依托App Inventor啟蒙中學生計算思維的策略探索

賴軍

一、計算思維和中學生的計算思維

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》雜志上定義了什么是計算思維，她認為：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。這是高度抽象的概念定義，對于普通中學生而言，這個定義就有點不太“接地氣”。

那么什么才是中學生的計算思維呢？根據中學生思維發展處于形式化運算階段，并具有抽象性和邏輯性的發展特點進行分析，筆者認為：中學生的計算思維是指中學生在現有知識水平和社會認知的基礎上，利用計算機科學知識或程序設計思想，來分析現實生活中的問題，并運用計算機或程序設計來解決問題的合理方案的思維能力。本文著重探討的是依托App Inventor，啟蒙中學生運用程序設計思想來分析問題、解決問題的計算思維能力。

啟蒙中學生的計算思維并不是要把學生培養成計算機專家或專業程序員，而是要培養生活在數字時代的青少年從小具備運用計算思維分析問題、解決問題的思維方式和思維能力。

二、培養中學生計算思維的重要性

1．信息技術教學需要重視計算思維的引導與培養。很多教師在開展信息技術教學過程中往往注重計算機知識與技能的培養，而忽視了學生思維方式和思維遷移的培養，沒有引導學生養成按計算機的方式認識問題、分析問題和解決問題。在這樣的教學理念下，學生對所學計算機知識只能了解而不能理解，對操作技能只會模仿而沒有探究，運用信息技術的思維方式只是刻板還不能遷移。因此，教師必須樹立培養學生思維方式的教學理念，轉變知識傳授為思維啟發，培養學生一定的計算思維能力。

2．計算思維是信息社會最基本的思維方式，是數字時代每個人都要具備的基本思維能力。我們所處的時代直至未來，計算思維都將是我們分析問題和解決問題最好的思維方式之一，是我們從小就要具備的基本技能，這樣才能更好地認識和適應這個時代，更好地在這個社會立足。浙江大學博士生導師何欽銘教授一直在呼吁：計算思維能力的培養是計算機基礎教育的重中之重，任重道遠，我們要為之堅持不懈、努力探索。

3．計算思維是中學生將所學計算機知識技能與實際應用相結合的重要基礎。具備了一定計算思維的學生，在面對實際問題的時候，很自然就會想到使用計算機來解決。計算思維可以培養學生從復雜的實際問題中抽象出事物的主要特征，再聯系所學計算機知識，運用計算機解決問題的方式快速形成合理高效的解決方案。使學生學以致用，以用促學，讓學生體會到學習和應用信息技術的成就感，激發學習興趣和學習動力。

4．計算思維是培養學生抽象思維和嚴謹的邏輯思維能力的重要載體。計算思維通過分析事物，識別和明確定義計算問題，運用抽象并形成解決問題的方案，驗證并反饋方案的有效性和可操作性，完善并改進解決方案。整個過程都體現了嚴謹的抽象思維和邏輯思維能力，因此，根據中學生思維發展的特點，培養計算思維就是培養嚴謹的抽象思維和邏輯思維能力，對學生形成良好的思維方式具有重要作用。

三、依托App Inventor實施中學生計算思維啟蒙的策略探索

本文之所以選擇依托App Inventor來培養中學生的計算思維，是因為App Inventor是專門為青少年學生設計的移動應用編程入門開發環境。它不再采用傳統的“文本代碼”編程模式而改為“積木搭建”模式，既有趣又能減少代碼錯誤；開發環境中提供了豐富的功能組件和內置編程模塊，讓開發者不用為記憶枯燥的代碼而苦惱；開發過程中可以在安卓終端和模擬器上實時運行，運行結果可以實時把控，讓調試更簡便、更高效。

如何依托App Inventor來啟蒙學生的計算思維？筆者在實踐中不斷探索，認為需要從以下幾個方面，借助實踐，循序漸進，舉一反三，讓學生逐步形成連貫性、習慣性的計算思維能力。

1．將實際問題轉化為類程序化語言描述，培養學生的抽象思維能力。類程序化語言，是指按計算機程序執行的方式來描述問題解決思路的類似于日常用語的語言，描述的格式一般為“當……則……”，“如果……那么……否則……”，“滿足……（條件）則重復……直到……（條件）”。啟蒙學生計算思維的第一步，就是要訓練學生使用類程序化語言來描述實際問題。舉個密碼驗證的例子，可以用類程序語言描述為：當輸入的用戶名和密碼等于保存的用戶名和密碼時，提示驗證通過，否則提示用戶名或密碼錯誤。

用類程序語言描述實際問題不用要求學生說出問題的詳細解決方案，只要求能說出大概的解決思路。教師可以提供一些實際生活中的例子讓學生用類程序語言來描述，比如：電飯煲、電冰箱、空調等家電的工作方式，同學們對學校鈴聲的響應等。引導學生形成習慣性的類程序語言描述方法，培養學生的抽象思維能力，墊定計算思維的基礎。

2．將類程序化語言描述轉化為程序流程圖，培養學生的邏輯思維能力。當學生能夠用簡單的類程序化語言來描述實際問題時，就要培養學生找準問題的關鍵點，并將這種描述轉化為簡單的程序流程圖，使邏輯更清晰。在密碼驗證的例子中，會出現很多種情況：沒有輸入用戶名和密碼、沒有輸入用戶名、沒有輸入密碼、用戶名錯誤、密碼錯誤、用戶名和密碼都錯誤、用戶名和密碼都正確。但在程序設計時只需要考慮兩種情況：一是用戶名和密碼都正確，二是其他的所有情況。所以簡單的流程圖如下圖所示：

對于初中學生，繪制流程圖無需太嚴謹、太完整，只要求能通過簡單流程圖清晰地表達問題關鍵點的處理過程。繪制流程圖的目的是培養學生將抽象化的事物用邏輯上的圖形來表達的基本能力，使學生培養成用流程圖來描述問題關鍵點的習慣性思維方式。

3．將程序流程圖轉化為程序模型，培養學生的計算思維能力。這一步是培養學生計算思維的最關鍵最重要的環節，也是最難的環節。這個環節是培養學生將現實問題轉化為易于計算機處理的數學問題，建立數學模型，再將數學模型轉化為程序模型。通過繪制驗證密碼流程圖后發現，驗證密碼的數學模型非常簡單，就是“輸入的賬號＝已設賬號”并且“輸入的密碼＝已設密碼”則驗證通過，否則驗證不通過。再轉化為分支結構的程序模型：

如果 賬號輸入框內容＝已設賬號 且 密碼輸入框內容＝已設密碼 那么

密碼驗證通過

否則

密碼驗證失敗

結束分支

金從軍老師提供了一個關于農夫運送狼羊菜過河的例子：一位農夫帶著一只狼、一只羊和一個卷心菜過河，因為船小，農夫一次只能運送一樣東西過河。但狼會吃羊，羊會吃菜，不能在農夫不在的情況下把狼和羊或者羊和菜留在同一處。農夫應該如何運送呢？

金老師用自然數來表示三樣東西：狼＝1，羊＝2，菜＝3。為了不讓狼吃羊、羊吃菜，就可將問題轉化為求差值的減法問題，當它們之間差值的絕對值等于1時，會發生“危險”，必須加以避免。

現實生活中的所有問題都可以轉化為數學模型，對于初中學生，可以選取一些既簡單又有趣的例子，讓學生思考并找出能用數學模型來解決的方案，在同學中討論、分享，再確定最優方案，最后編寫程序代碼，調試程序，解決實際問題。

4．編寫調試程序，培養學生的編程和操作思維能力。建立了程序模型后，就可以在App Inventor環境下編寫代碼，用程序來實現模型，解決問題。密碼驗證的關鍵代碼如下：

農夫運送狼羊菜過河的關鍵代碼如下：

依托App Inventor培養學生的計算思維能力，前提是學生必須掌握App Inventor開發環境及其應用，本文不作詳述。學生通過在App Invent-or中動手編程，讓學生在操作中思考，在思考中提升計算思維能力。

四、結語

計算思維是以計算機應用與操作為基礎的方法論概念，啟蒙學生的計算思維不能脫離了計算機應用與操作，應該把計算思維能力的培養整合到課堂教學中，由抽象到邏輯，再到操作，最后形成計算思維。筆者在App Inventor興趣小組教學實踐中，通過以上步驟的反復練習，學生的計算思維能力提升明顯，逐步養成了用計算思維方式分析事物的習慣，同時也提高了App Inventor編程操作能力和技巧。初中學生的這種知識和技能基礎，讓他們能突破常規思維方式，將事物數字化、信息化。計算思維必將影響他們今后的學習和生活，使他們的思維方式在數字化時代能夠與時俱進、永不落伍。

具備一定計算思維能力的人，會更有勇氣、毅力和自信去面對生活的挑戰，無論你面對的是什么，計算思維都能讓你更迅速、更容易地達成，人生又怎么會不精彩呢？

參考文獻：

［1］馬秀麟，鄔彤，劉立超．思維能力培養與信息技術基礎課教學的融合［J］．中國教育信息化，2015（2）：22－25．

［2］宋云生．計算機基礎教學中計算思維能力培養的探討［J］．教學與教育信息化，2015（14）：187－188．

［3］劉焱青．App Inventor2在中學生計算思維培養中的應用研究［D］．中國湖南長沙：湖南師范大學，2016：9－20．

［4］金從軍．農夫過河——狼羊菜問題［J］．（2018－2－25）

［5］文雅善良．What？計算思維居然是未來兒童最重要的能力模型！［J］．（2014－03）

［6］Derek Walter，Mark Sherman．MIT App Inventor完全上手［M］，靳曉輝．中國北京：清華大學出版社，2015．69－71．

［7］蔡艷桃．Android App Inventor項目開發教程［M］．北京：人民郵電出版社．2014．1－4．