selecting the Camera tool, you can tap any section of a character or shape, and then tap the camera button to fill the section with a new photo taken with the camera.
    相機：選擇相機工具，然後點擊角色或者形狀的一部分，點擊相機按鈕，用拍攝的圖片來填充，很有意思哦 ！
    
12. Color：Select a new color to use for drawing and filling in shapes.
    顏色選擇區。
    
13. Line Width：Change the width of the lines in the shapes you are drawing.
    線條粗細：改變線條寬度。
    

官方說明手冊。

ScratchJr的積木模塊區分為：事件(觸發)指令、動作指令、外觀積木、聲音積木、控制積木、結束積木。以積木的顏色區分。

1. 事件指令：黃色積木。
   綠旗啟動、點擊角色啟動、角色碰觸啟動、訊息啟動、發送訊息。
   
2. 動作指令：藍色積木。
   向右移動、向左移動、向上移動、向下移動、順時針轉動(每次30°)、逆時針轉動(每次30°)、向上跳、回到起始位置。
   
3. 外觀積木：粉紅色積木。
   說(話)、變大、變小、隱藏角色、角色出現。
   
4. 聲音積木：綠色積木。
   播放POP聲、播放錄音。
   
5. 控制積木：橙色積木。
   等待時間(1表示0.1秒)、停止程式、改變角色的動作速度、重複執行。
   
6. 結束積木：紅色積木。
   結束、一直循環、切換至頁面...

更多內容請詳見 簡單學 ScratchJr 入門 或 官網積木塊說明！

Scratch是由MIT(美國麻省理工學院)所研發的兒童程式編輯工具，透過電子積木的形式，增加了學習過程的樂趣，讓學生從樂趣中體驗程式編輯的思維模式，亦是目前最為廣泛應用於教學現場的應用工具。

Scratch的開發目的：在讓程式設計語言初學者不需先學習語言語法便能設計產品。開發者期望通過學習Scratch，啟發和激勵用戶在愉快的環境下經由操作（如設計互動故事）去學習程式設計、數學和計算知識，同時獲得創造性的思考，邏輯編程，和協同工作的體驗。(維基百科)

更多 Scratch或程式編程課程的資源，如下列表：

1. SCRATCH-TW 。
2. 十四個自學Scratch 最完整的公益開放課程 。
3. 宜蘭縣教師課程數位學習平台 。
4. 兒童程式設計 KidsCoding。

關於Scratch與運算思維除了前述的探討之外，在 ScratchEd 討論區上，Natalie Rusk 在 2017/1/5日分享了一份PDF。標題是Computational Concepts Supported in Scratch (2017) ，介紹了Scratch 與運算思維（程式設計）相關的概念、解釋與積木範例。台灣方毓賢老師亦分享了中文 PDF 檔。中文亦可參考：Scratch與運算思維(Computational Thinking)這篇文章。

對於在台灣或使用繁體中文的初學Scratch學生，或者是準備開始進行Scratch教學的教師，我們非常建議您從 SCRATCH-TW 作為學習Scratch的入口，同時追蹤 Scratch-TW 粉絲專頁訊息或加入 S4A社團參與討論。

Scratch 除了可以直接進行線上的編輯與應用，也可以透過離線下載 Scratch 2.0 離線版( https://scratch.mit.edu/scratch2download/ )做為程式編輯平台。

注意：下載Scratch離線版安裝檔後，依指示安裝即可，過程中會要求安裝〔Adobe AIR〕，請按【確定】即可安裝完成。