依托App Inventor啟蒙中學(xué)生計算思維的策略探索

賴軍

一、計算思維和中學(xué)生的計算思維

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真教授在美國計算機權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志上定義了什么是計算思維，她認(rèn)為：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)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(xué)生而言，這個定義就有點不太“接地氣”。

那么什么才是中學(xué)生的計算思維呢？根據(jù)中學(xué)生思維發(fā)展處于形式化運算階段，并具有抽象性和邏輯性的發(fā)展特點進行分析，筆者認(rèn)為：中學(xué)生的計算思維是指中學(xué)生在現(xiàn)有知識水平和社會認(rèn)知的基礎(chǔ)上，利用計算機科學(xué)知識或程序設(shè)計思想，來分析現(xiàn)實生活中的問題，并運用計算機或程序設(shè)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(xué)生運用程序設(shè)計思想來分析問題、解決問題的計算思維能力。

啟蒙中學(xué)生的計算思維并不是要把學(xué)生培養(yǎng)成計算機專家或?qū)I(yè)程序員，而是要培養(yǎng)生活在數(shù)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(yǎng)中學(xué)生計算思維的重要性

1．信息技術(shù)教學(xué)需要重視計算思維的引導(dǎo)與培養(yǎng)。很多教師在開展信息技術(shù)教學(xué)過程中往往注重計算機知識與技能的培養(yǎng)，而忽視了學(xué)生思維方式和思維遷移的培養(yǎng)，沒有引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成按計算機的方式認(rèn)識問題、分析問題和解決問題。在這樣的教學(xué)理念下，學(xué)生對所學(xué)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(shù)的思維方式只是刻板還不能遷移。因此，教師必須樹立培養(yǎng)學(xué)生思維方式的教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變知識傳授為思維啟發(fā)，培養(yǎng)學(xué)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(shù)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(rèn)識和適應(yīng)這個時代，更好地在這個社會立足。浙江大學(xué)博士生導(dǎo)師何欽銘教授一直在呼吁：計算思維能力的培養(yǎng)是計算機基礎(chǔ)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(xué)生將所學(xué)計算機知識技能與實際應(yīng)用相結(jié)合的重要基礎(chǔ)。具備了一定計算思維的學(xué)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(yǎng)學(xué)生從復(fù)雜的實際問題中抽象出事物的主要特征，再聯(lián)系所學(xué)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(xué)生學(xué)以致用，以用促學(xué)，讓學(xué)生體會到學(xué)習(xí)和應(yīng)用信息技術(shù)的成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動力。

4．計算思維是培養(yǎng)學(xué)生抽象思維和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S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(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某橄笏季S和邏輯思維能力，因此，根據(jù)中學(xué)生思維發(fā)展的特點，培養(yǎng)計算思維就是培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某橄笏季S和邏輯思維能力，對學(xué)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(xué)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(yǎng)中學(xué)生的計算思維，是因為App Inventor是專門為青少年學(xué)生設(shè)計的移動應(yīng)用編程入門開發(fā)環(huán)境。它不再采用傳統(tǒng)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(fā)環(huán)境中提供了豐富的功能組件和內(nèi)置編程模塊，讓開發(fā)者不用為記憶枯燥的代碼而苦惱；開發(fā)過程中可以在安卓終端和模擬器上實時運行，運行結(jié)果可以實時把控，讓調(diào)試更簡便、更高效。

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

1．將實際問題轉(zhuǎn)化為類程序化語言描述，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力。類程序化語言，是指按計算機程序執(zhí)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(dāng)……則……”，“如果……那么……否則……”，“滿足……（條件）則重復(fù)……直到……（條件）”。啟蒙學(xué)生計算思維的第一步，就是要訓(xùn)練學(xué)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(dāng)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(xué)生說出問題的詳細(xì)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(xué)生用類程序語言來描述，比如：電飯煲、電冰箱、空調(diào)等家電的工作方式，同學(xué)們對學(xué)校鈴聲的響應(yīng)等。引導(dǎo)學(xué)生形成習(xí)慣性的類程序語言描述方法，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，墊定計算思維的基礎(chǔ)。

2．將類程序化語言描述轉(zhuǎn)化為程序流程圖，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。當(dāng)學(xué)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(yǎng)學(xué)生找準(zhǔn)問題的關(guān)鍵點，并將這種描述轉(zhuǎn)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(xiàn)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(shè)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(xué)生，繪制流程圖無需太嚴(yán)謹(jǐn)、太完整，只要求能通過簡單流程圖清晰地表達問題關(guān)鍵點的處理過程。繪制流程圖的目的是培養(yǎng)學(xué)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(xué)生培養(yǎng)成用流程圖來描述問題關(guān)鍵點的習(xí)慣性思維方式。

3．將程序流程圖轉(zhuǎn)化為程序模型，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。這一步是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的最關(guān)鍵最重要的環(huán)節(jié)，也是最難的環(huán)節(jié)。這個環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為易于計算機處理的數(shù)學(xué)問題，建立數(shù)學(xué)模型，再將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為程序模型。通過繪制驗證密碼流程圖后發(fā)現(xiàn)，驗證密碼的數(shù)學(xué)模型非常簡單，就是“輸入的賬號＝已設(shè)賬號”并且“輸入的密碼＝已設(shè)密碼”則驗證通過，否則驗證不通過。再轉(zhuǎn)化為分支結(jié)構(gòu)的程序模型：

如果 賬號輸入框內(nèi)容＝已設(shè)賬號 且 密碼輸入框內(nèi)容＝已設(shè)密碼 那么

密碼驗證通過

否則

密碼驗證失敗

結(jié)束分支

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

金老師用自然數(shù)來表示三樣?xùn)|西：狼＝1，羊＝2，菜＝3。為了不讓狼吃羊、羊吃菜，就可將問題轉(zhuǎn)化為求差值的減法問題，當(dāng)它們之間差值的絕對值等于1時，會發(fā)生“危險”，必須加以避免。

現(xiàn)實生活中的所有問題都可以轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，對于初中學(xué)生，可以選取一些既簡單又有趣的例子，讓學(xué)生思考并找出能用數(shù)學(xué)模型來解決的方案，在同學(xué)中討論、分享，再確定最優(yōu)方案，最后編寫程序代碼，調(diào)試程序，解決實際問題。

4．編寫調(diào)試程序，培養(yǎng)學(xué)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(huán)境下編寫代碼，用程序來實現(xiàn)模型，解決問題。密碼驗證的關(guān)鍵代碼如下：

農(nóng)夫運送狼羊菜過河的關(guān)鍵代碼如下：

依托App Inventor培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，前提是學(xué)生必須掌握App Inventor開發(fā)環(huán)境及其應(yīng)用，本文不作詳述。學(xué)生通過在App Invent-or中動手編程，讓學(xué)生在操作中思考，在思考中提升計算思維能力。

四、結(jié)語

計算思維是以計算機應(yīng)用與操作為基礎(chǔ)的方法論概念，啟蒙學(xué)生的計算思維不能脫離了計算機應(yīng)用與操作，應(yīng)該把計算思維能力的培養(yǎng)整合到課堂教學(xué)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(xué)實踐中，通過以上步驟的反復(fù)練習(xí)，學(xué)生的計算思維能力提升明顯，逐步養(yǎng)成了用計算思維方式分析事物的習(xí)慣，同時也提高了App Inventor編程操作能力和技巧。初中學(xué)生的這種知識和技能基礎(chǔ)，讓他們能突破常規(guī)思維方式，將事物數(shù)字化、信息化。計算思維必將影響他們今后的學(xué)習(xí)和生活，使他們的思維方式在數(shù)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(zhàn)，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(yǎng)與信息技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)的融合［J］．中國教育信息化，2015（2）：22－25．

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

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

［4］金從軍．農(nóng)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?。跩］．（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(xué)出版社，2015．69－71．

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