自然之韵代码之美：用Scratch创作参数化艺术树

自然之韵，代码之美：用Scratch创作参数化艺术树一、教学内容分析从《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》审视，本课隶属于第三学段（56年级）“过程与控制”与“身边的算法”模块，是图形化编程向抽象逻辑思维过渡的关键节点。知识技能图谱上，其核心在于理解“参数”作为控制变量在程序中的作用，并初步接触“递归”或“重复执行+变量变化”的算法思想，这是在掌握顺序、循环结构后，迈向更复杂逻辑构建的阶梯。过程方法路径上，本课将“计算思维”具体化为“分解”（将树分解为树干、树枝、树叶）、“模式识别”（发现树枝生长的重复规律）、“抽象”（用少数参数控制树的形态）和“算法设计”（编写生成树木的程序）的完整探究循环。素养价值渗透方面，超越了单纯代码编写，指向“数字化学习与创新”素养——通过将自然之美转化为数字逻辑，学生能体验用理性思维创造感性艺术的过程，培养对数学规律之美的感知与运用信息技术进行创意表达的综合能力。基于“以学定教”原则进行学情诊断：五年级学生已具备Scratch基本操作与简单循环结构的已有基础，对绘画和自然主题有浓厚兴趣。然而，主要障碍在于从“模仿脚本”到“设计算法”的思维跃迁，以及将具象的、连续的树木生长现象抽象为离散的、参数化的编程逻辑。部分学生可能陷入对角色造型的过度修饰，而忽略背后的程序逻辑。因此，过程评估设计需贯穿始终：通过课堂观察学生拆解问题的思路、提问“你是如何想到用这个变量来控制大小的？”，以及分析其任务单上的算法草图，动态把握思维进程。教学调适策略上，为思维领先者提供“递归”概念的探索通道与更复杂的参数交互挑战；为需要支持的学生提供“积木块拼图”式半成品程序、分步骤视频指引以及同伴协作的“编程伙伴”角色，确保每个学生都能在“最近发展区”内获得成功体验。二、教学目标阐述知识目标：学生能理解“参数”（如树干长度、分枝角度、递归深度）在程序中对图形输出结果的决定性作用，能解释主要变量与树形态特征（如茂密程度、伸展方向）之间的因果关系，并能在新情境中迁移应用“重复执行+变量变化”的模型来生成分形图案。能力目标：学生能够通过观察、分解自然物体，自主设计出用有限参数控制复杂图形生成的算法流程图；在Scratch环境中，熟练运用“画笔”模块、带变量的循环及消息广播等指令，调试并实现一个能响应参数变化的、多样化的树木生成程序。情感态度与价值观目标：在将自然之美转化为代码逻辑的过程中，学生能体验到严谨逻辑与艺术创意融合的乐趣，增强运用数字工具进行创新表达的自信心；在分享与欣赏彼此“参数森林”时，培养尊重多元创作、乐于分享见解的数字公民素养。科学（学科）思维目标：重点发展“计算思维”中的模式抽象与算法建模能力。通过“如何用最少的变量描述一棵无限可能的树”这一核心问题链，引导学生经历从具体现象中抽取关键特征、建立数学模型（参数集），并将其转化为可执行代码的完整思维训练。评价与元认知目标：学生能够依据清晰性、多样性、创意性等维度，使用简易量规对个人及同伴的程序作品进行评价；能通过撰写“我的编程思维日志”，回顾算法设计中的关键决策与调试过程，反思“哪些参数带来了最惊喜的变化”，从而提升对自身学习策略的监控与调节能力。三、教学重点与难点析出教学重点：建立“参数”控制图形生成的思维模型，并运用“重复执行”与“变量”结合的策略实现分形树的绘制。其确立依据源于课标对“过程与控制”核心概念的强调，即理解输入（参数）通过特定规则（算法）影响输出（图形）的过程。此思维模型是理解更复杂自动化控制与算法设计的基础，是培养学生计算思维从具体操作走向抽象设计的关键枢纽。教学难点：将具象的、连续的树木生长结构，抽象为离散的、可被参数和循环逻辑描述的算法。难点成因在于学生需克服具象思维惯性，进行双重抽象：一是将视觉上的“树”分解为可重复的“生长单元”；二是用变量（如长度衰减系数、分枝角度）来量化描述生长规则。常见表现为学生绘制的“树”过于规则僵化，或无法理清递归调用中变量传递的逻辑。突破方向在于提供丰富的视觉化分解动画与“思维脚手架”，如分步生长的慢动作图示和半成品代码框架。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式课件（呈现树木分形生长动画、关键概念可视化）、Scratch范例程序库（包含基础版、进阶版树木生成器）、差异化学习任务单（A/B/C三版）。1.2环境与资源：多媒体网络教室，确保每生一机；Scratch3.0在线环境或离线版；作品分享平台（如班级ScratchStudio）。2.学生准备2.1经验准备：观察生活中不同树木的形态，思考“如果让你用几句话告诉机器人怎么画一棵树，你会怎么说？”2.2课堂物料：笔记本（用于绘制算法草图）、编程记录卡。五、教学过程第一、导入环节（5分钟）1.情境创设与认知冲突：“同学们，课前让大家观察了身边的树。现在，我们来看一段快镜头下树木生长的视频，感受生命绽放的韵律。（播放动态视频）但如果我们想在Scratch的画布上‘种’出这样一棵充满生命感的树，该怎么办？一笔一笔画吗？那太慢了，而且只能得到一幅静止的画。”1.1核心问题提出：“我们能否创造一位‘数字园丁’，只需告诉它几个简单的‘密码’——比如树干多粗、树枝分叉的角度、想长多茂盛——它就能瞬间为我们创造出形态各异的树，甚至是一片森林呢？”1.2路径明晰与旧知唤醒：“今天，我们就化身算法设计师，探索‘参数化艺术’的奥秘。我们将借助我们已经熟悉的‘画笔’和‘重复执行’，再加上一个新的法宝——‘变量’，来解开这个创造的密码。想想看，我们之前用循环画正多边形时，改变‘边长’和‘旋转角度’，就能画出不同的形状，这其实就是最简单的参数思想。今天，我们要把这个想法玩得更酷！”第二、新授环节（30分钟）任务一：解构一棵树——从形态观察到模式提取教师活动：首先展示松树、柳树、榕树等对比鲜明的图片，引导学生观察。“找找看，这些树在结构上有没有共同的‘秘密’？是不是都可以看作一根主干，分出若干侧枝，侧枝再分出更细的枝桠？”随后，聚焦一棵树，用动画将其生长过程逐级分解、高亮显示。“大家看，从主干到一级枝、二级枝…这个生长动作是不是在重复？但每次重复时，枝干的长度和角度在发生什么变化？”引出关键思考：“如果我们把‘画一根树枝并旋转一定角度准备画下一枝’这个动作看作一个积木块，那么画整棵树，就是多次使用这个积木块，但每次传入的‘长度’和‘角度’参数可以不同。”学生活动：观察图片与动画，参与讨论，尝试用语言描述树木生长的重复性规律。在任务单的树状结构图上，标注出他们认为重复出现的“生长单元”。尝试用自然语言描述：“先画一根树干，然后向左转一点画一根短一点的树枝，再回到原来位置向右转一点画另一根短树枝…”即时评价标准：1.能否从多样树木实例中识别出“分叉重复”的普遍结构模式。2.描述生长规律时，是否能关注到“长度变短”、“角度变化”这两个关键维度。3.在任务单上的标注是否清晰，能否将整体分解为可重复的部分。形成知识、思维、方法清单：★分解思维：将复杂物体（树）分解为基本组成部分（树干、树枝）和基本动作（画线、旋转）。★模式识别：发现自然界中许多复杂结构由简单规则的重复、变形构成。▲参数初步感知：意识到可以用“长度”、“角度”等数值来控制每一次重复动作的具体表现。任务二：搭建主干的“生长单元”——“画分枝”脚本雏形教师活动：“现在，我们把想法变成代码。首先，我们创造一个‘画分枝’的积木块。”教师演示：1.定义新积木“画分枝”，并添加两个参数：“长度”和“角度”。2.在积木定义中，放入“画笔落笔”、“移动（长度）步”、“画笔抬笔”组合。提问：“这样就能画一根树枝了，但画完后，‘画笔’（也就是我们的角色）在树枝末端‘卡住’了，怎么让它返回到开始分叉的位置，以便画下一个分枝呢？”引导学生回忆“坐标”概念，或引入“画笔图章”与“角色移动返回”两种策略的对比。“想想看，哪种方法更方便我们后续不断地、嵌套地调用这个积木块本身？”学生活动：跟随教师演示，在Scratch中创建带参数的“画分枝”积木。思考并尝试解决画笔返回起点的问题。一部分学生可能尝试用“移动（长度）步”退回，另一部分可能尝试使用“图章”复制角色造型。通过对比，理解“返回起点”对于实现递归或循环嵌套的重要性。即时评价标准：1.能否成功创建带参数的“自定义积木”。2.能否理解“画笔位置状态”对连续作画的影响。3.在讨论返回策略时，能否提出合理方案或理解教师提供的方案。形成知识、思维、方法清单：★自定义积木与参数：学习创建可重复使用的功能模块，并通过参数使其灵活可变。★状态管理：在编程中，尤其是涉及绘图和位置时，必须关注并管理好角色的状态（如坐标、方向、画笔起落）。▲两种返回策略：“移动返回”精确但需记录状态；“图章”不改变角色位置，适用于当前场景，但限制了动态绘制。教师提示：“这里我们选择‘移动返回’，为后面的神奇操作铺路。”任务三：让树“生长”起来——循环与变量的初次结合教师活动：“我们的‘画分枝’积木已经能画单根树枝了。现在，如何让它自动画出一层漂亮的枝桠？”教师展示一个“魔法”脚本：在“当绿旗被点击”下，设置好初始位置和方向，然后使用重复执行4次“画分枝（长度，角度）”、“右转（90度）”。让同学们先预测结果，再运行。“看，一个‘十字’形的枝桠出现了！但这不是树，这只是树的‘一层楼’。怎么让树枝变短呢？”引出核心：“如果我们希望每画完一枝，下一枝的长度自动变短一点，该怎么办？”演示引入“变量”‘当前长度’，并在循环体内每次画完后执行“将【当前长度】增加（5）”。“大家运行看看，现在像什么了？是不是有点从中心向外辐射生长的感觉了？这离我们的树又近了一步！”学生活动：模仿并实践教师演示的脚本。观察“重复执行”固定角度旋转画出的图案。体验引入变量控制长度递减后，图案发生的变化。尝试修改“重复次数”、“初始长度”、“长度递减量”和“旋转角度”，观察生成图形的多样性，并记录下自己喜欢的一组参数。即时评价标准：1.能否正确搭建循环结构调用自定义积木。2.能否理解变量“当前长度”在循环中动态递减的作用。3.能否通过调节参数，主动探索生成不同的平面放射状图案。形成知识、思维、方法清单：★循环结构应用：使用重复执行来自动化重复的绘图动作。★变量作为状态记录器：变量‘当前长度’在循环过程中值不断变化，实现了“生长衰减”的效果。★参数化艺术：通过调整几个数值参数，可以生成一系列相关的、但形态各异的图形。教师提示：“这就是我们‘数字园丁’的魔力开关！”任务四：实现“树的递归”——嵌套调用与深度控制教师活动：这是突破难点的关键步骤。“刚才我们画的是平面的、一层‘骨架’。真正的树是立体的、有层次的，树枝上还会再长树枝。怎么实现？”暂停一下，用比喻引导：“想象我们的‘画分枝’积木是一个会画树枝，并且在树枝末端留下了一颗‘魔法种子’的机器人。如果我们修改这个积木，让它在画完一根树枝后，命令那颗‘魔法种子’立刻就地再执行一次‘画分枝’，但长度更短、方向偏左一点，会怎样？”教师演示修改“画分枝”积木的定义：在画完树枝并移动到末端后，左转一个角度，然后再次调用“画分枝”自己（传入更小的长度）；调用完后，再右转回另一个角度，再次调用自己。“注意，为了避免无限循环，我们需要一个停止条件，比如‘当长度小于5就停止’。”这个过程可能需慢速讲解两遍。“同学们，这就是编程中一个非常有趣的思想——‘递归’，自己调用自己。别怕，我们一步步来。”学生活动：此阶段需要高度集中。学生跟随教师一步步修改“画分枝”积木，理解“自我调用”产生的爆炸性效果——从一根主干自动生长出多层次的分枝。重点关注停止条件的设置，避免程序陷入死循环。调试过程中，观察不同“角度”参数对树整体形态（是挺拔还是舒展）的影响。即时评价标准：1.能否理解在自定义积木内部调用自身（递归）的逻辑。2.能否正确设置停止条件（如判断长度），防止无限递归。3.能否通过调整递归调用前的左、右转角参数，改变树的伸展形态。形成知识、思维、方法清单：★★递归思想初探：理解函数或过程通过调用自身来解决问题的一种方法，适用于具有自相似结构的问题。这是本节课的思维高峰。★停止条件（基线条件）：递归必须有一个明确的终止条件，否则会导致无限循环和程序崩溃。★角度参数控制形态：递归调用前旋转的角度，决定了树的分枝是聚拢还是散开，是生成松树还是柳树感觉的关键。任务五：装扮我的树——个性化创意拓展......：“我们的算法树已经拥有了‘骨架’，现在让我们赋予它‘血肉’和‘个性’。”提供多种创意方向供学生选择：1.随机之美：引入“在...和...之间取随机数”积木，将分枝角度、长度衰减量甚至递归深度部分随机化，创造更自然的树。2.多彩之树：在“画分枝”积木中，根据“当前长度”或递归深度，用“将画笔颜色设置为…”命令，实现树干到枝梢的颜色渐变。3.季节之树：通过“如果…那么”判断，在树枝末端（长度很小时）绘制不同造型的“树叶”（如圆形图章，或换成树叶造型）。“大家可以选一个最感兴趣的点来尝试，让你们的树独一无二！”学生活动：根据个人兴趣和能力，选择至少一个创意方向进行实践。探索随机数带来的自然效果，调试颜色变化值，或设计简单的树叶添加逻辑。此阶段是差异化体现最明显的地方，学生将在各自层次上进行创造性编码。即时评价标准：1.能否将新的创意（随机、颜色、树叶）合理地整合到已有的递归框架中。2.调试过程中体现出的耐心与问题解决策略。3.最终作品的创意性与完整性。形成知识、思维、方法清单：▲随机性的应用：引入随机数可以打破程序的完全确定性，模拟自然界的无序与变化，增加作品的生动性。▲条件判断丰富逻辑：使用“如果…那么”根据条件（如树枝长度）执行不同操作（如画树叶），使程序逻辑更智能。▲跨学科联系：将艺术（色彩、造型）与数学（随机、参数）通过编程有机结合，是数字创意表达的典范。第三、当堂巩固训练（8分钟）设计核心：构建分层、变式训练体系，并提供及时反馈。1.基础层（全体尝试）：“请调整你的树的核心参数（初始长度、角度、衰减系数），分别创作出一棵‘挺拔的松树’和一棵‘垂落的柳树’，并截图保存。”目标：巩固对主要参数功能的理解。2.综合层（大多数学生挑战）：“尝试使用‘当按下空格键’事件，让你当前的树在画布上‘生长’出来（即动态绘制过程），而不是瞬间出现。”提示：可以考虑使用“重复执行直到”或“广播”来逐步绘制。目标：综合运用事件与循环控制，实现动态可视化效果。3.挑战层（学有余力者探索）：“能否修改算法，创作一片由两三棵参数不同的树组成的‘微型森林’？思考如何高效管理多棵树的初始化位置和参数。”目标：引导项目规划与代码复用思维。反馈机制：学生完成基础层任务后，同桌之间互相展示两幅截图，并用一句话说明哪个参数起了关键作用。教师巡视，选取有代表性的综合层和挑战层作品进行投屏展示，邀请作者简要分享思路（“你是怎么想到用这个办法来实现动态生长的？”），并进行针对性点评。第四、课堂小结（5分钟）设计核心：引导学生进行结构化总结与元认知反思。知识整合：“同学们，今天我们经历了一场从自然到代码的奇妙旅行。谁能用一句话概括，我们是如何创造这片‘数字森林’的？”引导学生说出核心：“我们用参数控制，通过递归（或重复嵌套）的算法，模拟了树木的生长规律。”邀请一位学生在白板上绘制简易的思维导图，中心是“参数化树”，分支包括：核心思想（分解、模式、参数、递归）、关键积木（自定义积木、变量、循环、条件）、创意拓展（随机、颜色、动态）。方法提炼：“回顾整个过程，当我们面对‘画一棵多变的树’这个复杂问题时，我们首先做了什么？（分解）然后找到了什么？（重复模式）接着用什么工具来量化这个模式？（参数与变量）最后如何让它自动生成？（递归/循环算法）这就是计算思维在解决问题时的强大力量。”作业布置：“今天的旅程暂告一段落，但创意不止。课后，请完成：必做作业——完善你的参数化树程序，并撰写一段‘程序员日志’，记录下你最满意的一组参数和它们产生的效果。选做作业（二选一）——1.探索用类似的方法创作一朵‘参数化雪花’或‘科赫曲线’。2.为你的树增加一个交互功能，比如让用户通过键盘输入数字来实时改变树的形态。期待下节课的‘数字奇观’展览！”六、作业设计1.基础性作业（必做）：完善课堂上的参数化树程序，确保它能稳定运行并生成至少两种不同形态的树（如松树、柳树）。在编程平台或笔记本上，用文字或截图标注出程序中对应以下功能的部分：(a)控制树大小的参数；(b)控制树枝分叉角度的参数；(c)使生长停止的条件。并撰写约100字的“我的编程心得”，描述调试过程中遇到的一个小问题及解决方法。2.拓展性作业（鼓励大多数学生完成）：创设一个名为“四季的树”的微型项目。要求程序能够通过切换不同角色（如点击“春”、“夏”、“秋”、“冬”按钮），调用同一套“画树”核心算法，但通过改变传入的参数（如初始长度、分枝角度）和添加不同的装饰效果（如春天的粉色花苞图章、秋天的黄色/红色落叶飘落循环动画），呈现出不同季节的树木风貌。重点考察对核心算法的复用与参数化的深度理解。3.探究性/创造性作业（学有余力者选做）：挑战“参数化森林生态系统”设计。不仅要生成多棵形态、大小、位置各异的树，还可以考虑：①为树木设置“生长阶段”变量，模拟树从小到大的动态过程（可能需要用到“克隆”技术）。②引入简单的“阳光”或“水源”变量，探索不同参数下树木生长的“茂盛”程度差异（如水源充足则递归深度增加）。本作业鼓励写成简短的项目报告，阐述设计思路与算法逻辑。七、本节知识清单及拓展★核心概念1.参数（Parameter）：在编程中，指传递给函数、过程或积木块的值，用于控制其执行的具体行为。在本课中，“长度”、“角度”是核心参数，它们像指令的“调料”，决定了树的形态。教学提示：可类比为菜谱中的“食盐少许”，少许是多少？由参数决定。2.变量（Variable）：用于存储和表示可变数据的命名容器。本课的“当前长度”变量，在循环或递归过程中值不断递减，实现了树枝由粗到细的自然过渡。教学提示：变量就像一个贴有标签的盒子，里面的内容可以随时更换。3.自定义积木（MyBlocks）：Scratch中允许用户将一系列脚本封装成一个新积木的功能。它提高了代码的可读性和复用性，是本课实现复杂算法的结构性基础。教学提示：这是创建你自己的“编程工具包”的第一步。4.递归（Recursion）：一种函数或过程通过调用自身来解决问题的方法。它特别适用于解决可以被分解为多个相似的、规模更小的子问题的情况，如树木分枝、分形图形。教学提示：理解递归的关键是找到“自相似性”和“停止条件”。★关键技能与思维5.分解（Deposition）：计算思维的第一步，将复杂问题（画一棵树）拆解为更小、更易管理的部分（画主干、画分枝、画树叶）。教学提示：面对任何复杂任务，第一反应应该是“我能把它分成几步？”6.模式识别（PatternRecognition）：在分解后的部分中，寻找重复出现的规律或结构。本课中，识别出“树枝分叉”这一动作的重复性。教学提示：这是发现算法可能性的“眼睛”。7.抽象（Abstraction）：忽略不必要的细节，提取出问题的本质特征，并用模型（参数集）表示。本课中，用“长度”、“角度”、“深度”几个数字抽象了一棵树的无限形态。教学提示：抽象是连接具体世界与数字世界的桥梁。8.算法设计（AlgorithmDesign）：设计一系列明确的、可执行的步骤来解决问题。本课算法核心是：“重复执行【画线旋转长度减少】直至满足条件”。教学提示：算法是解决问题的“食谱”，步骤必须清晰无歧义。▲重要原理与应用9.分形（Fractal）：指在任意尺度下都包含自相似结构的几何形状。树木、海岸线、雪花都是自然界的分形。本课创作的树是一种简单的分形图形。教学提示：可以向学生展示更复杂的分形图（如曼德博集），感受数学之美。10.画笔状态管理：在Scratch绘图中，需时刻关注角色的坐标、方向以及画笔的起落状态。错误的狀態管理会导致绘图混乱。教学提示：“抬笔”移动是“走路”，“落笔”移动是“画画”。11.条件判断（分支结构）：使用“如果…那么”等积木，让程序根据不同条件执行不同操作。本课用于停止递归和添加树叶。教学提示：让程序有了“思考”和“选择”的能力。12.随机性的妙用：在确定性的算法中引入“在…和…之间取随机数”，可以极大地增加生成结果的多样性和自然感，避免呆板。教学提示：一点“随机”就像生活中的小意外，让作品更鲜活。●拓展联系13.与数学的联系：本课深度涉及几何（角度、坐标）、代数（变量）、数列（长度递减数列）和分形几何知识。教学提示：编程是验证和可视化数学概念的绝佳工具。14.与科学的联系：模拟树木生长涉及植物学中分枝模式（如单轴分枝、合轴分枝）的简化建模，是科学计算可视化的雏形。教学提示：鼓励学生观察真实植物的分枝角度，与程序参数进行对比。15.与艺术的联系：参数化艺术是数字艺术的重要分支，通过算法生成视觉作品。本课是学生接触生成艺术（GenerativeArt）的起点。教学提示：艺术不仅是感性的挥洒，也可以是理性规则的优雅呈现。16.调试（Debugging）策略：当程序未按预期运行时，采用的方法：①检查参数值是否合理；②使用“说”积木输出关键变量值；③分模块测试（如先测试“画分枝”积木本身）。教学提示：调试不是失败，是程序员工作的常态，是发现宝藏的过程。八、教学反思（一）教学目标达成度分析。本节课的核心目标是建立“参数化生成”的思维模型。从巩固训练与作业反馈来看，约80%的学生能清晰指出程序中的关键参数并解释其作用，能独立调整出两种以上树形，表明知识目标基本达成。能力目标上，学生在“任务五”的创意拓展中表现出显著差异，约60%的学生能成功集成至少一项新功能（如颜色渐变），展现了较好的算法应用与迁移能力；但有部分学生在递归逻辑的理解上仍停留在模仿层面，需在后续课程中通过更简化的分形案例（如画楼梯）反复强化。情感目标在课堂氛围和作品分享环节得到充分体现，学生为自己创造的“数字生命”感到兴奋，有效提升了学习信息科技的内部动机。（二）教学环节有效性评估。导入环节的视频与设问成功创设了认知冲突，激发了探究欲。新授环节的五个任务形成了较为合理的认知阶梯。“任务一”到“任务三”的铺垫扎实，为突破“任务四”的递归难点提供了必要支撑。然而，在实践中发现，“任务四”的思维跨度对部分学生依然过大。尽管使用了比喻和慢速演示，仍有约三分之一的学生在独立编写时出现逻辑混乱。这提示我，未来在此处可插入一个更直观的物理模拟活动，如让学生扮演“画笔角色”，另一位学生扮演“指挥官”，用口头指令模拟递归调用的过程，