基于App Inventor的高中生計(jì)算思維能力培養(yǎng)初探

□劉 增

基于App Inventor的高中生計(jì)算思維能力培養(yǎng)初探

□劉 增

文章總結(jié)了當(dāng)前高中信息技術(shù)教育中普遍面臨的三大問(wèn)題，并通過(guò)對(duì)比信息素養(yǎng)與“計(jì)算思維”的異同，指出了培養(yǎng)計(jì)算思維能力的必要性。同時(shí)基于App Inventor的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，初步探索了在信息技術(shù)課堂中培養(yǎng)計(jì)算思維能力的教學(xué)實(shí)踐。

計(jì)算思維；App Inventor；高中信息技術(shù)；《魅力校園》教學(xué)實(shí)踐

我國(guó)中小學(xué)信息技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代，到現(xiàn)在已有三十余年的發(fā)展歷史。從總體上來(lái)看，由最初的計(jì)算機(jī)選修課試驗(yàn)到信息技術(shù)必修課，主要經(jīng)歷了五大發(fā)展階段，總體培養(yǎng)趨勢(shì)如下：文化論→技術(shù)論→文化素養(yǎng)論（信息素養(yǎng)）?；仡櫲嗄甑陌l(fā)展歷史可知，信息技術(shù)課程的培養(yǎng)目標(biāo)緊隨著社會(huì)發(fā)展需求在不斷地更新和改變，我國(guó)處在“信息素養(yǎng)”培養(yǎng)階段已經(jīng)有十余年。在新的時(shí)代要求下，我們有必要探索更凸顯計(jì)算機(jī)科學(xué)本質(zhì)，利于教師、學(xué)生發(fā)展需要的新方向。

一、當(dāng)前高中信息技術(shù)課程面臨的問(wèn)題

筆者結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐及對(duì)當(dāng)前教育現(xiàn)狀的文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高中信息技術(shù)教學(xué)主要面臨以下幾個(gè)問(wèn)題：

1.課堂乏味、無(wú)趣

當(dāng)前信息技術(shù)課堂慣用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，甚至有的課堂過(guò)度采取單一的任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式，導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程變得機(jī)械無(wú)趣。在課堂上，學(xué)生只想玩電腦而不是想學(xué)習(xí)信息技術(shù)，因而不利于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性，也難以提升其創(chuàng)新能力。

2.偏重于“工具論”教學(xué)

在教學(xué)實(shí)踐中，教師普遍將引導(dǎo)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)及基本操作技能作為課堂教學(xué)的重心，由此導(dǎo)致信息技術(shù)課堂淪為“工具論”的操作演練課，忽視了讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)本質(zhì)概念解釋技術(shù)工具背后的通用原理。

3.課程內(nèi)容重合

當(dāng)前，高中信息技術(shù)教材版本有十余種，且在較大程度上與初中甚至小學(xué)內(nèi)容重合，削弱了教材在教學(xué)實(shí)踐中的參考作用。筆者擬結(jié)合自身信息技術(shù)課堂教學(xué)實(shí)踐，關(guān)注前兩個(gè)問(wèn)題，嘗試解決如下問(wèn)題：其一，如何對(duì)教學(xué)內(nèi)容及實(shí)施進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以激發(fā)學(xué)生的興趣、提升創(chuàng)新力；其二，如何使學(xué)生學(xué)會(huì)抽象出計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心概念及通用原理，并把它用于解釋類似的情境和解決問(wèn)題的能力。

二、信息技術(shù)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的必要性

信息素養(yǎng)的內(nèi)涵主要包含4個(gè)層次：信息知識(shí)、信息能力、信息意識(shí)和信息倫理道德。信息知識(shí)指利用信息技術(shù)獲取、拓展信息的能力；信息能力是信息素養(yǎng)的核心，指利用信息以及達(dá)成特定目的的能力；信息意識(shí)指對(duì)信息的敏感性及對(duì)信息行為的積極態(tài)度；信息倫理道德指在獲取、利用、加工和傳播信息過(guò)程中必須遵守的倫理規(guī)范和道德準(zhǔn)則。

計(jì)算思維（Computational Thinking）這一概念是美國(guó)周以真（Jeannette M.Wing）教授于2006年3月在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志Communications of the ACM上提出的計(jì)算思維：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)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。

筆者認(rèn)為，可從3個(gè)層次來(lái)認(rèn)識(shí)計(jì)算思維：首先，計(jì)算思維是一個(gè)關(guān)乎計(jì)算機(jī)科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)思維的基礎(chǔ)性概念，培養(yǎng)計(jì)算思維能力有利于理解計(jì)算機(jī)科學(xué)的原理。其次，計(jì)算思維能力是21世紀(jì)人類都應(yīng)該具備的一種基本技能，與理論思維和實(shí)驗(yàn)思維同屬于科學(xué)思維，它能為高效解決生活實(shí)踐中所遇到的問(wèn)題和解釋生活現(xiàn)象提供新的方法、思路。再次，計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念發(fā)現(xiàn)事物的共性規(guī)律，并思考其是否能自動(dòng)化解決。

對(duì)比上述“信息素養(yǎng)”和“計(jì)算思維”，不難發(fā)現(xiàn)信息素養(yǎng)和計(jì)算思維的相似之處在于：兩者都可以通過(guò)培養(yǎng)而習(xí)得，均與計(jì)算機(jī)科學(xué)有關(guān)，并且都注重能力的內(nèi)化。同時(shí)，兩者存在本質(zhì)區(qū)別：信息素養(yǎng)是一個(gè)更上位的概念，注重的是基于計(jì)算機(jī)工具本身來(lái)應(yīng)用和滿足自身需求的能力，強(qiáng)調(diào)知識(shí)性、技能性和應(yīng)用性；計(jì)算思維則更強(qiáng)調(diào)運(yùn)用如“抽象” “分治” “模塊化” “迭代” “糾錯(cuò)”等思維能力來(lái)對(duì)實(shí)際情境與問(wèn)題進(jìn)行求解、設(shè)計(jì)和行為理解，是以一種新的思維方式來(lái)觀察、思考客觀世界與計(jì)算世界之間的關(guān)聯(lián)，是信息素養(yǎng)的更高階段。其中，將一個(gè)大規(guī)模的問(wèn)題分解為幾個(gè)規(guī)模較小的子問(wèn)題，叫作“分治”；將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)自頂向下逐層劃分成若干獨(dú)立、便于管理的過(guò)程，叫作“模塊化”。對(duì)某種操作重復(fù)執(zhí)行，每次執(zhí)行時(shí)從結(jié)果數(shù)據(jù)的一組原值推出它的一組新值，這叫“迭代”，對(duì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因進(jìn)行排查，叫作“糾錯(cuò)”。

正是由于計(jì)算思維具備信息素養(yǎng)不可替代的價(jià)值，是所有人不可或缺的基本科學(xué)思維方式，不難預(yù)見信息技術(shù)課程教育朝向計(jì)算思維培養(yǎng)將是一個(gè)必然趨勢(shì)。

三、基于App Inventor的計(jì)算思維能力培養(yǎng)

App Inventor（后文簡(jiǎn)寫為AI）是一款由Google公司開發(fā)的基于Android系統(tǒng)的手機(jī)編程工具，其口號(hào)是“隨身的編程工具，盡情發(fā)明吧”（Your idea，Your design，Your apps，Invent Now），并于2012年交由麻省理工學(xué)院負(fù)責(zé)教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究。其開發(fā)模式及測(cè)試流程主要包含3個(gè)部分：①設(shè)計(jì)界面（Designer），通過(guò)拖拉組件的形式完成界面設(shè)計(jì)；②塊編輯界面（Blocks），通過(guò)拉拽、拼圖的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各組件間的行為事件，實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)（見圖1）。③模擬器（Android Emulator），主要用來(lái)進(jìn)行測(cè)試。AI因其具備如下特征而成為在高中信息技術(shù)課程中培養(yǎng)計(jì)算思維能力的有效工具：

圖1 App Inventor模塊編輯界面

（1）可視化。AI的界面設(shè)計(jì)和代碼編寫均采用可視化的形式呈現(xiàn)，可視化的操作界面能夠極大地激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣和探究欲。

（2）零編程基礎(chǔ)。AI模塊編輯視圖中的模塊都已經(jīng)封裝了代碼，只需要按照學(xué)習(xí)者的創(chuàng)意直接拖拽模塊即可完成編程（見圖1），輕松、簡(jiǎn)單，極大地降低了對(duì)實(shí)際編碼能力的要求。

（3）開發(fā)周期短。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，AI讓任何人在幾分鐘之內(nèi)完成一個(gè)屬于自己的App開發(fā)成為可能。正如App Inventor項(xiàng)目帶頭人Harold Abelson教授所說(shuō)，App Inventor編寫的應(yīng)用程序或許不是很完美，但它們卻是普通人都能做的，而且通常是在幾分鐘內(nèi)就可完成的。

因此，將AI應(yīng)用于信息技術(shù)課堂教學(xué)，有助于最大限度地激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)意，改變當(dāng)前高中信息技術(shù)乏味、無(wú)趣的現(xiàn)狀。同時(shí)，基于AI所設(shè)計(jì)的案例學(xué)習(xí)體驗(yàn)計(jì)算思維“抽象” “模塊化”等核心概念，使學(xué)生在問(wèn)題解決過(guò)程中提升計(jì)算思維能力。

四、基于App Inventor培養(yǎng)計(jì)算思維能力的“魅力校園”教學(xué)實(shí)踐

1.設(shè)計(jì)理念

“魅力校園”App類似智能手機(jī)上的相冊(cè)應(yīng)用，其中有下一張、上一張、第一張和最后一張這四個(gè)按鈕，用戶按下相應(yīng)的按鈕后，將顯示對(duì)應(yīng)的圖片（為簡(jiǎn)便計(jì)只選用了3張圖片）。該教學(xué)實(shí)踐即以制作“魅力校園”App作為主線，來(lái)實(shí)施粵教版 《信息技術(shù)基礎(chǔ)》（必修）第四章“編制計(jì)算機(jī)程序解決問(wèn)題的過(guò)程”教學(xué)內(nèi)容，滲透“抽象”“模塊化” “糾錯(cuò)”等計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

2.教學(xué)目標(biāo)

（1）知識(shí)與技能。能說(shuō)出編制計(jì)算機(jī)程序解決問(wèn)題的一般過(guò)程；初步掌握“抽象” “模塊化”及“糾錯(cuò)”等計(jì)算思維能力。

（2）過(guò)程與方法。通過(guò)制作“魅力校園”App案例，初步掌握基于App Inventor編制應(yīng)用程序的基本方法。

（3）情感、態(tài)度與價(jià)值觀?；贏pp Inventor編制程序，體驗(yàn)解決問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的樂(lè)趣；體會(huì)運(yùn)用計(jì)算思維能力解決問(wèn)題的技巧及優(yōu)勢(shì)。

3.教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

（1）教學(xué)重點(diǎn)。剖析“魅力校園”App案例，掌握編制計(jì)算機(jī)程序解決問(wèn)題的過(guò)程。

（2）教學(xué)難點(diǎn)。提煉并初步應(yīng)用案例中所蘊(yùn)含“抽象”“模塊化”及“糾錯(cuò)”等計(jì)算思維能力來(lái)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。

4.教學(xué)過(guò)程

首先，教師從生活出發(fā)，創(chuàng)設(shè)情境，引出要解決的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和求知欲。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，教師則作為輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生抽象地分析、表達(dá)要解決的問(wèn)題，通過(guò)圖片的存儲(chǔ)與顯示，判斷當(dāng)前顯示的圖片是哪一張及切換顯示圖片。

其次，引導(dǎo)學(xué)生把大問(wèn)題分解為若干子問(wèn)題（子模塊），并逐個(gè)解決：圖片的存儲(chǔ)、從數(shù)組中提取該圖片、設(shè)置該圖片為背景圖片、記錄當(dāng)前是第幾張圖片、響應(yīng)用戶的行為。

圖2 魅力校園App案例分解后的子任務(wù)（模塊）

再次，啟發(fā)學(xué)生思考：如何區(qū)分這些任務(wù)的異同？哪些是可以重復(fù)使用的？再引導(dǎo)學(xué)生利用模塊化的方法來(lái)將各子模塊功能實(shí)現(xiàn)，最后將它們集成在一起。學(xué)生利用App Inventor進(jìn)行編碼的結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，在不需要掌握復(fù)雜難懂的程序基礎(chǔ)的前提下，學(xué)生通過(guò)“積木式”的模塊拼接，很好地利用計(jì)算思維解決了實(shí)際問(wèn)題。

圖3 魅力校園編碼實(shí)現(xiàn)

在成果分析、評(píng)價(jià)階段，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步檢視分析，利用糾錯(cuò)思維解決App運(yùn)行后所產(chǎn)生的與預(yù)期不符合的錯(cuò)誤原因，并對(duì)上述編碼抽象提取出相同的模塊。最終簡(jiǎn)化編碼如圖4：

圖4 魅力校園編碼優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

最后，教者還可以鼓勵(lì)學(xué)生在案例上提出自己的創(chuàng)意，通過(guò)App Inventor加以實(shí)現(xiàn)，從而分享自己和小組的作品。

課后，筆者對(duì)該教學(xué)案例的實(shí)施效果進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明，學(xué)生的興趣普遍提升，同時(shí)更傾向于積極、主動(dòng)地去解決問(wèn)題。有些學(xué)生還提出了一些自己的創(chuàng)意，并希望通過(guò)教師輔導(dǎo)，利用App Inventor予以實(shí)現(xiàn)。

五、評(píng)價(jià)與總結(jié)

目前，業(yè)界對(duì)計(jì)算思維在教育實(shí)踐中的培養(yǎng)方式、原則和策略等還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，尚處在探索階段。因此，在教學(xué)中如何培養(yǎng)計(jì)算思維能力是一個(gè)必要且亟待解決的問(wèn)題。筆者針對(duì)目前高中信息技術(shù)教學(xué)所面臨的兩大問(wèn)題，基于App Inventor做了一個(gè)教學(xué)實(shí)踐嘗試，說(shuō)明App Inventor在高中信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用有助于提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。筆者認(rèn)為，要在課堂上培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，可以關(guān)注以下幾個(gè)要點(diǎn)：

1.把計(jì)算思維的核心概念整合到日常教學(xué)中，從增強(qiáng)教師自身對(duì)計(jì)算思維的理解開始，使用各種計(jì)算思維的例子和教學(xué)資源。

2.在課堂中使用計(jì)算思維的術(shù)語(yǔ)。

3.鼓勵(lì)學(xué)生批判性地檢視和使用信息。

4.讓學(xué)生學(xué)會(huì)抽象與提煉，并為他們提供機(jī)會(huì)，讓他們利用已有的知識(shí)和技巧解決新的未知問(wèn)題。

5.設(shè)計(jì)專門的計(jì)算思維培養(yǎng)活動(dòng)：任務(wù)學(xué)習(xí)型的教學(xué)設(shè)計(jì)。

本案例只涉及某幾個(gè)核心的關(guān)于計(jì)算思維能力的學(xué)習(xí)，要真正培養(yǎng)中小學(xué)生的計(jì)算思維能力，達(dá)到周以真教授所說(shuō)的計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能這一目標(biāo)還任重而道遠(yuǎn)。

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（編輯：朱澤玲）

G633.67

A

1671-0568（2016）33-0077-03

劉增，湖南省長(zhǎng)沙縣實(shí)驗(yàn)中學(xué)教師。