計(jì)算思維培養(yǎng)中的編程技術(shù)探析

黎曉芳 鄭小軍 朱育賢 莫葵鳳

摘? 要 計(jì)算思維是我國(guó)信息技術(shù)新課標(biāo)的核心內(nèi)容之一，通過(guò)編程培養(yǎng)計(jì)算思維，是各國(guó)普遍采用的重要手段?；谖墨I(xiàn)梳理和編程實(shí)踐，簡(jiǎn)要總結(jié)Scratch、App Inventor、Mixly、LOGO、Kodu和編程貓等圖形化編程工具的特點(diǎn)及使用方法，從軟件功能、學(xué)習(xí)體驗(yàn)、教學(xué)體驗(yàn)、更新速度、配套教程和資源、易用性等方面進(jìn)行對(duì)比，并且給出針對(duì)新手和熟手的推薦等級(jí)。

關(guān)鍵詞 核心素養(yǎng);計(jì)算思維;編程;信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G652? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）05-0038-03

1 前言

近年來(lái)，計(jì)算思維培養(yǎng)越來(lái)越受到信息技術(shù)教育工作者的關(guān)注。在我國(guó)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）中，計(jì)算思維成為新課程四大核心素養(yǎng)之一。那么，如何培養(yǎng)計(jì)算思維？計(jì)算思維和編程思維具有什么關(guān)系？有什么工具可以幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)編程，幫助教師更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維？

2 計(jì)算思維教育簡(jiǎn)要回顧

2006年，周以真教授提出并界定計(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)[1]。Cynthia

Selby和John Woollard提出計(jì)算思維包括算法思維（Algo-rithmic Thinking）、評(píng)估（Evaluation）、分解（Decomposi-tion）、抽象（Abstraction）、概括（Generalisation）五個(gè)要素[2]。2011年，美國(guó)將計(jì)算思維納入《CSTA K-12標(biāo)準(zhǔn)（2011修訂版）》。隨后，在英國(guó)2013年“新課程計(jì)劃”、澳大利亞2015年“新課程方案”中，計(jì)算思維成為新信息技術(shù)課程的重要內(nèi)容[3]。2017年，計(jì)算思維成為我國(guó)普通高中信息技術(shù)課程的四大學(xué)科核心素養(yǎng)之一。

3 計(jì)算思維培養(yǎng)方法

新課標(biāo)指出，計(jì)算思維包含形式化、模型化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化四個(gè)方面，通過(guò)在信息技術(shù)課程中進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)，學(xué)生能夠采用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)科方法界定問(wèn)題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù);通過(guò)判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問(wèn)題的方案;總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問(wèn)題解決中[4]。

通過(guò)對(duì)新課標(biāo)學(xué)業(yè)要求的分析可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算思維的主要培養(yǎng)目標(biāo)與編程思維的“以程序的方式來(lái)思考并通過(guò)分析概念的本質(zhì)和屬性來(lái)解決問(wèn)題的思維方式”“要求學(xué)習(xí)者了解計(jì)算機(jī)的代碼如何解釋，認(rèn)識(shí)一些基本的邏輯結(jié)構(gòu)”等目標(biāo)要求具有極大的相似性，如圖1所示。因此在實(shí)踐中，計(jì)算思維與編程思維具有很大的關(guān)聯(lián)性。編程思維能夠有效幫助學(xué)習(xí)者了解編程語(yǔ)言并設(shè)計(jì)程序的邏輯結(jié)構(gòu)，進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，從而發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維[5]。而培養(yǎng)編程思維的重要方法是編寫(xiě)程序，因此，通過(guò)采用編程工具編寫(xiě)程序，可以有效地促進(jìn)計(jì)算思維的培養(yǎng)。

4 培養(yǎng)計(jì)算思維的編程工具和平臺(tái)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)梳理可以發(fā)現(xiàn)，各國(guó)學(xué)者在對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用的編程語(yǔ)言普遍具有“低地板、高天花板”（Low Floor， High Ceiling）的特點(diǎn)[6]。也就是說(shuō)，所選擇的編程工具應(yīng)該能夠讓初學(xué)者快速入門(mén)，同時(shí)能夠擁有較高的功能，使學(xué)習(xí)者在不斷的學(xué)習(xí)進(jìn)階中使用該工具編寫(xiě)出功能更強(qiáng)、更完善的程序。另外，針對(duì)青少年，所選擇的編程工具還應(yīng)該兼具趣味性、圖形化等特點(diǎn)。圖形化的編程工具通常采用拖拽積木塊語(yǔ)言的方式進(jìn)行編程，相比復(fù)雜的文本要顯得簡(jiǎn)單很多，讓學(xué)生不用過(guò)多關(guān)注語(yǔ)法和代碼，更好地專注于編程作品的創(chuàng)作。

Scratch? Scratch是一款圖形化開(kāi)發(fā)工具，代碼開(kāi)源，可以進(jìn)行在線或離線編程。腳本指令通過(guò)搭積木的形態(tài)提供給學(xué)習(xí)者使用，界面直觀友好。動(dòng)畫(huà)和腳本編輯實(shí)時(shí)響應(yīng)，用戶可隨時(shí)點(diǎn)擊相應(yīng)指令與動(dòng)畫(huà)進(jìn)行交互，使用門(mén)檻低。目前，Scratch已推出3.0版本，采用HTML5編寫(xiě)。Scratch官網(wǎng)提供簡(jiǎn)體中文版，有案例、在線編程頁(yè)面和交流社區(qū)，針對(duì)案例還有教學(xué)課程、活動(dòng)卡片和教師手冊(cè)，學(xué)習(xí)者可以編寫(xiě)自己的動(dòng)畫(huà)、故事、程序和游戲等交互程序，并且可以把作品分享給全球的用戶。Scratch可將案例生成教案。在教師賬戶下，可為學(xué)生建立群組、賬號(hào)，管理學(xué)生的項(xiàng)目和評(píng)論內(nèi)容。Scratch有專門(mén)的測(cè)試鏈接，對(duì)作品的積木塊簡(jiǎn)潔性和正確性等進(jìn)行評(píng)分。

在官網(wǎng)注冊(cè)后，進(jìn)入編程主界面，可對(duì)角色和腳本進(jìn)行編輯。主界面的左邊是舞臺(tái)預(yù)覽區(qū)和角色編輯區(qū)，中間是程序指令區(qū)（包含腳本、造型和聲音），右邊是腳本區(qū)。設(shè)計(jì)好背景和角色后，點(diǎn)擊相應(yīng)的角色，可對(duì)該角色進(jìn)行積木編輯;在程序中拖拽出積木塊到腳本區(qū)，拼接好積木并修改好相應(yīng)的屬性和內(nèi)容后，點(diǎn)擊主頁(yè)上方的綠旗腳本開(kāi)始運(yùn)行。作品全部完成后，點(diǎn)擊右上角的“分享”按鈕，就可以把作品分享給全世界的Scratch使用者。在對(duì)積木進(jìn)行編輯時(shí)，還可以調(diào)出腳本區(qū)右側(cè)的教程。

App Inventor? App Inventor是一款開(kāi)源、圖形化在線編程平臺(tái)，可為Android系統(tǒng)手機(jī)編寫(xiě)程序，創(chuàng)建軟件應(yīng)用程序（APP）。官網(wǎng)提供教程、論壇、教學(xué)課程和資源，幫助用戶學(xué)習(xí)和使用App Inventor。打開(kāi)廣州市教育信息中心的App Inventor服務(wù)網(wǎng)站，用郵箱注冊(cè)后即可登錄進(jìn)入主界面，點(diǎn)擊左上角的“新建項(xiàng)目”選項(xiàng)卡，選擇相應(yīng)的項(xiàng)目名稱進(jìn)入設(shè)計(jì)頁(yè)面，最左邊是組件面板，中間是工作面板，右邊是組件列表和組件屬性。在組件面板中，除了基本的用戶界面、多媒體等功能外，還有傳感器等強(qiáng)硬件感測(cè)和樂(lè)高機(jī)器人控制功能。在組件面板中拖拽相應(yīng)的組件到工作面板中后，可在組件屬性中對(duì)相應(yīng)的組件進(jìn)行大小、顏色、文本、背景圖片等設(shè)置。

在設(shè)計(jì)頁(yè)面的右上角，單擊“邏輯設(shè)計(jì)”按鈕，可以進(jìn)入積木編輯頁(yè)面，程序的“代碼”只包含兩個(gè)塊，在積木編輯器打開(kāi)后，屏幕左側(cè)會(huì)有幾個(gè)選項(xiàng)，分別為“內(nèi)置塊”和“組件”。拖拽出“內(nèi)置塊”里面的積木塊，可以設(shè)置基本的功能，拖拽出“組件”中相應(yīng)的積木塊拼接到積木中，可以對(duì)組件進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)置。積木塊全部拼接完畢后，在工作面板中選擇打包為apk文件，在Android手機(jī)上安裝之后就可以調(diào)試運(yùn)行。

Mixly? Mixly是面向創(chuàng)意電子開(kāi)發(fā)的一款圖形化編程工具，基于Google Blockly核心，支持大部分Arduino硬件，第三方也可以自己制作庫(kù)文件。軟件界面簡(jiǎn)潔，支持多種語(yǔ)言，免費(fèi)開(kāi)源;更新迭代頻繁，一直在優(yōu)化;使用體驗(yàn)效果好，可以查看圖形化模塊對(duì)應(yīng)的代碼;配套教程豐富，適合12歲以上的學(xué)生學(xué)習(xí)使用。通過(guò)USB線連接主板與電腦，從官網(wǎng)下載Mixly軟件，安裝程序后，可以在電腦的設(shè)備管理器看到端口。打開(kāi)Mixly軟件主界面，可以看到主界面左邊是基礎(chǔ)模塊區(qū)和庫(kù)模塊區(qū)，中間是程序構(gòu)建區(qū)，下方是功能區(qū)和提示區(qū)。單擊“打開(kāi)”按鈕，可找到范例程序并打開(kāi)，隨后點(diǎn)擊“上傳”;使用第三方庫(kù)時(shí)，單擊“導(dǎo)入庫(kù)”，找到庫(kù)文件路徑，選擇庫(kù)文件打開(kāi)導(dǎo)入。要實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的控制，需要進(jìn)行硬件連接和程序編寫(xiě)。

1）硬件連接：將擴(kuò)展板插于主控板后，需要取出相應(yīng)模塊，用傳感器連接線將其與相應(yīng)管腳連接。

2）程序編寫(xiě)：在庫(kù)中找到對(duì)應(yīng)模塊，拖拽到程序構(gòu)建區(qū)，更改至對(duì)應(yīng)管腳，設(shè)置管腳狀態(tài)并組成程序;完成后，點(diǎn)擊“上傳”按鈕，就可以把程序燒到板上，控制擴(kuò)展板上電子元器件的活動(dòng)。

LOGO? LOGO語(yǔ)言是第一個(gè)兒童編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易用。下載并安裝好LOGO語(yǔ)言后，進(jìn)入LOGO的主界面，在命令窗口輸入簡(jiǎn)單指令，點(diǎn)擊“執(zhí)行”，可以讓海龜在畫(huà)面上跟著指令走動(dòng)，走動(dòng)的方向可以是上下左右，按照指定的角度移動(dòng)，加速或減速移動(dòng)，或讓小海龜重復(fù)執(zhí)行指令的動(dòng)作。除此之外，還可以通過(guò)指令的復(fù)雜組合和排序，創(chuàng)造出人、房子、汽車(chē)、動(dòng)物、抽象圖案等各種東西，甚至可以通過(guò)這些繪畫(huà)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)微積分。

Kodu? Kodu是面向兒童的可視化編程語(yǔ)言，可以讓孩子自己創(chuàng)造PC或XBox游戲;目前沒(méi)有中文版本，在軟件中有一些教程。下載并安裝好PC Kodu后，桌面出現(xiàn)兩個(gè)Kodu圖標(biāo)，一個(gè)是關(guān)于參數(shù)設(shè)置的選項(xiàng)卡，另一個(gè)可以進(jìn)入游戲的主界面。點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)入主界面，選擇NEW WORLD進(jìn)行新的創(chuàng)作。初學(xué)者可選擇LOAD WORLD，進(jìn)入“初級(jí)編程員”階段。進(jìn)入游戲頁(yè)面后，頁(yè)面中間是編輯區(qū)，可以對(duì)角色和場(chǎng)景進(jìn)行編輯，頁(yè)面下方是工具。要制作一個(gè)簡(jiǎn)單的游戲，可以從工具中選擇角色，放置到編輯區(qū)，設(shè)置好全部角色的相關(guān)屬性后，單擊角色的右鍵，選擇“program”可以進(jìn)入程序的“編程”頁(yè)面。Kodu的基本語(yǔ)句是“WHEN…DO…”，也就是如果想讓某一角色活動(dòng)，需要在“WHEN”里面設(shè)置基本的活動(dòng)條件，在“DO”里面設(shè)置當(dāng)執(zhí)行條件后，角色怎樣活動(dòng)。條件和活動(dòng)都是圖形化的塊，在操作時(shí)只需要單擊進(jìn)行選擇。程序設(shè)置好后，按鍵盤(pán)的“esc”鍵回到游戲頁(yè)面，再次按“esc”鍵或者點(diǎn)擊工具欄上的“play game”圖標(biāo)，就可以進(jìn)行游戲。

編程貓? 編程貓是針對(duì)中國(guó)青少年創(chuàng)建的編程平臺(tái)。平臺(tái)除了編程工具，還有一系列的課程、學(xué)習(xí)社區(qū)、虛擬教室和論壇，并且不定期舉辦各類編程比賽。平臺(tái)提供源碼編輯器、代碼島2.0和海龜編輯器三種編程工具。其中，源碼編輯器是圖形化的2D編程工具，代碼島2.0是3D的編程工具，海龜編輯器是學(xué)習(xí)Python

語(yǔ)言的編程工具，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文本編程和圖形化編程的轉(zhuǎn)換。不同的工具適合不同年齡段的學(xué)生學(xué)習(xí)，可在線編程，下載PC客戶端編程，或者下載手機(jī)版的軟件進(jìn)行編程。與編程工具相對(duì)應(yīng)的編程課程體系有圖形化編程課、Python代碼編程課、3D代碼島編程課。圖形化編程課是入門(mén)級(jí)的編程課，主旨是“讓編程像搭積木一樣簡(jiǎn)單”。Python代碼編程課是針對(duì)高考的考核科目而推出，3D代碼島編程課主張的是沉浸式學(xué)習(xí)，在游戲中學(xué)習(xí)編程知識(shí)。

目前，編程貓官網(wǎng)有很多體驗(yàn)課程，不定期在荔枝微課上免費(fèi)開(kāi)放“編程貓教師成長(zhǎng)課”。通過(guò)官網(wǎng)或者客戶端進(jìn)入源碼編輯器的編程主界面，刪除多余的角色、背景和積木;點(diǎn)擊添加素材按鈕，進(jìn)入素材商城采集素材并回到“我的素材”中添加素材，在舞臺(tái)中調(diào)整好素材的位置和大小;從積木盒子中拖出相應(yīng)的積木到編輯區(qū)按順序拼接，拼接完成后，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，就可以在舞臺(tái)中看到角色按著積木程序運(yùn)動(dòng)的情況;確定無(wú)誤后，修改作品名稱，點(diǎn)擊“保存”，再點(diǎn)擊“發(fā)布”“確認(rèn)發(fā)布”按鈕，就可以將自己的作品發(fā)布到學(xué)習(xí)社區(qū)中與他人一同分享。

六款培養(yǎng)計(jì)算思維的編程工具比較分析? 以上六款編程工具和平臺(tái)各具特色，教師可以通過(guò)圖形化編程方式培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，發(fā)展計(jì)算思維。筆者對(duì)這六款工具從軟件功能、學(xué)習(xí)體驗(yàn)、教學(xué)體驗(yàn)、更新速度、配套教程和資源、易用性等方面進(jìn)行對(duì)比，并且給出針對(duì)新手和熟手的推薦等級(jí)，供學(xué)習(xí)者和教師進(jìn)行參考，如表1所示。

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