基于可視化編程培養(yǎng)中學(xué)生的計算思維

■天津市河?xùn)|區(qū)教育中心 邱 磊 ■天津市第五十四中學(xué) 李 娟

一、培養(yǎng)計算思維的必要性

信息化改變了人類的生活方式和思維模式，圍繞科技創(chuàng)新、人才創(chuàng)新，具有計算思維也成為當(dāng)今人才所必須具備的基本素養(yǎng)之一，因此，培養(yǎng)學(xué)生具備一定的計算思維能力成為基礎(chǔ)教育的研究課題。

計算思維的概念由周以真教授于2006 年3 月首次提出。周教授認(rèn)為：計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。

我國《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，計算思維是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，是指能夠采用計算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)科方法界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)；通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案；總結(jié)利用計算機(jī)解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決過程中。具體表現(xiàn)為解決問題過程中的形式化、模型化、系統(tǒng)化、自動化。

二、培養(yǎng)計算思維所面臨的問題

（一）重技術(shù)，輕能力

程序設(shè)計課程是有效培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要課程。在課堂教學(xué)中，教師多采用一些例如VB、C語言等編程工具來完成教學(xué)內(nèi)容。為了達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，教師需要大量的時間去講解語法以及工具的使用。但是，由于課時的限制，教師將教授工具的使用作為重點(diǎn)，而缺少了讓學(xué)生自主探究、分析、創(chuàng)新、解決問題的過程，忽視了培養(yǎng)學(xué)生能力這一根本目標(biāo)。

（二）重語法，輕方法

由于大多數(shù)中學(xué)生是首次接觸程序設(shè)計，缺少編程基礎(chǔ)，程序語法的繁瑣與抽象成為阻礙中學(xué)生學(xué)習(xí)的絆腳石。而短短的四十五分鐘課堂教學(xué)，教師想辦法、找策略，忙于解決如何讓學(xué)生掌握語法的問題，顧此失彼，強(qiáng)化運(yùn)用技術(shù)解決問題這一最根本目標(biāo)只能匆匆了事，甚至無暇顧及。

（三）重結(jié)果，輕過程

信息技術(shù)課堂應(yīng)該是充滿探究、合作、創(chuàng)新、解決問題的基于項目化的新型課堂。一個完整的項目，包括發(fā)現(xiàn)、分析、探究、討論、協(xié)作、解決、完成、測試、匯報、再改善等多個環(huán)節(jié)。當(dāng)前，在信息技術(shù)課堂中，教師已經(jīng)普遍采用基于項目式、主題式的教學(xué)方式，但是，受學(xué)情及課時的限制，教師只能將整體項目簡化為技術(shù)解決、完成、測試等部分過程，而不能保證整個項目的完整性。項目中的每一個環(huán)節(jié)都有各自培養(yǎng)能力的任務(wù)及目標(biāo)，缺少某個環(huán)節(jié)，對于學(xué)生的能力培養(yǎng)就是缺失的、不完整的。

三、可視化編程帶來的有益效果

可視化編程規(guī)避了抽象繁瑣的程序語法，通過直觀的拖拽操作，像搭積木一樣，在玩的過程中構(gòu)造出程序邏輯，解決問題，完成任務(wù)。可視化編程對于培養(yǎng)中學(xué)生計算思維的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：

第二，輕操作重創(chuàng)意。得益于可視化編程其極富創(chuàng)意的操作方式，可以大大地降低編程成本。使用者的精力從編寫代碼中解放出來，將重心轉(zhuǎn)為邏輯設(shè)計和思維創(chuàng)意。并且每個可視化編程背后都有一個強(qiáng)大的精英團(tuán)隊，他們不斷地完善功能模塊，使用者不必?fù)?dān)心平臺可持續(xù)使用的問題。

第三，適合基于項目式的教學(xué)模式?？梢暬幊屉m然化繁為簡，無需使用者編寫代碼，但是麻雀雖小五臟俱全，整個項目的每個環(huán)節(jié)都必不可少，都是對學(xué)生能力的培養(yǎng)。

第四，更適用于沒有編程基礎(chǔ)的中小學(xué)基礎(chǔ)教育。提高學(xué)生信息素養(yǎng)中包含了計算思維和創(chuàng)新能力兩大培養(yǎng)目標(biāo)?？梢暬幊唐浞庋b代碼的獨(dú)特性，使其可以很好地對硬件進(jìn)行控制，將機(jī)器人和各種傳感器等創(chuàng)客硬件產(chǎn)品結(jié)合成模塊，便于教師開展創(chuàng)客教育。

四、基于可視化編程的培養(yǎng)模式

（一）計算思維培養(yǎng)模式的幾個層面

1.人機(jī)交互層面。

人機(jī)交互是指學(xué)生將生活中的問題轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可以接受的形式輸入到計算機(jī)中，通過計算機(jī)的處理，輸出解決問題。在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生在設(shè)計計算機(jī)輸入、輸出的交互過程中培養(yǎng)了計算思維。

2.抽象建模層面。

抽象建模是指學(xué)生抓住解決問題過程中的每個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵特征，通過簡化的方式降低其復(fù)雜度，變?yōu)橛嬎銠C(jī)可以處理的模型。筆者認(rèn)為抽象建模是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.功能邏輯層面。

3.3 對居家老年糖尿病患者實施健康干預(yù)需患者家屬支持 糖尿病是一種慢性疾病，治療措施不是“藥到病除”的短暫過程，而是大部分時間在醫(yī)院外自我管理［5］。對居家老年糖尿病患者的健康教育并非一次即可完成，需長期進(jìn)行。不僅患者要受教育，家屬也應(yīng)了解糖尿病患者的教育內(nèi)容。幫助患者克服因疾病的遷延而產(chǎn)生消極情緒，給予心理上的安慰和生理上的督促，使老年糖尿病患者能樹立起控制疾病發(fā)展的信心，合理生活，引導(dǎo)患者自我管理和預(yù)防保健，使生活質(zhì)量得到提高。

功能邏輯即我們通常說的計算機(jī)算法，更通俗地講，是解決問題的辦法。此層面為培養(yǎng)學(xué)生計算思維的難點(diǎn)。

（二）基于可視化編程的計算思維培養(yǎng)模式的思考

1.將“總體分解”變?yōu)椤皩訉由钊搿薄?/p>

在傳統(tǒng)的信息技術(shù)課堂教學(xué)中，教師通常采用“總體分解”達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。但是，由于學(xué)生在教師的引導(dǎo)下統(tǒng)一步調(diào)完成任務(wù)，缺少差異培養(yǎng)，學(xué)生也失去了深入探究思考的機(jī)會。可視化編程簡化了編寫代碼與學(xué)習(xí)語法的過程，只要有好的創(chuàng)意，學(xué)生通過思考算法，便可以通過拖拽功能模塊實現(xiàn)想要得到的功能。因此，教師可以先布置底層任務(wù)，讓學(xué)生發(fā)揮自己的想象力，探究思考，逐漸擴(kuò)展。在“層層深入”的教學(xué)模式下，每個學(xué)生具有不同視角，學(xué)生得以探究思考，最終實現(xiàn)自己的創(chuàng)意。

2.將“分工協(xié)作”變?yōu)椤靶〗M合作”。

在傳統(tǒng)的項目式教學(xué)模式中，教師采用分組協(xié)作教學(xué)策略，學(xué)生形成分工，共享成果，但是由于分工的不同，每個學(xué)生所涉及的環(huán)節(jié)不同，每個人對于整個項目是不完整的，學(xué)生個體對沒有涉及的環(huán)節(jié)就失去了培養(yǎng)機(jī)會，不利于學(xué)生計算思維的整體發(fā)展。可視化編程簡化了技術(shù)方案，教師在布置項目后，要求每一個學(xué)生獨(dú)立思考，再與小組其他成員交流分析，取精華去糟粕。這樣將小組協(xié)作變?yōu)樾〗M合作，每個學(xué)生都有完整的思考創(chuàng)作過程，同時在擇優(yōu)整合的過程中也學(xué)到其他同學(xué)好的方法與創(chuàng)意。

3.將“結(jié)果評價”變?yōu)椤斑^程性評價”。

在傳統(tǒng)的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式中，教師更關(guān)注于對任務(wù)結(jié)果的評價。而學(xué)生的計算思維是在不斷思索、反思、延伸、拓展中發(fā)展的。因此，“結(jié)果評價”顯然并不利于學(xué)生計算思維的發(fā)展。

教師在采用基于可視化程序教學(xué)模式中，應(yīng)當(dāng)布置開放式的任務(wù)，逐步拓展問題域，逐級提升任務(wù)難度。讓學(xué)生在完成任務(wù)的過程中自我評價，不斷反思。一個階段的任務(wù)需要在前一階段任務(wù)完成的基礎(chǔ)上形成的新思路、新方法來解決。教師允許延后結(jié)果反饋，鼓勵學(xué)生不斷地發(fā)散思維，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造性思維。

五、教學(xué)實踐的應(yīng)用

本文以基于App Inventor培養(yǎng)計算思維的教學(xué)實踐為案例，闡述基于可視化編程計算思維培養(yǎng)模式的有效性。

App Inventor是一個完全在線開發(fā)的Android編程環(huán)境。它將復(fù)雜的編程代碼轉(zhuǎn)變?yōu)榉e木式的堆疊方式，使用者僅需要根據(jù)自己的需求，完成簡單的代碼拼接程序。這是比較典型的模塊化可視化編程環(huán)境。

這里以“我是一名小畫家”項目為例，在此課程之前，學(xué)生已經(jīng)掌握了布局、畫布、點(diǎn)、線等相關(guān)組件的使用。步驟一，問題設(shè)置，教師引導(dǎo)學(xué)生分析具體問題，想一想現(xiàn)實中繪畫需要哪些步驟，需要哪些基礎(chǔ)功能，寫出需求分析；步驟二，初步抽象，根據(jù)需求利用App Inventor 平臺，合理地選擇恰當(dāng)?shù)慕M件及合理的邏輯來驗證自己的想法，并寫出流程圖；步驟三，形成，教師合理分組，要求每個組員獨(dú)立完成每個環(huán)節(jié)，包括前臺設(shè)計以及后臺邏輯等，每個環(huán)節(jié)完成后，小組討論哪個方案最合理，選出最優(yōu)方案后再進(jìn)行下一個環(huán)節(jié)；步驟四，問題疊加，教師采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生思維延伸，將問題疊加，復(fù)雜度逐級提升。在整個實驗過程中，學(xué)生思維發(fā)散、活躍，課堂氣氛活躍，符合計算思維的培養(yǎng)課堂教學(xué)的要求。

六、結(jié)語

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》指出，要在中小學(xué)實施計算機(jī)編程方面的教育。這就為基礎(chǔ)教育，尤其是信息技術(shù)教師提出了新的課題。本文充分利用可視化編程的易學(xué)易用、開發(fā)成本低、速度快等優(yōu)勢對中學(xué)生計算思維培養(yǎng)提出了一些新的方案。本文在實踐過程中，雖然面臨著實驗對象較少、時間不足等問題，但是實驗結(jié)果顯示有益效果明顯。