面向计算思维培养的App Inventor有效教学策略研究*
一、问题提出
1972年，图灵奖得主Edsger Wybe Dijkstra曾说过：“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响我们的思维能力”。[1]这就是著名的“工具影响思维”论。信息时代的发展，使得数字化和计算化无处不在、无时不有，成为现代社会的基本形态特征。计算思维（Computational Thinking）已成为人类认识世界和改造世界三大思维方式之一。
近年来，尤其是大数据、物联网、人工智能等技术发展，关于计算思维的研究与实践已受到世界各国计算机领域、教育界的广泛关注。2011美国率先将计算思维纳入到《CSTA K-12 标准》中，随后，英国、芬兰、澳大利亚、韩国、挪威、瑞典等国家将计算思维纳入到中小学课程体系当中，2017年，在我国最新修订的《普通高中信息技术课程标准》中，计算思维作为核心素养正式提出。
在K-12阶段如何培养学生的计算思维也成为研究的重点，国外已有一些研究者提出了多样化的计算思维培养途径和评价方法。国内在K-12阶段的研究刚刚起步，大多侧重于概念层面的探讨。本文将提出基于App Inventor培养高中生计算思维的策略，以期为我国新一轮中小学信息技术课堂改革中计算思维核心素养的培养和评价提供实践参考。
二、概念界定
2006年美国卡内基·梅隆大学的周以真教授第一次把“计算思维”作为明确概念提出来，她认为计算思维是运用计算机科学的基础概念，求解问题、设计系统和理解人类行为的一系列思维活动，其本质是抽象和自动化[3]。
2011年国际教育技术协会(ISTE)和计算机科学教师协会(CSTA)对计算思维下了一个操作性的定义：形式化问题；合理组织和分析数据；通过抽象的方式呈现数据；识别、分析、运用解决方案以及应用迁移[4]。2014年英国学校计算机小组（CAS）提出计算思维包含六个概念：逻辑、算法、分解、模式、抽象、评价和五个操作过程：思考、创造、纠错、坚持、合作[5]。2017年，我国的高中信息技术新课标指出计算思维是指能够采用计算机领域的学科方法界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据；通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案；总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题的解决过程中[6]。
由此可见，计算思维的内涵在实践中不断丰富和发展。尽管对于计算思维内涵界定没有统一的标准，但是我们也可以发现，计算思维构成元素共同关键词是分解、抽象、算法、评价、问题解决等。
三、App Inventor与计算思维培养的适切性分析
在K-12阶段，培养计算思维的有效工具必须具备低门槛和高上限两个特征，一方面易于初学者入门，另一方面，良好的拓展性又能很好地支持高阶能力发展[7]。App Inventor满足此原则，其优势体现在：1.App Inventor可视化、简捷化、易操作的编程特点提高了学生的学习兴趣；2.封装和简化的编程减少枯燥代码的编写，更加聚焦于问题分析和实现上，聚焦于抽象、算法、逻辑思维的过程；3.App Inventor可以在几分钟内就编写好一个App，不仅有效地提高课堂效率和学生注意力，更符合学生的身心发展规律。
四、国内外K-12阶段计算思维培养的实践研究
（一）各国政府
2011年美国ISTE 和CSTA共同制定了K-12阶段以计算思维为核心的计算科学课程的标准，详细规范了每个阶段要达到的培养目标。
2013年英国教育部公布中小学计算课程替代原来的ICT课程，核心目标就是利用Quick-Start Computing等可视化工具培养学生使用计算思维和创造力来理解和改变世界。
2015年澳大利亚提出在数字技术课程中发展计算思维，分为三个阶段：初步了解计算思维（1-2年级）；利用可视化编程工具学习算法（3-6年级）；7-10年级用编程语言解决问题。
2016瑞典将编程作为数学课程的一部分，在1-3年级在指导下编写简单的程序；4-6 年级学会使用算法中的序列、选择、重复和抽象等；6年级之后结合算法，创建、测试、修改程序用以解决数学问题。
2017年芬兰利用可视化编程工具将编程引入到全学科当中，1-6年级在全学科教学中普及编程教育，7-9年级数学和工艺课当中加入编程教学。
2017中国香港Cool-Think@JC项目在中小学开设专门的计算思维课程，利用Scratch、App Inventor达到计算思维课程的三个层次：基本的编码概念、解决问题的技巧以及认同和动机。
（二）组织机构及研究者
本研究整理出组织机构和研究者关于计算思维培养的一些具有代表性的研究结果（如表1）。通过对国内外文献研究的分析发现，研究从高等教育延伸到基础教育，从个人实践到国家层面，从计算机学科到跨学科的多维度研究，培养的教学方法主要有基于问题学习、基于项目的学习，游戏化的教学等，工具主要有可视化编程工具和机器人编程工具，研究结果为我们开展实践提供了思路。同时，美国、英国等发达国家，已建立了不同阶段培养目标体系，这使得计算思维评价具有依据。
表1 组织机构和研究者关于计算思维培养的研究
五、基于APP Inventor可视化编程工具培养计算思维的教学策略
图1 基于APP Inventor可视化编程工具培养计算思维的教学策略
本研究根据国内外培养中小学生计算思维的实践经验和计算思维的内涵，采用项目式学习，项目围绕问题解决展开，根据问题解决过程和思维发展过程，提出五个策略：问题组织方式策略、思维导图策略，学案+微课引导策略、多元评价策略和反思优化策略（如图1）。
（一）转变问题组织的逻辑形式，不断拓展情境的问题域
皖河流域下游属平原圩区，地势低平，水系复杂，河床落差小、弯道多，水流缓慢，泄洪能力差，多涝灾有必然性。皖河流域下游千亩以上重点圩口104个，总面积880.69 km2，耕地5.33万公顷，其中万公顷以上圩口22个。建国以来60余年间，就发生过较大洪涝灾害17次，平均不到3年一次，与上游洪水出现保持高度一致。涝灾严重的是皖河中下游支流及武昌湖周边圩区。
（二）思维导图提取关键环节，帮助进行特征抽象
思维具有内隐性和间接性，思维导图是一种将思维外化和形象化的工具，它在培养学生计算思维方面的优势在于：1.它可以将各级主题的关系用层级图表现出来，有利于对问题进行系统和全方位地描述和分析；2.利用思维导图可以帮助学生隐藏不必要的细节，抽象出问题解决的关键特征，从而有利于找到解决问题的关键因素和环节，帮助培养学生的逻辑思维和抽象思维。
（三）学案+微课引导学生思维发展，创设丰富的教学环境
学案作为一种启发性支架，协助教师支持学生的自主探索与自我的问题解决，学案以问题为基础，从问题界定、特征抽象、模型构建和问题迁移等方面，引导和记录学生个性化方案的探索过程，更加关注学生的思维发展。同时，学案还强调思维的及时强化与反思，协助学生在完成阶段性任务后对所学内容进行总结、抽象和内化。
知识基础是思维拓展的基石，而传统课堂知识讲授占用了学生大量时间，无法顾及不同学习层次的学生。将短小精悍的微课引入课堂辅助教学，针对教师引导学生积极探讨问题过程中可能会涉及的知识点进行微课的精心设计，不仅提高课堂效率，而且支持学生根据自身的问题解决方案进行个性化自主探究学习。
（四）非预设路径，多样化解决策略
学生在建立模型时，教师不给学生预设问题解决路径和方法，尊重学生个体思维方式的差异性，鼓励学生采用不同的实现途径，而非对教师示范案例被动地接受与模仿。不以结果作为最终评价的依据，强调关注学生在模型实现过程中思考的深度与广度，培养学生多样化的创新能力。
（五）反思优化策略
调试是检验计算机程序能否有效解决问题的重要一环，也是培养学生计算思维的重要方法，学生根据调试结果可以检验自己的方案，修正自己的逻辑思维过程。引导学生相互分享问题解决方案与总结实践经验，一方面促进学生反思自身解决方案的优劣和劣势，内化知识提升思维能力，另一方面为前期任务的解决带来新的思路和途径，以促进学生进行再创造的思维能力发展。
六、教学策略的应用与验证
为了验证提出策略的有效性，本研究在高一阶段四个班级的信息技术课堂开展了为期一个学年的教学实践，共有六个实践项目，全部项目完成后对策略的培养效果进行检测与分析。
（一）项目案例
这里以“多功能运动助手”项目为例。该项目围绕的问题是为了解决现实生活中人们很难坚持运动的问题，人们需要借助一款多功能的APP，帮助他们记录运动量和运动时间，养成运动健身的良好习惯。
1.问题组织
如图2所示，问题组织从最基础的问题出发，不断地拓展问题情境域和提升问题复杂度，学生首先分析具体问题，思考利用App Inventor可视化编程工具解决问题的方案，然后选择相应组件，设计算法建立模型来验证解决方案。这些问题的组织要精心安排，既要让问题情境域的拓展符合生活逻辑与实践经验，也尽量让后一个问题的解决关联到前一个问题解决用到的知识。
图2 问题组织
2.特征抽象
教师鼓励学生运用思维导图将问题关键的因素和环节提取出来，这样使得问题更加容易理解，梳理问题解决的思路，为接下来找到综合解决方案、建立模型做好铺垫。
3.学案设计与微课设计
学案设计围绕问题的解决和学生计算思维的发展，通过一定问题思考的形式（提问、提示、填空引导等），引导学生自主探索，并用App Inventor实践加以检验。例如在控制音乐播放上一首和下一首时，学案引导学生思考解决问题的方法，给出部分代码提示，同时提示可使用上一个问题解决的变量来控制音乐的名称。微课的设计针对的是问题解决过程中可能会涉及的基础知识的讲解，例如讲解音乐播放器组件的性质和事件、循环结构、选择结构等适用范围，帮助学生掌握问题解决所需的必要知识。
4.建立解决模型
运用思维导图画出关键环节后，就可以进行模型的建立，在APP Inventor中就是进行组件设计与逻辑设计，鼓励学生采用不同的实现方法，拓宽学生的思维视野。
5.促进反思优化
整个项目在完成APP Inventor组件和逻辑设计后，每位同学对程序进行调试并验证解决方案的可行性，根据调试结果调整或优化自己的思维过程与方法，然后选择2-3位同学分享项目实现的思路和方法，反思问题解决方案，甚至探索出新的解决思路和途径。
（二）策略效果的评价
计算思维评价的主要方式有基于情境的问题解决、基于培养工具的测试题、访谈法、作品分析、图示分析，行为分析等。本研究采用的评价包括：基于APP Inventor的前后测问卷调查、作品分析和学生访谈。
1.问卷调查
图3 计算思维水平测试正确率
本问卷依据Brennan和Resnick定义的关于计算思维框架[15]包括：计算概念、计算实践和计算观念设计问卷，本问卷共分为13道题，1-4测试计算概念维度水平，5-11测试计算实践维度水平，12-13测试计算观念维度水平。本研究对使用策略有一学年的四个班级进行前测和后测，共收到有效问卷178份，对其统计分析各部分前后测正确率（如图3）可见提升幅度最大的是关于计算概念，其次是计算实践，最后是计算观念。
2.分析作品
作品创作是能够比较综合、客观地反映出学生的计算思维在各方面能力的发展水平，据此分析学生作品，评价其在计算概念和计算实践上两方面的发展。使用策略的班级两人一组创作APP Inventor作品，共收到四个班级共85份作品，对作品分析发现在进行作品规划时围绕解决的问题，学生能够将问题进行分解（如表2），然后抽象画出思维导图（如图4），说明学生具有分析问题的能力和抽象能力。通过组件设计和逻辑设计完成作品，最后调试成功，说明学生逻辑思维能力和建模能力得到一定发展。同时分解学生的代码块使用频率进而与对照班级作品进行对比分析（如表3）以评价其在计算概念中的差异。通过作品分析统计发现72%的学生都能将课堂中学到的知识融入到自己创作的作品中，说明学生具有一定的问题迁移能力。
图4 学生作品思维导图
表2 学生作品构思表
表3 学生代码块使用频率对比
3.访谈
为了进一步了解学生的思维发展，对7名学生进行访谈，访谈问题围绕作品模块、主要功能/怎样实现这些功能；关键算法是什么/遇到主要困难是什么；如何解决/用到学习的哪些知识等。这7名同学都可以清晰地分解自己作品的模块和描述各模块的功能，其中7名同学用到变量、选择结构、数学运算，5位同学用到了循环结构、列表，另外有6位同学谈到调试过程中遇到的问题，通过查找资料、求助其他同学、咨询教师等方法解决问题，从访谈中也可以证实学生的计算思维水平得到了一定的发展。
七、结语
本研究提出的问题组织方式策略、思维导图策略，学案+微课引导策略、多元评价策略五个策略，在提升学生计算概念、计算实践和计算观念方面均有效果，验证了策略合理性与有效性，但是我们也看到了不足，如在提升学生计算实践方面，提升幅度不超过20%，策略需要进行完善；进一步扩大实践范围，关注跨学科中计算思维培养效果，尤其是在STEM课堂中。这些都具有进一步的研究价值，也是下一步的研究方向，期待以后的研究能为信息技术课程改革提供更多实践参考价值。
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