袁 源

（蘇州工業(yè)園區(qū)星洲小學(xué) 江蘇蘇州 215000）

一、計(jì)算思維與項(xiàng)目式教學(xué)法

計(jì)算思維是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)教育最為重要的思想之一[1]。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)思維之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，它反映了計(jì)算的根本問題，即什么可以被有效地自動(dòng)進(jìn)行。計(jì)算是抽象的自動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)化需要某種計(jì)算機(jī)去解釋抽象。從操作層面來說，計(jì)算就是如何在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上去求解問題，也就是要確定合適的抽象。

計(jì)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(shí)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(jì)算思維中的抽象遠(yuǎn)超如此，比如鏈表、堆棧、樹等常見的計(jì)算機(jī)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(yùn)算。其次，計(jì)算思維中的抽象是對具體現(xiàn)實(shí)問題的抽象，而客觀現(xiàn)實(shí)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(huì)變得無比的復(fù)雜，系統(tǒng)最終難以實(shí)現(xiàn)。這就使得計(jì)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(xì)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(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，一般也會(huì)要求計(jì)算機(jī)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(xiàng)目式教學(xué)法鼓勵(lì)學(xué)生在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行信息的收集、方案的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目的實(shí)施及評(píng)價(jià)等。項(xiàng)目式教學(xué)法中的項(xiàng)目可以來源與真實(shí)的情境，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生利用程序設(shè)計(jì)解決平時(shí)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(jì)算思維培養(yǎng)研養(yǎng)，主要是采用項(xiàng)目式教學(xué)法。

二、計(jì)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(gè)學(xué)科領(lǐng)域的綜合教育理念。Stem強(qiáng)調(diào)知識(shí)的綜合性，意在培養(yǎng)學(xué)生的綜合使用各種知識(shí)解決問題的能力。計(jì)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(diǎn)指出：使計(jì)算思維成為所有教育的必要組成部分。Stem是一種先進(jìn)的教學(xué)理念，并且和計(jì)算思維是相通的，我們在計(jì)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(gè)方面進(jìn)行計(jì)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(shí)情況紛繁復(fù)雜，同時(shí)小學(xué)生知識(shí)經(jīng)驗(yàn)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(lì)學(xué)生對現(xiàn)實(shí)的問題進(jìn)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(shí)現(xiàn)從具體到抽象再到具體的一個(gè)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(gè)邊長60個(gè)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(gè)角60°；有三條邊；每條邊60個(gè)單位。觀察后，學(xué)生自己總結(jié)（必要時(shí)老師幫助）正三角形每個(gè)角60°和有三條邊是每個(gè)正三角形的共性，而每條邊60個(gè)單位是該三角形的個(gè)性。此時(shí)我們引導(dǎo)學(xué)生畫出來一個(gè)這樣的形狀：三條邊、每個(gè)角60°、未知長度的邊，其中未知長度的邊用參數(shù)傳入。此時(shí)，我們就實(shí)現(xiàn)了對一個(gè)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(shí)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(jì)算出每個(gè)角的角度，如此，又實(shí)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(shí)緊密結(jié)合，促進(jìn)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(jì)解決現(xiàn)實(shí)問題的時(shí)候，往往面臨的是一個(gè)對他們來說很大的工程問題，這個(gè)時(shí)候很多孩子會(huì)顯得無從下手。教師可以先嘗試帶著學(xué)生對這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行分解，對于六年級(jí)的學(xué)生來說，甚至可以讓學(xué)生自己分解項(xiàng)目。繪圖能力比較強(qiáng)的學(xué)生可以將他們對于項(xiàng)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(jì)的一部分。這對于教師或者學(xué)生團(tuán)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(xiàng)目時(shí)要盡量做到合理，各人負(fù)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(xiàng)目進(jìn)行分解，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的工程化。

三、App Inventor對計(jì)算思維的培養(yǎng)

App Inventor是一個(gè)開發(fā)移動(dòng)端應(yīng)用程序的編程環(huán)境，可以通過模擬器運(yùn)行在安卓端或者IOS端，該環(huán)境是一個(gè)完全在線的web網(wǎng)頁。平臺(tái)對復(fù)雜的編程語言進(jìn)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(jì)。該平臺(tái)不僅可以在手機(jī)端模擬程序的運(yùn)行，并且能夠?qū)W(xué)生的項(xiàng)目導(dǎo)出成為一個(gè)可安裝的安卓應(yīng)用程序，運(yùn)行在安卓手機(jī)端或者平板端。實(shí)際動(dòng)手制作出來有一定使用價(jià)值的App，能夠更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作熱情，也能增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。在具體實(shí)踐中，App的創(chuàng)作往往依托于真實(shí)的情境。比如，各個(gè)班級(jí)都有圖書角，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)我們可以開發(fā)一個(gè)小型的圖書管理系統(tǒng)，用于班級(jí)的圖書角管理；又比如，學(xué)校運(yùn)動(dòng)會(huì)上，裁判員使用的秒表計(jì)時(shí)器，我們可以很容易使用App Inventor創(chuàng)建一個(gè)移動(dòng)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(gè)性化地解決問題，不僅可以潛移默化地學(xué)會(huì)基礎(chǔ)的程序設(shè)計(jì)，并且在創(chuàng)作的過程中，學(xué)生會(huì)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(huì)得到提高，算法思維會(huì)得到鍛煉?；贏pp Inventor培養(yǎng)小學(xué)生的計(jì)算思維，我們主要設(shè)計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。教學(xué)情境是貫穿于整個(gè)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(shí)情境中進(jìn)行。每一個(gè)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(xiàng)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(jìn)行計(jì)算思維訓(xùn)練的一些具體的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

圖1 設(shè)計(jì)的四個(gè)環(huán)節(jié)

1.抽取教學(xué)情境

知識(shí)的意義寓于情境之中，學(xué)習(xí)情境不是一個(gè)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(shí)，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(shí)的促進(jìn)者[3]。教學(xué)資源最好來源于真實(shí)的情境，在真實(shí)情境下，學(xué)生的創(chuàng)作才會(huì)更有意義，學(xué)生可以更好地理解程序設(shè)計(jì)是為了解決生活中的問題，考慮到真實(shí)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(shí)情況，需要對真實(shí)情境抽取出一些簡單的共性特點(diǎn)。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(jì)。

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(xiàng)目需求文檔

項(xiàng)目需求文檔的制定非常重要，因?yàn)樾W(xué)生思維不成熟，他們往往還沒想清楚就開始動(dòng)手編碼，做到一半發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)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(shí)，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(xiàng)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(shí)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(jì)復(fù)雜的需求。

圖2 小組間共同協(xié)作

3.編碼調(diào)試

項(xiàng)目需求文檔設(shè)計(jì)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(shí)點(diǎn)，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(jì)算思維培養(yǎng)的最重要的一環(huán)，因?yàn)樵诰幋a環(huán)節(jié)，我們需要將具體的現(xiàn)實(shí)進(jìn)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(xiàng)目，項(xiàng)目中的錯(cuò)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(lì)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(xiàng)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(yàn)自己的作品（如圖3）。我們需要盡可能依據(jù)真實(shí)的情境，賦予項(xiàng)目一定的實(shí)際意義。比如，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生舉辦一個(gè)小型運(yùn)動(dòng)會(huì)，利用我們的“秒表”程序給運(yùn)動(dòng)員們計(jì)時(shí)。還有，我們也可以在做手工時(shí)，利用“水平儀”程序檢驗(yàn)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(shí)的應(yīng)用。學(xué)生可以以此充分體會(huì)到項(xiàng)目創(chuàng)作的樂趣，并且在這個(gè)階段可以收集同學(xué)們的體驗(yàn)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(jì)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(jì)前的項(xiàng)目需求分析、功能模塊設(shè)計(jì)、思維導(dǎo)圖、流程圖的設(shè)計(jì)是宏觀上的抽象。在App Inventor的教學(xué)實(shí)踐中，我們可以充分利用項(xiàng)目式教學(xué)，在真實(shí)的情境中去激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作熱情，整個(gè)項(xiàng)目過程中學(xué)生應(yīng)協(xié)作學(xué)習(xí)，共同解決項(xiàng)目中遇到的問題。學(xué)生從無到有地設(shè)計(jì)一個(gè)App，本身就是一個(gè)極具抽象的過程，從零到一去編碼實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)也是一個(gè)從抽象到具體的過程。并且使用App inventor創(chuàng)作真實(shí)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(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，也更能模仿真實(shí)的情境。