基于計算思維的高中信息技術(shù)課堂教學(xué)設(shè)計與實踐研究
——以App Inventor為例

馬莉

（珠海市斗門區(qū)和風(fēng)中學(xué)，廣東珠海 519000）

在高中程序設(shè)計的課堂教學(xué)過程中，筆者困惑于一旦不給學(xué)生提供程序流程圖，大部分學(xué)生就不能完成課程目標(biāo)。直到筆者看到中華人民共和國教育部制定的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）一書中提到高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四個核心要素組成。其中關(guān)于“計算思維”的解讀是指個體運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動[1]。

App Inventor是一款谷歌公司開發(fā)的手機編程軟件,它是一個完全在線開發(fā)的Android編程環(huán)境，拋棄復(fù)雜的程式代碼而使用積木式的堆疊法來完成Android程式，這一特征尤其適合應(yīng)用在中學(xué)信息技術(shù)的編程教學(xué)中。而目前計算思維的研究缺乏實踐性的研究，在課堂環(huán)境中鮮有落實[2]，因此筆者將研究重點放在基于培養(yǎng)學(xué)生計算思維的高中信息技術(shù)課堂教學(xué)設(shè)計與實踐。

一、計算思維的內(nèi)涵及其研究現(xiàn)狀

自2006年卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)的周以真教授提出“計算思維”的概念之后，計算思維便在世界信息技術(shù)領(lǐng)域掀起了研究熱潮。目前關(guān)于計算思維概念的界定有問題解決說、系統(tǒng)說、過程說、活動及方法說、工具說幾個方面[3]，其中問題解決說在業(yè)界得到的共識比較高，我國《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》也是將計算思維的落腳點放在解決問題上，認為“計算思維是指個體運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思想活動”。因此，將解決問題作為計算思維的核心要求是符合高中信息技術(shù)教學(xué)的實際的，本研究在教學(xué)活動的設(shè)計上也是基于問題解決而展開。

二、研究方法

1.文獻研究法

2.歸納演繹法

通過分析、比較、抽象等方法，在已有學(xué)者的研究基礎(chǔ)上提出基于培養(yǎng)學(xué)生計算思維的高中信息技術(shù)課堂教學(xué)設(shè)計模型。

3.問卷調(diào)查法

課前的問卷調(diào)查幫助筆者了解高一新生的信息技術(shù)學(xué)習(xí)現(xiàn)狀與學(xué)習(xí)心理，為后續(xù)教學(xué)設(shè)計提供了參考，對于教學(xué)起點的定位十分重要。

4.觀察法

教師在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中充當(dāng)觀察者的角色，為教學(xué)實施提供豐富的個案研究，也可以對單個學(xué)生做出更加準(zhǔn)確的評價。

“表達差異”又可細分為近義詞、詞義擴大(可以根據(jù)語境具體化)、詞義增加(表示強調(diào))、詞義相對(譯者用了相反的思維來翻譯術(shù)語)、使用相對的普通詞?！罢Z法差異”又可細分為定語修飾(不同形式的定語)、定語修飾(介詞不同)、名詞性術(shù)語譯成句子、從句、動詞短語、介詞短語、名詞術(shù)語譯成現(xiàn)在分詞、名詞術(shù)語譯成形容詞或過去分詞作定語。

5.訪談法

課后教師與個別學(xué)生的訪談，可以讓筆者聽到學(xué)生最直接的感受與想法，深入探索學(xué)生計算思維學(xué)習(xí)的歷程，為后續(xù)教學(xué)改進提供一手的資料。

三、App Inventor與高中信息技術(shù)編程教學(xué)的契合點研究

App Inventor是一款快速開發(fā)移動應(yīng)用的設(shè)計工具，它提供了基于web的圖形用戶界面設(shè)計工具，編程部分則是將語言塊像玩拼圖游戲一樣拼接在一起。App Inventor基于網(wǎng)頁開發(fā)的特點使得它不需要投入更多的教育經(jīng)費，因而在教育領(lǐng)域可以進行廣泛的應(yīng)用。它可視化的編程模式大大降低了編程的難度，對學(xué)習(xí)者計算機編程的基礎(chǔ)要求不高，這些都和我校學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀十分契合。近年來，谷歌為了推進App Inventor的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，借助App Inventor培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，在全國多個地區(qū)舉辦中小學(xué)教師培訓(xùn)，同時組織過多屆中小學(xué)生的競賽，得到了國內(nèi)眾多教師和學(xué)生的積極響應(yīng)，因此筆者相信應(yīng)用App Inventor在編程教育中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維是可行的。

四、研究流程

圖1 基于計算思維的課程架構(gòu)

App Inventor是快速開發(fā)移動應(yīng)用的設(shè)計工具，它結(jié)合教育功能，把程序設(shè)計的思想通過代碼塊的拼接實現(xiàn)，它的這一特征尤其適合應(yīng)用在中學(xué)信息技術(shù)的課堂教學(xué)中。我校也開設(shè)了這門課程。我的課程整體設(shè)計是每節(jié)課讓學(xué)生在一個小任務(wù)的驅(qū)動下學(xué)習(xí)，不斷完善程序設(shè)計的相關(guān)知識。學(xué)生在開始的幾節(jié)課里學(xué)習(xí)興趣濃厚，積極參與，進步很大，課堂任務(wù)完成效率比較高。我以為學(xué)生的程序設(shè)計能力有了一定的基礎(chǔ)，在后面一節(jié)課《貪吃球》的教學(xué)過程中，我把之前既定的教學(xué)環(huán)節(jié)“參照程序流程圖編寫程序”故意刪掉了，看看學(xué)生能不能自己設(shè)計程序并實現(xiàn)，結(jié)果令我大跌眼鏡，只有幾位學(xué)生能夠獨立完成，并且耗時很久，而大部分學(xué)生無法實現(xiàn)編程。課下我努力反思，怎么少了一個流程圖學(xué)生就做不出來了呢？

在2017版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出，計算思維是學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科需要具備的核心素養(yǎng)之一，如果學(xué)生缺乏這項能力，就無法在信息活動中采用計算機處理問題的方式形成解決問題的方案。

本研究的課堂教學(xué)設(shè)計選擇了ADDLE教學(xué)設(shè)計模型[4]，它體現(xiàn)了科學(xué)的教學(xué)設(shè)計流程：1）學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)內(nèi)容分析；2）設(shè)計教學(xué)的策略與活動；3）制定詳細的課程實施方案，開發(fā)課程教學(xué)所需要的材料；4）實施和開展教學(xué)活動；5）進行教學(xué)評價。ADDLE教學(xué)設(shè)計模式如下圖所示：

圖2 ADDLE教學(xué)模式流程圖

李藝教授嘗試把學(xué)科核心素養(yǎng)細化為三層架構(gòu)，最底層是“雙基層”，以基礎(chǔ)知識和基本技能為核心；中間層是“問題解決層”，以解決問題過程中所獲得的基本方法為核心；頂層是“計算思維層”，指在系統(tǒng)的學(xué)科學(xué)習(xí)中通過體驗、認識及內(nèi)化等過程逐步形成相對穩(wěn)定的思考問題、解決問題的思維方法和價值[5]。筆者認為這個三層架構(gòu)凸顯了計算思維的核心本質(zhì)——問題解決，能夠很好地被遷移到計算思維的課程架構(gòu)中，但筆者做出了相應(yīng)的修改，李藝教授原架構(gòu)圖是三層柱狀圖，筆者將其修改為三層錐狀圖，旨在突出下層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性以及上層架構(gòu)的升華性，更能凸顯計算思維習(xí)得的指向。如下圖所示：

圖3 基于計算思維的課程架構(gòu)

筆者在上面生成的基于計算思維的課程架構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了教學(xué)設(shè)計模型，如下圖4所示。

圖4 基于培養(yǎng)學(xué)生計算思維的高中信息技術(shù)課堂教學(xué)設(shè)計模型

雙基層的教學(xué)活動以教師的講授和學(xué)生的體驗為主，教學(xué)內(nèi)容主要是App Inventor中組件及其屬性的應(yīng)用和內(nèi)置塊的調(diào)用，設(shè)計意圖是通過老師的介紹讓學(xué)生對App Inventor的操作盡快地熟悉起來，掌握組件的設(shè)計，是整個學(xué)習(xí)的最基礎(chǔ)階段。

問題解決層中教學(xué)活動的設(shè)計主要是基于協(xié)作與探究的任務(wù)式學(xué)習(xí)，教學(xué)內(nèi)容涉及順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、變量、列表、過程這些知識點，設(shè)計意圖是讓學(xué)生在每節(jié)課的任務(wù)中掌握App Inventor程序設(shè)計的核心編程思想，在學(xué)生解決問題的過程中逐漸培養(yǎng)學(xué)生在建模、分解、抽象等方面的計算思維，是整個學(xué)習(xí)的重要階段。

計算思維層的教學(xué)活動設(shè)計主要是基于探究與創(chuàng)新學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動依托項目展開，設(shè)計目的是強化學(xué)生編程中分解、抽象、概括以及評價等方面的計算思維，最終目的是學(xué)生能夠利用已有知識解決新的問題。值得一提的是在本模型中，計算思維并不是在頂層“計算思維層”中習(xí)得的，計算思維的培養(yǎng)與習(xí)得在第二層中早有體現(xiàn)，在頂層中得到了升華與遷移。在頂層所體現(xiàn)的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)是計算思維的最高級目標(biāo)——利用計算機解決問題的過程與方法，遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中。項目學(xué)習(xí)會給學(xué)生提供一個探究與創(chuàng)新的舞臺，在完成項目的過程中學(xué)生的計算思維應(yīng)該能夠得到不同程度的提高。

教學(xué)設(shè)計的注意事項：

1.雙基層強調(diào)體驗，教師講授是盡量選擇組件設(shè)計豐富，編程易于實現(xiàn)的案例。一方面讓學(xué)生快速熟悉組件及其屬性設(shè)置，另一方面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，樹立學(xué)生的編程信心，這點對筆者所在這類學(xué)校還是很有必要的。

2.問題解決層強調(diào)引導(dǎo)，每節(jié)課選取的學(xué)習(xí)任務(wù)要有針對性，教師對程序的算法教學(xué)可以借助流程圖展開，但不能讓學(xué)生依賴流程圖編程。教學(xué)的推行要從教師創(chuàng)建流程圖逐步過渡到學(xué)生創(chuàng)建流程圖，教學(xué)設(shè)計需要將計算思維的抽象、分解、迭代、遞歸、邏輯等內(nèi)容以難度漸進的梯度分散到每節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容中。教師的課堂評價和反饋必不可少，教師適當(dāng)?shù)母深A(yù)和啟發(fā)對于學(xué)生計算思維的習(xí)得至關(guān)重要。

3.項目的選題需要由教師把關(guān)，項目學(xué)習(xí)前期設(shè)計與規(guī)劃對于項目能否有效開展起決定性作用，這個環(huán)節(jié)少不了教師的監(jiān)督與指導(dǎo)，項目進行過程中教師還可以轉(zhuǎn)變成參與觀察者，對單獨學(xué)生計算思維的習(xí)得情況進行質(zhì)性評價，在評價過程中教師亦能反思問題解決層教學(xué)中的得與失。

五、課程教學(xué)實踐

(一)學(xué)習(xí)者分析

筆者任教于珠海郊區(qū)的一所農(nóng)村高中，過半生源都來自于農(nóng)村家庭，學(xué)生中考排位區(qū)段在珠海市的七千名之后，不論是學(xué)習(xí)成績還是學(xué)習(xí)習(xí)慣都差強人意。因此，即使新教材已然落地，但也不是完全適用于我校學(xué)生，筆者和科組同仁必須以學(xué)生為主體，探究更加適合我校學(xué)生的課程及其教學(xué)設(shè)計。

在開學(xué)伊始，筆者設(shè)計了一份針對高一新生的問卷調(diào)查，見附錄1。問卷調(diào)查的結(jié)果顯示，92.5%的學(xué)生對計算思維一無所知，79.8%的學(xué)生不能夠用計算思維解決數(shù)學(xué)問題，“和同學(xué)一起合作”是學(xué)生最喜歡的信息技術(shù)學(xué)科學(xué)習(xí)方式，占總比例50.3%，其次是“老師邊講，我們邊做”，學(xué)習(xí)信息技術(shù)最大的困難是“沒有興趣，不喜歡學(xué)”，占總比例的41.7%，其次是“沒有養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣”。

綜上所述，學(xué)生對計算思維的認識基本空白，運用計算思維解決問題的能力有待培養(yǎng)，對信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)很大程度上依賴興趣，這對教師的教學(xué)設(shè)計提出了極高的要求。

（二）研究的落實

本研究在珠海市斗門區(qū)和風(fēng)中學(xué)2018級高一新生中筆者任教的8個班級中展開。學(xué)生通過15個課時，完成App Inventor課程的學(xué)習(xí)。在學(xué)生自我評價表中，我們發(fā)現(xiàn)在完成本課程的學(xué)習(xí)之后，學(xué)生對程序語言設(shè)計中有很好的認知，在項目實施過程中能夠?qū)θ蝿?wù)進行分解，采用計算思維形成解決問題的方案，與此同時，學(xué)生在團隊合作、批判性思考等方面也大有進步。

課下筆者選擇了幾位學(xué)生進行訪談，主要涉及在項目中表現(xiàn)非常積極的學(xué)生，在項目學(xué)習(xí)中表現(xiàn)不積極的學(xué)生和愛提問的學(xué)生這三類。筆者設(shè)計的訪談問題關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀體驗和感受，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難以及對課程的看法。訪談中無論基礎(chǔ)好壞的學(xué)生都表示自己在編程方面收獲很大，也能認識到計算思維在編程中的重要作用，并且能夠運用計算思維解決課堂問題，學(xué)生對課程和教師整體都持肯定態(tài)度。

由于目前我國高中信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域沒有權(quán)威的關(guān)于學(xué)生計算思維的評價量表，所以本研究主要采用質(zhì)的研究方法，并沒有量化的數(shù)據(jù)進行教學(xué)前后以及實驗組、對照組的數(shù)據(jù)對比，筆者也期望今后能夠完善這部分研究。

六、結(jié)束語

綜上所述，筆者提出的基于培養(yǎng)學(xué)生計算思維的高中信息技術(shù)課堂教學(xué)設(shè)計模型在高中信息技術(shù)課堂教學(xué)中具有很強的操作性，通過本模型的實施，確實能夠有效地提高學(xué)生的計算思維，讓學(xué)生學(xué)會運用編程的思維去解決問題。同時，筆者認為本模型具有很強的遷移性，它不僅適用于App Inventor的課堂教學(xué)，也同樣適用于其他的編程工具的教學(xué)，可以給一線教師提供參考和借鑒。