基于App Inventor培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的應(yīng)用研究

袁 源

（蘇州工業(yè)園區(qū)星洲小學(xué) 江蘇蘇州 215000）

一、計算思維與項目式教學(xué)法

計算思維是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任Jeannette M.Wing教授在2006年提出的教育理念，是近十幾年來信息技術(shù)教育、計算機科學(xué)教育最為重要的思想之一[1]。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思維之廣度的一系列思維活動。計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化，它反映了計算的根本問題，即什么可以被有效地自動進行。計算是抽象的自動執(zhí)行，自動化需要某種計算機去解釋抽象。從操作層面來說，計算就是如何在一臺計算機上去求解問題，也就是要確定合適的抽象。

計算思維中的抽象又區(qū)別于純數(shù)學(xué)的抽象，數(shù)學(xué)的抽象是拋開現(xiàn)實事物的外在的、物理上、化學(xué)上、生物上的一切特性，只研究其數(shù)量和空間關(guān)系。計算思維中的抽象遠超如此，比如鏈表、堆棧、樹等常見的計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們肯定不能僅用數(shù)學(xué)上的加減乘除對其運算。其次，計算思維中的抽象是對具體現(xiàn)實問題的抽象，而客觀現(xiàn)實問題往往極具復(fù)雜性，因此往往將系統(tǒng)的方方面面都考慮到的話，系統(tǒng)就會變得無比的復(fù)雜，系統(tǒng)最終難以實現(xiàn)。這就使得計算思維需要根據(jù)不同的層次，選擇性地忽略部分不重要的細節(jié)，分析系統(tǒng)的主要矛盾，最終控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。并且為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，確保自動化的實現(xiàn)，一般也會要求計算機廠家開放不同抽象層次之間的接口或者不同層次之間的翻譯工具。

項目式教學(xué)法鼓勵學(xué)生在老師的指導(dǎo)下進行信息的收集、方案的設(shè)計、項目的實施及評價等。項目式教學(xué)法中的項目可以來源與真實的情境，教師可以鼓勵學(xué)生利用程序設(shè)計解決平時遇到的一些問題，以此訓(xùn)練學(xué)生對周圍事物的抽象。筆者對學(xué)生計算思維培養(yǎng)研養(yǎng)，主要是采用項目式教學(xué)法。

二、計算思維與Stem教學(xué)理念

Stem是一種綜合教育，是指集合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）等多個學(xué)科領(lǐng)域的綜合教育理念。Stem強調(diào)知識的綜合性，意在培養(yǎng)學(xué)生的綜合使用各種知識解決問題的能力。計算思維是Stem教育的重要組成部分，2018年12月份，美國白宮公布的《制定成功路線：美國的STEM教育戰(zhàn)略》中重點指出：使計算思維成為所有教育的必要組成部分。Stem是一種先進的教學(xué)理念，并且和計算思維是相通的，我們在計算思維培養(yǎng)的過程中可以很好地融入Stem.Stem教育理念下，我們可以從以下幾兩個方面進行計算思維的培養(yǎng)。

1.化繁為簡，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維

現(xiàn)實情況紛繁復(fù)雜，同時小學(xué)生知識經(jīng)驗又相對缺乏，教師需要引導(dǎo)學(xué)生突破抽象思維能力這一難關(guān)，在應(yīng)用抽象思維的最初階段中，教師需要應(yīng)用具體的形象，引導(dǎo)學(xué)生逐漸適應(yīng)于階梯形學(xué)習(xí)理解難度[2]。我們鼓勵學(xué)生對現(xiàn)實的問題進行歸納總結(jié)，抽取事物的共性，再利用這些抽象的概念去描述具體的事物，實現(xiàn)從具體到抽象再到具體的一個轉(zhuǎn)變。

以小學(xué)程序教學(xué)的中的畫三角形為例，首先我們讓學(xué)生畫出一個邊長60個單位的正三角形，并觀察它，總結(jié)出該正三角形的特征：每個角60°；有三條邊；每條邊60個單位。觀察后，學(xué)生自己總結(jié)（必要時老師幫助）正三角形每個角60°和有三條邊是每個正三角形的共性，而每條邊60個單位是該三角形的個性。此時我們引導(dǎo)學(xué)生畫出來一個這樣的形狀：三條邊、每個角60°、未知長度的邊，其中未知長度的邊用參數(shù)傳入。此時，我們就實現(xiàn)了對一個具體的三角形的抽象。只要我們傳入不同的邊長，就可以利用該抽象去實現(xiàn)各種不同大小的正三角形。其次，我們還可以積極引導(dǎo)學(xué)生將正三角形再抽象為正多邊形，我們傳入邊數(shù)，計算出每個角的角度，如此，又實現(xiàn)了從正三角形到正多邊形的抽象。并且這些抽象可以與數(shù)學(xué)、科學(xué)等知識緊密結(jié)合，促進Stem教育的發(fā)生。

2.化整為零，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維

學(xué)生在使用程序設(shè)計解決現(xiàn)實問題的時候，往往面臨的是一個對他們來說很大的工程問題，這個時候很多孩子會顯得無從下手。教師可以先嘗試帶著學(xué)生對這個項目進行分解，對于六年級的學(xué)生來說，甚至可以讓學(xué)生自己分解項目。繪圖能力比較強的學(xué)生可以將他們對于項目的討論制作成思維導(dǎo)圖或者流程圖；美工比較好的可以構(gòu)建程序的界面；最后大家各自完成程序設(shè)計的一部分。這對于教師或者學(xué)生團體里的領(lǐng)導(dǎo)者提出了更高的要求，這要求我們在分解項目時要盡量做到合理，各人負責(zé)的功能模塊不能重合，不能出現(xiàn)眉毛胡子一把抓的情況。培養(yǎng)工程思維和上述的培養(yǎng)抽象思維是緊密聯(lián)系不可分割的，我們只有將抽象做得非常的合理，各種抽象之間做到功能單一、職責(zé)明確，我們才能更好地對項目進行分解，實現(xiàn)項目的工程化。

三、App Inventor對計算思維的培養(yǎng)

App Inventor是一個開發(fā)移動端應(yīng)用程序的編程環(huán)境，可以通過模擬器運行在安卓端或者IOS端，該環(huán)境是一個完全在線的web網(wǎng)頁。平臺對復(fù)雜的編程語言進行封裝，以拖拽控件塊的方式構(gòu)建安卓應(yīng)用，類似于Scratch程序設(shè)計。該平臺不僅可以在手機端模擬程序的運行，并且能夠?qū)W(xué)生的項目導(dǎo)出成為一個可安裝的安卓應(yīng)用程序，運行在安卓手機端或者平板端。實際動手制作出來有一定使用價值的App，能夠更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作熱情，也能增強學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。在具體實踐中，App的創(chuàng)作往往依托于真實的情境。比如，各個班級都有圖書角，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)我們可以開發(fā)一個小型的圖書管理系統(tǒng)，用于班級的圖書角管理；又比如，學(xué)校運動會上，裁判員使用的秒表計時器，我們可以很容易使用App Inventor創(chuàng)建一個移動端的秒表應(yīng)用。

對于學(xué)生來說，借助App Inventor，學(xué)生們可以個性化地解決問題，不僅可以潛移默化地學(xué)會基礎(chǔ)的程序設(shè)計，并且在創(chuàng)作的過程中，學(xué)生會遇到很多的問題，在問題解決的過程中，學(xué)生的問題解決能力會得到提高，算法思維會得到鍛煉。基于App Inventor培養(yǎng)小學(xué)生的計算思維，我們主要設(shè)計有抽取教學(xué)情境、制作需求文檔、編碼調(diào)試和作品展示這四個環(huán)節(jié)，如圖1所示。教學(xué)情境是貫穿于整個教學(xué)環(huán)節(jié)的，從需求的分析、編碼調(diào)試、作品展示都需要在我們的真實情境中進行。每一個環(huán)節(jié)，學(xué)生們都需要協(xié)作學(xué)習(xí)，互相幫助，學(xué)生需要一起確定項目的功能，并一起制作需求文檔；編碼調(diào)試階段也需要小組間互相合作共同完成；最后的展示環(huán)節(jié)，小組間也可以分工合作，確定好講解人、操作人、幻燈片制作人等。下面是筆者利用App Inventor對小學(xué)生進行計算思維訓(xùn)練的一些具體的經(jīng)驗總結(jié)。

圖1 設(shè)計的四個環(huán)節(jié)

1.抽取教學(xué)情境

知識的意義寓于情境之中，學(xué)習(xí)情境不是一個無關(guān)因素，學(xué)生必須通過具體的情境才能獲得某種知識，教師應(yīng)該成為良好學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)者，學(xué)生樂于建構(gòu)知識的促進者[3]。教學(xué)資源最好來源于真實的情境，在真實情境下，學(xué)生的創(chuàng)作才會更有意義，學(xué)生可以更好地理解程序設(shè)計是為了解決生活中的問題，考慮到真實情境的復(fù)雜性。并且對于小學(xué)生來說，學(xué)生當(dāng)前身心發(fā)展還很不成熟，我們很難完全用程序模擬現(xiàn)實情況，需要對真實情境抽取出一些簡單的共性特點。對于抽取后的情境，最好確保學(xué)生能夠在教師的指導(dǎo)下完成程序設(shè)計。

以學(xué)生制作的圖書管理系統(tǒng)為例，教師和學(xué)生一起概括出主要的業(yè)務(wù)：圖書角書目瀏覽；借出書目瀏覽；學(xué)生借書；學(xué)生還書；添加書目；刪除書目。剔除掉復(fù)雜的非主要的業(yè)務(wù)，比如書目超期未歸還、書目損壞賠償?shù)葟?fù)雜業(yè)務(wù)邏輯。

2.制作項目需求文檔

項目需求文檔的制定非常重要，因為小學(xué)生思維不成熟，他們往往還沒想清楚就開始動手編碼，做到一半發(fā)現(xiàn)項目進行不下去。學(xué)生做的需求文檔不需要面面俱到，但整體的思維導(dǎo)圖、主要的業(yè)務(wù)流程和用戶交互是必須的。學(xué)生制作文檔時，需要小組間共同協(xié)作（如圖2），確定好依據(jù)現(xiàn)有技能能夠完成項目的主體功能，對于復(fù)雜模塊，小組間也需要確定有一定的解決方案，或者通過學(xué)習(xí)能夠解決。學(xué)生的需求分析需要教師過目，以防止不切實際的功能。比如，學(xué)生制作的“記作業(yè)系統(tǒng)”中的“導(dǎo)入作業(yè)功能”，要提示學(xué)生，作業(yè)文件類型有很多種：Word，PPT，Excel，每種文件的模板也有很多種，我們的程序如何解析上傳的作業(yè)文件類型？我們需要引導(dǎo)學(xué)生在完成主要業(yè)務(wù)的前提下，再去設(shè)計復(fù)雜的需求。

圖2 小組間共同協(xié)作

3.編碼調(diào)試

項目需求文檔設(shè)計好后，學(xué)生開始著手編碼，編碼過程中，如果學(xué)生有沒接觸過的知識點，可提前指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。遇到復(fù)雜的功能模塊，可指導(dǎo)學(xué)生畫流程圖，通過流程圖的方式降低編碼的難度。編碼是計算思維培養(yǎng)的最重要的一環(huán)，因為在編碼環(huán)節(jié)，我們需要將具體的現(xiàn)實進行抽象，在小學(xué)階段，學(xué)生還沒學(xué)過“面向?qū)ο蟆钡木幊?，筆者在抽象這一環(huán)節(jié)的通常是指導(dǎo)學(xué)生盡量制作單一的可復(fù)用的積木或者程序塊。

即便我們是做非常簡單的項目，項目中的錯誤往往還是難以避免。編碼完成后，應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生多加調(diào)試，找出有問題的地方并修正。

4.作品展示

經(jīng)過幾輪編碼調(diào)優(yōu)后，可以鼓勵學(xué)生向自己的家人或者同學(xué)介紹自己的創(chuàng)作過程、項目中遇到的困難，以及是如何解決這些困難的，邀請身邊的人體驗自己的作品（如圖3）。我們需要盡可能依據(jù)真實的情境，賦予項目一定的實際意義。比如，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生舉辦一個小型運動會，利用我們的“秒表”程序給運動員們計時。還有，我們也可以在做手工時，利用“水平儀”程序檢驗一些手工作品表面是否平整等等。這些都是很好的貼近現(xiàn)實的應(yīng)用。學(xué)生可以以此充分體會到項目創(chuàng)作的樂趣，并且在這個階段可以收集同學(xué)們的體驗反饋，為下面的程序優(yōu)化做準(zhǔn)備。

圖3 作品展示

結(jié)語

綜上所述，“抽象”是培養(yǎng)計算思維的核心，具體程序的“模塊化”“可復(fù)用”是微觀的抽象，而程序設(shè)計前的項目需求分析、功能模塊設(shè)計、思維導(dǎo)圖、流程圖的設(shè)計是宏觀上的抽象。在App Inventor的教學(xué)實踐中，我們可以充分利用項目式教學(xué)，在真實的情境中去激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作熱情，整個項目過程中學(xué)生應(yīng)協(xié)作學(xué)習(xí)，共同解決項目中遇到的問題。學(xué)生從無到有地設(shè)計一個App，本身就是一個極具抽象的過程，從零到一去編碼實現(xiàn)自己的設(shè)計也是一個從抽象到具體的過程。并且使用App inventor創(chuàng)作真實的應(yīng)用程序，相比較于其他的塊語言編程工具來說，有較強的現(xiàn)實意義，也更能模仿真實的情境。