基于App Inventor的高中生计算思维能力培养初探

2016-02-22□刘增

新课程研究 2016年33期

关键词：计算机科学思维能力素养

□刘增

□刘增

文章总结了当前高中信息技术教育中普遍面临的三大问题，并通过对比信息素养与“计算思维”的异同，指出了培养计算思维能力的必要性。同时基于App Inventor的独特优势，初步探索了在信息技术课堂中培养计算思维能力的教学实践。

计算思维；App Inventor；高中信息技术；《魅力校园》教学实践

我国中小学信息技术起步于20世纪80年代，到现在已有三十余年的发展历史。从总体上来看，由最初的计算机选修课试验到信息技术必修课，主要经历了五大发展阶段，总体培养趋势如下：文化论→技术论→文化素养论（信息素养）。回顾三十余年的发展历史可知，信息技术课程的培养目标紧随着社会发展需求在不断地更新和改变，我国处在“信息素养”培养阶段已经有十余年。在新的时代要求下，我们有必要探索更凸显计算机科学本质，利于教师、学生发展需要的新方向。

一、当前高中信息技术课程面临的问题

笔者结合自身教学实践及对当前教育现状的文献调研发现，高中信息技术教学主要面临以下几个问题：

1.课堂乏味、无趣

当前信息技术课堂惯用任务驱动法，甚至有的课堂过度采取单一的任务驱动方式，导致教学过程变得机械无趣。在课堂上，学生只想玩电脑而不是想学习信息技术，因而不利于激发他们的学习积极性，也难以提升其创新能力。

2.偏重于“工具论”教学

在教学实践中，教师普遍将引导学生掌握计算机的基础知识及基本操作技能作为课堂教学的重心，由此导致信息技术课堂沦为“工具论”的操作演练课，忽视了让学生学会运用计算机科学本质概念解释技术工具背后的通用原理。

3.课程内容重合

当前，高中信息技术教材版本有十余种，且在较大程度上与初中甚至小学内容重合，削弱了教材在教学实践中的参考作用。笔者拟结合自身信息技术课堂教学实践，关注前两个问题，尝试解决如下问题：其一，如何对教学内容及实施进行重新设计，以激发学生的兴趣、提升创新力；其二，如何使学生学会抽象出计算机科学的核心概念及通用原理，并把它用于解释类似的情境和解决问题的能力。

二、信息技术教学培养学生计算思维能力的必要性

信息素养的内涵主要包含4个层次：信息知识、信息能力、信息意识和信息伦理道德。信息知识指利用信息技术获取、拓展信息的能力；信息能力是信息素养的核心，指利用信息以及达成特定目的的能力；信息意识指对信息的敏感性及对信息行为的积极态度；信息伦理道德指在获取、利用、加工和传播信息过程中必须遵守的伦理规范和道德准则。

计算思维（Computational Thinking）这一概念是美国周以真（Jeannette M.Wing）教授于2006年3月在美国计算机权威杂志Communications of the ACM上提出的计算思维：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。

笔者认为，可从3个层次来认识计算思维：首先，计算思维是一个关乎计算机科学本质和科学思维的基础性概念，培养计算思维能力有利于理解计算机科学的原理。其次，计算思维能力是21世纪人类都应该具备的一种基本技能，与理论思维和实验思维同属于科学思维，它能为高效解决生活实践中所遇到的问题和解释生活现象提供新的方法、思路。再次，计算思维强调运用计算机科学的基本概念发现事物的共性规律，并思考其是否能自动化解决。

对比上述“信息素养”和“计算思维”，不难发现信息素养和计算思维的相似之处在于：两者都可以通过培养而习得，均与计算机科学有关，并且都注重能力的内化。同时，两者存在本质区别：信息素养是一个更上位的概念，注重的是基于计算机工具本身来应用和满足自身需求的能力，强调知识性、技能性和应用性；计算思维则更强调运用如“抽象” “分治” “模块化” “迭代” “纠错”等思维能力来对实际情境与问题进行求解、设计和行为理解，是以一种新的思维方式来观察、思考客观世界与计算世界之间的关联，是信息素养的更高阶段。其中，将一个大规模的问题分解为几个规模较小的子问题，叫作“分治”；将一个复杂系统自顶向下逐层划分成若干独立、便于管理的过程，叫作“模块化”。对某种操作重复执行，每次执行时从结果数据的一组原值推出它的一组新值，这叫“迭代”，对产生错误的原因进行排查，叫作“纠错”。

正是由于计算思维具备信息素养不可替代的价值，是所有人不可或缺的基本科学思维方式，不难预见信息技术课程教育朝向计算思维培养将是一个必然趋势。

三、基于App Inventor的计算思维能力培养

App Inventor（后文简写为AI）是一款由Google公司开发的基于Android系统的手机编程工具，其口号是“随身的编程工具，尽情发明吧”（Your idea，Your design，Your apps，Invent Now），并于2012年交由麻省理工学院负责教育领域的应用研究。其开发模式及测试流程主要包含3个部分：①设计界面（Designer），通过拖拉组件的形式完成界面设计；②块编辑界面（Blocks），通过拉拽、拼图的方式来实现各组件间的行为事件，实现逻辑设计（见图1）。③模拟器（Android Emulator），主要用来进行测试。AI因其具备如下特征而成为在高中信息技术课程中培养计算思维能力的有效工具：

图1 App Inventor模块编辑界面

（1）可视化。AI的界面设计和代码编写均采用可视化的形式呈现，可视化的操作界面能够极大地激发学习者的兴趣和探究欲。

（2）零编程基础。AI模块编辑视图中的模块都已经封装了代码，只需要按照学习者的创意直接拖拽模块即可完成编程（见图1），轻松、简单，极大地降低了对实际编码能力的要求。

（3）开发周期短。在移动互联网时代，AI让任何人在几分钟之内完成一个属于自己的App开发成为可能。正如App Inventor项目带头人Harold Abelson教授所说，App Inventor编写的应用程序或许不是很完美，但它们却是普通人都能做的，而且通常是在几分钟内就可完成的。

因此，将AI应用于信息技术课堂教学，有助于最大限度地激发学生的兴趣和创意，改变当前高中信息技术乏味、无趣的现状。同时，基于AI所设计的案例学习体验计算思维“抽象” “模块化”等核心概念，使学生在问题解决过程中提升计算思维能力。

四、基于App Inventor培养计算思维能力的“魅力校园”教学实践

1.设计理念

“魅力校园”App类似智能手机上的相册应用，其中有下一张、上一张、第一张和最后一张这四个按钮，用户按下相应的按钮后，将显示对应的图片（为简便计只选用了3张图片）。该教学实践即以制作“魅力校园”App作为主线，来实施粤教版《信息技术基础》（必修）第四章“编制计算机程序解决问题的过程”教学内容，渗透“抽象”“模块化” “纠错”等计算思维能力的培养。

2.教学目标

（1）知识与技能。能说出编制计算机程序解决问题的一般过程；初步掌握“抽象” “模块化”及“纠错”等计算思维能力。

（2）过程与方法。通过制作“魅力校园”App案例，初步掌握基于App Inventor编制应用程序的基本方法。

（3）情感、态度与价值观。基于App Inventor编制程序，体验解决问题、实现创意的乐趣；体会运用计算思维能力解决问题的技巧及优势。

3.教学重点与难点

（1）教学重点。剖析“魅力校园”App案例，掌握编制计算机程序解决问题的过程。

（2）教学难点。提炼并初步应用案例中所蕴含“抽象”“模块化”及“纠错”等计算思维能力来解决生活中的实际问题。

4.教学过程

首先，教师从生活出发，创设情境，引出要解决的问题，激发学生学习的兴趣和求知欲。在教学过程中，学生作为学习的主体，教师则作为辅助学生学习的主导者。在教师的引导下，学生抽象地分析、表达要解决的问题，通过图片的存储与显示，判断当前显示的图片是哪一张及切换显示图片。

其次，引导学生把大问题分解为若干子问题（子模块），并逐个解决：图片的存储、从数组中提取该图片、设置该图片为背景图片、记录当前是第几张图片、响应用户的行为。

图2 魅力校园App案例分解后的子任务（模块）

再次，启发学生思考：如何区分这些任务的异同？哪些是可以重复使用的？再引导学生利用模块化的方法来将各子模块功能实现，最后将它们集成在一起。学生利用App Inventor进行编码的结果如图3所示。从图中可以看出，在不需要掌握复杂难懂的程序基础的前提下，学生通过“积木式”的模块拼接，很好地利用计算思维解决了实际问题。

图3 魅力校园编码实现

在成果分析、评价阶段，引导学生进一步检视分析，利用纠错思维解决App运行后所产生的与预期不符合的错误原因，并对上述编码抽象提取出相同的模块。最终简化编码如图4：

图4 魅力校园编码优化实现

最后，教者还可以鼓励学生在案例上提出自己的创意，通过App Inventor加以实现，从而分享自己和小组的作品。

课后，笔者对该教学案例的实施效果进行了调查，结果表明，学生的兴趣普遍提升，同时更倾向于积极、主动地去解决问题。有些学生还提出了一些自己的创意，并希望通过教师辅导，利用App Inventor予以实现。

五、评价与总结

目前，业界对计算思维在教育实践中的培养方式、原则和策略等还没有一个统一的认识，尚处在探索阶段。因此，在教学中如何培养计算思维能力是一个必要且亟待解决的问题。笔者针对目前高中信息技术教学所面临的两大问题，基于App Inventor做了一个教学实践尝试，说明App Inventor在高中信息技术教学中的应用有助于提升学生的计算思维能力。笔者认为，要在课堂上培养学生的计算思维能力，可以关注以下几个要点：

1.把计算思维的核心概念整合到日常教学中，从增强教师自身对计算思维的理解开始，使用各种计算思维的例子和教学资源。

2.在课堂中使用计算思维的术语。

3.鼓励学生批判性地检视和使用信息。

4.让学生学会抽象与提炼，并为他们提供机会，让他们利用已有的知识和技巧解决新的未知问题。

5.设计专门的计算思维培养活动：任务学习型的教学设计。

本案例只涉及某几个核心的关于计算思维能力的学习，要真正培养中小学生的计算思维能力，达到周以真教授所说的计算思维是每个人的基本技能这一目标还任重而道远。

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