賴軍

一、計(jì)算思維和中學(xué)生的計(jì)算思維

2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志上定義了什么是計(jì)算思維，她認(rèn)為：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(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。這是高度抽象的概念定義，對(duì)于普通中學(xué)生而言，這個(gè)定義就有點(diǎn)不太“接地氣”。

那么什么才是中學(xué)生的計(jì)算思維呢？根據(jù)中學(xué)生思維發(fā)展處于形式化運(yùn)算階段，并具有抽象性和邏輯性的發(fā)展特點(diǎn)進(jìn)行分析，筆者認(rèn)為：中學(xué)生的計(jì)算思維是指中學(xué)生在現(xiàn)有知識(shí)水平和社會(huì)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)或程序設(shè)計(jì)思想，來(lái)分析現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)或程序設(shè)計(jì)來(lái)解決問(wèn)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(yùn)用程序設(shè)計(jì)思想來(lái)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的計(jì)算思維能力。

啟蒙中學(xué)生的計(jì)算思維并不是要把學(xué)生培養(yǎng)成計(jì)算機(jī)專(zhuān)家或?qū)I(yè)程序員，而是要培養(yǎng)生活在數(shù)字時(shí)代的青少年從小具備運(yùn)用計(jì)算思維分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的思維方式和思維能力。

二、培養(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維的重要性

1．信息技術(shù)教學(xué)需要重視計(jì)算思維的引導(dǎo)與培養(yǎng)。很多教師在開(kāi)展信息技術(shù)教學(xué)過(guò)程中往往注重計(jì)算機(jī)知識(shí)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(méi)有引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成按計(jì)算機(jī)的方式認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。在這樣的教學(xué)理念下，學(xué)生對(duì)所學(xué)計(jì)算機(jī)知識(shí)只能了解而不能理解，對(duì)操作技能只會(huì)模仿而沒(méi)有探究，運(yùn)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(shù)立培養(yǎng)學(xué)生思維方式的教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變知識(shí)傳授為思維啟發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生一定的計(jì)算思維能力。

2．計(jì)算思維是信息社會(huì)最基本的思維方式，是數(shù)字時(shí)代每個(gè)人都要具備的基本思維能力。我們所處的時(shí)代直至未來(lái)，計(jì)算思維都將是我們分析問(wèn)題和解決問(wèn)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(shí)和適應(yīng)這個(gè)時(shí)代，更好地在這個(gè)社會(huì)立足。浙江大學(xué)博士生導(dǎo)師何欽銘教授一直在呼吁：計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的重中之重，任重道遠(yuǎn)，我們要為之堅(jiān)持不懈、努力探索。

3．計(jì)算思維是中學(xué)生將所學(xué)計(jì)算機(jī)知識(shí)技能與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的重要基礎(chǔ)。具備了一定計(jì)算思維的學(xué)生，在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候，很自然就會(huì)想到使用計(jì)算機(jī)來(lái)解決。計(jì)算思維可以培養(yǎng)學(xué)生從復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中抽象出事物的主要特征，再聯(lián)系所學(xué)計(jì)算機(jī)知識(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)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(huì)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(dòng)力。

4．計(jì)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(jì)算思維通過(guò)分析事物，識(shí)別和明確定義計(jì)算問(wèn)題，運(yùn)用抽象并形成解決問(wèn)題的方案，驗(yàn)證并反饋方案的有效性和可操作性，完善并改進(jìn)解決方案。整個(gè)過(guò)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(diǎn)，培養(yǎng)計(jì)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(duì)學(xué)生形成良好的思維方式具有重要作用。

三、依托App Inventor實(shí)施中學(xué)生計(jì)算思維啟蒙的策略探索

本文之所以選擇依托App Inventor來(lái)培養(yǎng)中學(xué)生的計(jì)算思維，是因?yàn)锳pp Inventor是專(zhuān)門(mén)為青少年學(xué)生設(shè)計(jì)的移動(dòng)應(yīng)用編程入門(mén)開(kāi)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(cuò)誤；開(kāi)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(kāi)發(fā)者不用為記憶枯燥的代碼而苦惱；開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以在安卓終端和模擬器上實(shí)時(shí)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果可以實(shí)時(shí)把控，讓調(diào)試更簡(jiǎn)便、更高效。

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

1．將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為類(lèi)程序化語(yǔ)言描述，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力。類(lèi)程序化語(yǔ)言，是指按計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行的方式來(lái)描述問(wèn)題解決思路的類(lèi)似于日常用語(yǔ)的語(yǔ)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(jì)算思維的第一步，就是要訓(xùn)練學(xué)生使用類(lèi)程序化語(yǔ)言來(lái)描述實(shí)際問(wèn)題。舉個(gè)密碼驗(yàn)證的例子，可以用類(lèi)程序語(yǔ)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(shí)，提示驗(yàn)證通過(guò)，否則提示用戶名或密碼錯(cuò)誤。

用類(lèi)程序語(yǔ)言描述實(shí)際問(wèn)題不用要求學(xué)生說(shuō)出問(wèn)題的詳細(xì)解決方案，只要求能說(shuō)出大概的解決思路。教師可以提供一些實(shí)際生活中的例子讓學(xué)生用類(lèi)程序語(yǔ)言來(lái)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(duì)學(xué)校鈴聲的響應(yīng)等。引導(dǎo)學(xué)生形成習(xí)慣性的類(lèi)程序語(yǔ)言描述方法，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，墊定計(jì)算思維的基礎(chǔ)。

2．將類(lèi)程序化語(yǔ)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(jiǎn)單的類(lèi)程序化語(yǔ)言來(lái)描述實(shí)際問(wèn)題時(shí)，就要培養(yǎng)學(xué)生找準(zhǔn)問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，并將這種描述轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的程序流程圖，使邏輯更清晰。在密碼驗(yàn)證的例子中，會(huì)出現(xiàn)很多種情況：沒(méi)有輸入用戶名和密碼、沒(méi)有輸入用戶名、沒(méi)有輸入密碼、用戶名錯(cuò)誤、密碼錯(cuò)誤、用戶名和密碼都錯(cuò)誤、用戶名和密碼都正確。但在程序設(shè)計(jì)時(shí)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(jiǎn)單的流程圖如下圖所示：

對(duì)于初中學(xué)生，繪制流程圖無(wú)需太嚴(yán)謹(jǐn)、太完整，只要求能通過(guò)簡(jiǎn)單流程圖清晰地表達(dá)問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)的處理過(guò)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(lái)表達(dá)的基本能力，使學(xué)生培養(yǎng)成用流程圖來(lái)描述問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)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(jì)算思維能力。這一步是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為易于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)問(wèn)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(guò)繪制驗(yàn)證密碼流程圖后發(fā)現(xiàn)，驗(yàn)證密碼的數(shù)學(xué)模型非常簡(jiǎn)單，就是“輸入的賬號(hào)＝已設(shè)賬號(hào)”并且“輸入的密碼＝已設(shè)密碼”則驗(yàn)證通過(guò)，否則驗(yàn)證不通過(guò)。再轉(zhuǎn)化為分支結(jié)構(gòu)的程序模型：

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

密碼驗(yàn)證通過(guò)

否則

密碼驗(yàn)證失敗

結(jié)束分支

金從軍老師提供了一個(gè)關(guān)于農(nóng)夫運(yùn)送狼羊菜過(guò)河的例子：一位農(nóng)夫帶著一只狼、一只羊和一個(gè)卷心菜過(guò)河，因?yàn)榇?，農(nóng)夫一次只能運(yùn)送一樣?xùn)|西過(guò)河。但狼會(huì)吃羊，羊會(huì)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(yùn)送呢？

金老師用自然數(shù)來(lái)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為求差值的減法問(wèn)題，當(dāng)它們之間差值的絕對(duì)值等于1時(shí)，會(huì)發(fā)生“危險(xiǎn)”，必須加以避免。

現(xiàn)實(shí)生活中的所有問(wèn)題都可以轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，對(duì)于初中學(xué)生，可以選取一些既簡(jiǎn)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(lái)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(xiě)程序代碼，調(diào)試程序，解決實(shí)際問(wèn)題。

4．編寫(xiě)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(xiě)代碼，用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)模型，解決問(wèn)題。密碼驗(yàn)證的關(guān)鍵代碼如下：

農(nóng)夫運(yùn)送狼羊菜過(guò)河的關(guān)鍵代碼如下：

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

四、結(jié)語(yǔ)

計(jì)算思維是以計(jì)算機(jī)應(yīng)用與操作為基礎(chǔ)的方法論概念，啟蒙學(xué)生的計(jì)算思維不能脫離了計(jì)算機(jī)應(yīng)用與操作，應(yīng)該把計(jì)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(jì)算思維。筆者在App Inventor興趣小組教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)以上步驟的反復(fù)練習(xí)，學(xué)生的計(jì)算思維能力提升明顯，逐步養(yǎng)成了用計(jì)算思維方式分析事物的習(xí)慣，同時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)代能夠與時(shí)俱進(jìn)、永不落伍。

具備一定計(jì)算思維能力的人，會(huì)更有勇氣、毅力和自信去面對(duì)生活的挑戰(zhàn)，無(wú)論你面對(duì)的是什么，計(jì)算思維都能讓你更迅速、更容易地達(dá)成，人生又怎么會(huì)不精彩呢？

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