基于App Inventor的高中生計算思維能力培養初探

劉增

【摘要】文章總結了當前高中信息技術教育中普遍面臨的三大問題，并通過對比信息素養與“計算思維”的異同，指出了培養計算思維能力的必要性。同時基于App Inventor的獨特優勢，初步探索了在信息技術課堂中培養計算思維能力的教學實踐。

【關鍵詞】計算思維；App Inventor；高中信息技術；《魅力校園》教學實踐

中圖分類號：G633.67 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2016）33-0077-03

我國中小學信息技術起步于20世紀80年代，到現在已有三十余年的發展歷史。從總體上來看，由最初的計算機選修課試驗到信息技術必修課，主要經歷了五大發展階段，總體培養趨勢如下：文化論一技術論一文化素養論（信息素養）。回顧三十余年的發展歷史可知，信息技術課程的培養目標緊隨著社會發展需求在不斷地更新和改變，我國處在“信息素養”培養階段已經有十余年。在新的時代要求下，我們有必要探索更凸顯計算機科學本質，利于教師、學生發展需要的新方向。

一、當前高中信息技術課程面臨的問題

筆者結合自身教學實踐及對當前教育現狀的文獻調研發現，高中信息技術教學主要面臨以下幾個問題：

1.課堂乏味、無趣

當前信息技術課堂慣用任務驅動法，甚至有的課堂過度采取單一的任務驅動方式，導致教學過程變得機械無趣。在課堂上，學生只想玩電腦而不是想學習信息技術，因而不利于激發他們的學習積極性，也難以提升其創新能力。

2.偏重于“工具論”教學

在教學實踐中。教師普遍將引導學生掌握計算機的基礎知識及基本操作技能作為課堂教學的重心，由此導致信息技術課堂淪為“工具論”的操作演練課，忽視了讓學生學會運用計算機科學本質概念解釋技術工具背后的通用原理。

3.課程內容重合

當前，高中信息技術教材版本有十余種，且在較大程度上與初中甚至小學內容重合，削弱了教材在教學實踐中的參考作用。筆者擬結合自身信息技術課堂教學實踐，關注前兩個問題，嘗試解決如下問題：其一，如何對教學內容及實施進行重新設計，以激發學生的興趣、提升創新力；其二，如何使學生學會抽象出計算機科學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題的能力。

二、信息技術教學培養學生計算思維能力的必要性

信息素養的內涵主要包含4個層次：信息知識、信息能力、信息意識和信息倫理道德。信息知識指利用信息技術獲取、拓展信息的能力；信息能力是信息素養的核心，指利用信息以及達成特定目的的能力：信息意識指對信息的敏感性及對信息行為的積極態度：信息倫理道德指在獲取、利用、加工和傳播信息過程中必須遵守的倫理規范和道德準則。

計算思維（Computational Thinking）這一概念是美國周以真（Jeannette M.Wing）教授于2006年3月在美國計算機權威雜志Communications of the ACM上提出的計算思維：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。

筆者認為，可從3個層次來認識計算思維：首先，計算思維是一個關乎計算機科學本質和科學思維的基礎性概念，培養計算思維能力有利于理解計算機科學的原理。其次，計算思維能力是21世紀人類都應該具備的一種基本技能，與理論思維和實驗思維同屬于科學思維，它能為高效解決生活實踐中所遇到的問題和解釋生活現象提供新的方法、思路。再次，計算思維強調運用計算機科學的基本概念發現事物的共性規律，并思考其是否能自動化解決。

對比上述“信息素養”和“計算思維”。不難發現信息素養和計算思維的相似之處在于：兩者都可以通過培養而習得，均與計算機科學有關，并且都注重能力的內化。同時，兩者存在本質區別：信息素養是一個更上位的概念，注重的是基于計算機工具本身來應用和滿足自身需求的能力，強調知識性、技能性和應用性；計算思維則更強調運用如“抽象”“分治”“模塊化”“迭代”“糾錯”等思維能力來對實際情境與問題進行求解、設計和行為理解，是以一種新的思維方式來觀察、思考客觀世界與計算世界之間的關聯，是信息素養的更高階段。其中，將一個大規模的問題分解為幾個規模較小的子問題，叫作“分治”；將一個復雜系統自頂向下逐層劃分成若干獨立、便于管理的過程，叫作“模塊化”。對某種操作重復執行，每次執行時從結果數據的一組原值推出它的一組新值，這叫“迭代”，對產生錯誤的原因進行排查，叫作“糾錯”。

正是由于計算思維具備信息素養不可替代的價值，是所有人不可或缺的基本科學思維方式，不難預見信息技術課程教育朝向計算思維培養將是一個必然趨勢。

三、基于App Inventor的計算思維能力培養

App Inventor（后文簡寫為AI）是一款由Google公司開發的基于Android系統的手機編程工具，其口號是“隨身的編程工具，盡情發明吧”（Your idea，Your design，Your apps，Invent Now），并于2012年交由麻省理工學院負責教育領域的應用研究。其開發模式及測試流程主要包含3個部分：①設計界面（Designer），通過拖拉組件的形式完成界面設計；②塊編輯界面（Blocks），通過拉拽、拼圖的方式來實現各組件間的行為事件，實現邏輯設計（見圖1）。③模擬器（Android Emulator），主要用來進行測試。AI因其具備如下特征而成為在高中信息技術課程中培養計算思維能力的有效工具：

（1）可視化。AI的界面設計和代碼編寫均采用可視化的形式呈現，可視化的操作界面能夠極大地激發學習者的興趣和探究欲。

（2）零編程基礎。AI模塊編輯視圖中的模塊都已經封裝了代碼，只需要按照學習者的創意直接拖拽模塊即可完成編程（見圖1），輕松、簡單，極大地降低了對實際編碼能力的要求。

（3）開發周期短。在移動互聯網時代，AI讓任何人在幾分鐘之內完成一個屬于自己的App開發成為可能。正如App Inventor項目帶頭人Harold Abelson教授所說，App In-ventor編寫的應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就可完成的。

因此，將AI應用于信息技術課堂教學，有助于最大限度地激發學生的興趣和創意，改變當前高中信息技術乏味、無趣的現狀。同時，基于AI所設計的案例學習體驗計算思維“抽象”“模塊化”等核心概念，使學生在問題解決過程中提升計算思維能力。

四、基于App Inventor培養計算思維能力的“魅力校園”教學實踐

1.設計理念

“魅力校園”App類似智能手機上的相冊應用，其中有下一張、上一張、第一張和最后一張這四個按鈕，用戶按下相應的按鈕后，將顯示對應的圖片（為簡便計只選用了3張圖片）。該教學實踐即以制作“魅力校園”App作為主線，來實施粵教版《信息技術基礎》（必修）第四章“編制計算機程序解決問題的過程”教學內容，滲透“抽象”“模塊化”“糾錯”等計算思維能力的培養。

2.教學目標

（1）知識與技能。能說出編制計算機程序解決問題的一般過程：初步掌握“抽象”“模塊化”及“糾錯”等計算思維能力。

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

（3）情感、態度與價值觀。基于App Inventor編制程序，體驗解決問題、實現創意的樂趣；體會運用計算思維能力解決問題的技巧及優勢。

3.教學重點與難點

（1）教學重點。剖析“魅力校園”App案例，掌握編制計算機程序解決問題的過程。

（2）教學難點。提煉并初步應用案例中所蘊含“抽象”“模塊化”及“糾錯”等計算思維能力來解決生活中的實際問題。

4.教學過程

首先，教師從生活出發，創設情境，引出要解決的問題，激發學生學習的興趣和求知欲。在教學過程中，學生作為學習的主體，教師則作為輔助學生學習的主導者。在教師的引導下，學生抽象地分析、表達要解決的問題，通過圖片的存儲與顯示，判斷當前顯示的圖片是哪一張及切換顯示圖片。

其次，引導學生把大問題分解為若干子問題（子模塊），并逐個解決：圖片的存儲、從數組中提取該圖片、設置該圖片為背景圖片、記錄當前是第幾張圖片、響應用戶的行為

再次，啟發學生思考：如何區分這些任務的異同？哪些是可以重復使用的？再引導學生利用模塊化的方法來將各子模塊功能實現，最后將它們集成在一起。學生利用App In-ventor進行編碼的結果如圖3所示。從圖中可以看出，在不需要掌握復雜難懂的程序基礎的前提下，學生通過“積木式”的模塊拼接，很好地利用計算思維解決了實際問題。

在成果分析、評價階段，引導學生進一步檢視分析，利用糾錯思維解決App運行后所產生的與預期不符合的錯誤原因，并對上述編碼抽象提取出相同的模塊。最終簡化編碼如圖4：

最后，教者還可以鼓勵學生在案例上提出自己的創意，通過App Inventor加以實現，從而分享自己和小組的作品。

目前，業界對計算思維在教育實踐中的培養方式、原則和策略等還沒有一個統一的認識，尚處在探索階段。因此，在教學中如何培養計算思維能力是一個必要且亟待解決的問題。筆者針對目前高中信息技術教學所面臨的兩大問題，基于App Inventor做了一個教學實踐嘗試，說明AppInventor在高中信息技術教學中的應用有助于提升學生的計算思維能力。筆者認為，要在課堂上培養學生的計算思維能力，可以關注以下幾個要點：

1.把計算思維的核心概念整合到日常教學中，從增強教師自身對計算思維的理解開始，使用各種計算思維的例子和教學資源。

2.在課堂中使用計算思維的術語。

3.鼓勵學生批判性地檢視和使用信息。

4.讓學生學會抽象與提煉，并為他們提供機會，讓他們利用已有的知識和技巧解決新的未知問題。

5.設計專門的計算思維培養活動：任務學習型的教學設計。

本案例只涉及某幾個核心的關于計算思維能力的學習，要真正培養中小學生的計算思維能力，達到周以真教授所說的計算思維是每個人的基本技能這一目標還任重而道遠。

（編輯：朱澤玲）