基于App Inventor和计算思维的信息技术课堂教学研究

郭守超，周 睿，邓常梅，狄长艳，周庆国

(1.兰州大学 教育学院，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学 信息科学与工程学院，甘肃 兰州 730000；3.重庆师范大学 教育科学学院，重庆 401331)

基于App Inventor和计算思维的信息技术课堂教学研究

郭守超1，周 睿2，邓常梅3，狄长艳2，周庆国2

(1.兰州大学 教育学院，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学 信息科学与工程学院，甘肃 兰州 730000；3.重庆师范大学 教育科学学院，重庆 401331)

中小学信息技术课程是培养中小学生计算思维思想的有效途径。目前相当数量的中小学校在信息技术教育的教学内容和教学方法等方面存在知识点古板、教学设计不符合中小学生认知规律等无益于中小学生计算思维培养的问题。App Inventor是采用模块拼接方式快速开发移动应用的设计工具，可以培养中小学生的计算思维能力。综合计算思维和App Inventor的特点，针对目前中小学信息技术课程教学现状，该文探索提出了以教师为设计者、组织者、引导者，以App Inventor为学习工具，通过师生合作、生生合作等形式，学生主动利用计算思维思想解决问题，来培养计算思维能力的学习模型。通过实例论证，该模型可以有效提高学习和教学效率，培养学习者的计算思维能力，同时为教学者的实际教学提供了参考。

计算思维；中小学；信息技术教育；App Inventor

一、引言

1972年，图灵奖得主Edsger 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。”随着电子计算机的广泛普及，计算思维逐渐成为与人类的读写能力一样的基本思维方式。中国工程院院士、中国计算机学会理事长李国杰曾说过，计算思维是每个人都应当具备的基本技能，它不仅仅属于计算机科学家，包括孩子在内的每个人都要学会计算思维。

计算机教育是高科技时代的必然要求，跟语文、数学、外语一样，是一种知识性和技能性相结合的基础教育，现阶段信息技术教育在我国中小学已经得到普及，信息技术已经列入中小学生的必修课程。中小学信息技术课程的内容以计算机和网络技术为主，其核心思想是计算思维，是培养中小学生计算思维思想最直接的方法之一。

当前，在中小学信息技术的教学中，教师主要倾向于对计算机基本操作以及常用软件的讲解，课堂教学枯燥乏味，学习者的学习积极性也不高，而且相对古板的教学模式以及陈旧的教材，也影响了信息技术课程对中小学生计算思维思想的培养。但是目前，在中小学信息技术教育教学中，对计算思维思想的教育总体还处于摸索阶段，没有一个系统科学的教育教学模式，来帮助信息技术教师培养中小学生的计算思维能力。

App Inventor是快速开发移动应用的设计工具，它结合教育的功能，把程序设计的思想通过代码块的拼接实现，它的这一特征尤其适合在中小学信息技术中对计算思维思想的培养。教育者可以利用App Inventor的教育功能和代码块拼接编程的特点，激发学生的学习兴趣，提高课堂教育教学效率，达到培养中小学生计算思维能力的目的。

二、计算思维和App Inventor

(一)计算思维及其特点

计算思维并不是一个新的概念，也不是电子计算机广泛普及的产物。从中国的古算具比如算筹、算盘，到近代的图灵理论和图灵机，都蕴含着一种计算思维的思想，只不过计算思维一直在朦胧地被使用。2006年3月美国卡内基·梅隆大学的计算机科学系主任周以真(Jeannette M. Wing)教授[1]在美国计算机权威期刊Communications of the ACM上对计算思维进行如下定义：计算思维是指运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。通过周以真教授系统、明确的描述，计算思维逐渐受到广泛关注，并逐步被引入到课堂教育教学中。他认为，计算思维具有以下几个方面的特征：(1)概念化，不是程序化。计算机科学不只是关于计算机，像计算机科学家那样去思维意味着远不止能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。(2)根本的，不是刻板的技能。根本技能是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的，刻板技能意味着机械地重复。(3)是人的，不是计算机的思维方式。计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那样思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力，是人类赋予计算机激情。配置了计算设备，我们就能用自己的智慧去解决那些在计算时代之前不敢尝试的问题，达到“只有想不到，没有做不到”的境界。(4)数学和工程思维的互补与融合。计算机科学在本质上源自数学思维，像所有的科学一样，其形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统，基本计算设备的限制迫使计算机学家必须计算性地思考，不能只是数学性地思考。构建虚拟世界的自由使我们能够设计超越物理世界的各种系统。(5)是思想，不是人造物。不只是将我们生产的软件硬件等人造物以物理形式到处呈现并时时刻刻触及我们的生活，更重要的是还将有我们用以接近和求解问题、管理日常生活、与他人交流和互动的计算概念。(6)面向所有的人，所有地方。当计算思维真正融入人类活动的整体以致不再表现为一种显式之哲学的时候，它就将成为一种现实[2]。

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，即计算思维是一个问题解决的过程，包括以下特点：(1)制定问题，并能够利用计算机和其他工具来帮助解决该问题；(2)要符合逻辑地组织和分析数据；(3)通过抽象，如模型、仿真等，再现数据；(4)通过算法思想(一系列有序的步骤)，支持自动化的解决方案；(5)识别、分析和实施可能的解决方案，找到最有效的方案，并且有效结合这些步骤和资源；(6)将该问题的求解过程进行推广并移植到更广泛的问题中[3]。由此可以看出，计算思维的本质是抽象和自动化，其核心是解决问题所涉及的算法问题，而程序设计类课程则是集中体现了算法问题。因此，在程序设计类课程中，培养学生的计算思维能力显得尤为重要。只有当计算思维成为一种本质的、所有人都具备的思维方式，使计算思维成为人类活动的整体，才能激发人们对科学探索的兴趣，使计算思维成为一种常识。作为提升学生信息素养的中小学信息技术课程，也应该承担起计算思维教育的重任[4]。

(二)App Inventor及其特点

App Inventor最初是一款Google公司开发的手机编程工具，用户能够通过该软件快速便捷地开发Android系统的移动应用。App Inventor于2012年1月移交麻省理工学院行动学习中心，并以MIT App Inventor(http：//appinventor.mit.edu/)的名字公布使用。由于麻省理工学院主要是和教育机构进行合作测试，所以App Inventor完全可以在课堂上接触它的学生中进行推广。目前，美国的Kilgour小学在北肯塔基大学的帮助下已经开设了基于App Inventor的课后程序开发班，用来指导1至6年级的学生利用App Inventor自主开发应用程序。

(1)开发环境搭配方便。App Inventor开发环境具有搭建步骤少、易操作的特点。主要包括下载安装Java以及App Inventor，即便是没有计算机基础的人，也能顺利完成环境搭建工作。因此App Inventor可以很方便地在中小学机房中安装应用，也为有条件的中小学生自主学习提供了可能。

(2)开发过程简单，易操作。App Inventor程序的设计开发具有模块拼接编程的特点。开发过程主要包括网页开发环境中的外观设计以及在模块编辑视图中进行代码拼接编程，并可直接生成apk应用安装文件。中小学生可以借助模块拼接过程的可视化特点，更好地进行抽象思维活动，提高学习效率。

(3)不需要太多的编程知识。模块编辑视图中的模块都已经封装了代码，所以不需要中小学生亲自编写代码，只需要按照创意直接拖拽模块即可完成编程。中小学生的思维特点主要是从具体形象思维过渡到抽象逻辑思维，而App Inventor不需要抽象难懂的理论知识，这无疑会极大地激发学生的学习兴趣。

(4)开发周期短。App Inventor可以在几分钟之内就完成程序的开发。考虑到中小学生注意的保持时间有限，特别是低年级学生的注意保持时间只有20分钟左右，App Inventor可以有效地提高课堂教学效率。

(5)App Inventor支持离线开发。即使没有网络连接时，也可以正常进行编程操作。这在校园网络建设不是很完善的中小学校园里，显得尤为重要。

(三)App Inventor对教学的影响

在中小学的信息技术课程中，教学目的逐步从普及计算机知识与应用技能转向信息技术教育这一更具深度与广度的层面，主要任务是培养学生对信息技术的兴趣和意识以及利用信息技术对其他课程进行学习和探究的能力。教材编写的指导思想也应以培养应用信息技术解决实际问题能力为主线。然而在实际教学中，仍然存在一些不足之处，App Inventor可以为我们的教育教学提供一些参考。

1.对学习者的影响

兴趣是主动学习的前提。中小学学生的思维一般都十分活跃，能充分发挥学生创新思维的课程内容才是学生感兴趣的内容。但是现在中小学信息技术教育的侧重点仍然是办公软件的应用以及系统基础操作，中小学生接触的程序设计语言主要是LOGO语言和BASIC语言，不仅操作枯燥乏味而且理论知识抽象难懂，很难引起学生学习的兴趣。信息技术教学过程是一个完整的信息加工过程，应该倡导以学生为主体的任务驱动型学习模式。但是现在信息技术的课堂模式主要是通过教师的讲解，以及通过对学生上机操作的指导来实现，这种课堂模式不仅缺乏有效的教学交流、难以调动学生学习的积极性，更是难以对计算思维能力进行有效培养。

而App Inventor的突出优点是可视化操作、模块拼接编程。App Inventor不仅对代码进行了封装，而且对模块进行了颜色和形状的划分，简易的操作以及模块的视觉效果丰富了学生的感知，极大提高了学生的学习兴趣，促使学生进行主动的学习探究；程序的编写过程，实质上是问题的提出解决过程，App Inventor的引入，使学生实现自己的创意成为可能，并获得卓有成效的学习经历，从而真正主动地进行任务驱动型的学习，直接培养学生的计算思维能力；在使用App Inventor实现自己的创意之前，每个学生都会遇到不同的问题，学生会积极向老师请教，极大地促进了课堂互动，提升了教学效率。

除此之外，App Inventor的使用离不开智能终端的支持。如今智能手机、平板电脑等智能终端设备得到了极大的普及，而且电子书包、智能机器人也正火热地运用到中小学的教育教学中。但是电子书包和智能机器人过于昂贵，在中小学校特别是西部地区的中小学校推广起来难度比较大，基于App Inventor的手机教学则有其显著的优势。利用App Inventor，智能手机不仅可以作为编程的工具，还可以产生一系列包含各学科知识的学习软件，从而使学习者更有效地使用手机，提高学习效率。

2.对教学者的影响

基于App Inventor的教学，主要强调中小学生自主地发现问题、解决问题，此时教学者的教学方法乃至整个教学过程都应该做出相应的调节和改变。由于此教学过程强调学习者的主动学习、自我探索、信息加工，因此教学者应该掌握信息加工的学习理论、建构主义的学习理论等相应的教学、学习理论，才能更好地实施教学[5]。计算思维的本质是抽象和自动化，因此根据App Inventor的特点，教学者在教学和学习过程中应利用App Inventor激发学习者的学习兴趣和学习动机，引导学习者主动地发现问题、解决问题，从而更好地培养学生的计算思维。

任课教师是中小学信息技术教学的关键。教学者应该精心设计教学内容和案例，体现并展现隐藏在知识背后的计算思维思想[6]。基于App Inventor的教学，属于任务驱动式、思维支架式、问题探究式教学，教学的目的不仅仅是利用App Inventor解决实际问题，更主要的是为了培养学生的计算思维能力以及动手实践能力；计算思维并不是只能在信息技术课堂上锻炼，教学者应该注意跨学科元素的引入，以及培养学生在生活中发现问题、独立解决问题的能力；计算思维并不是属于信息技术教育的专利，而是人的一种基本能力，只有把计算思维的思想运用到学习生活中，学生才能真正地掌握计算思维。

3.对考核方式的影响

App Inventor应用于信息技术课程将极大地推进基于课后报告和课堂教学的过程性评价，实现以学生为本的评价效果，主要表现在：App Inventor使得基于课后报告和课堂教学的过程性评价成为可能。通过教学过程中学生的参与程度、问题解决情况以及课后报告，对学生做出综合性评价；App Inventor强化了以学生为本的评价效果。通过对学生自己所选择的问题的解决情况，可以做出对学生学习情况更客观的评价，使教学真正地促进学生的发展。

三、基于App Inventor的信息技术课堂教学和学习模型

(一)信息技术课堂的教学目标

目前，由于中小学校软硬件资源不足以及相对落后的教育观念，大部分中小学校在讲授信息技术课程时，采用课堂讲解和上机实践相结合的方式来促进学习者掌握信息技术知识，而且信息技术课程的重点在于计算机基础知识以及基本操作，忽视了对计算思维的培养，无法把计算思维思想运用到实际问题的解决中。

在信息技术课堂中，特别是在培养计算思维的过程中，教学者必须致力于引导学生利用计算思维解决问题，必须明确培养计算思维能力是信息技术教育的最终目的，而App Inventor只是学生掌握计算思维过程中的一种有效工具。

(二)基于App Inventor的信息技术课程学习模型

华东师范大学祝智庭教授认为，关注并投入娱教技术研究与应用实践，为教育技术开辟了一个新领地，对于促进教育技术学科发展具有重大意义[7]。基于计算思维抽象的特点，我们要充分利用App Inventor可视化模块拼接编程的特点，结合丰富有趣的实际问题，来培养学生的计算思维能力。下面，我们结合计算思维以及信息技术课程教学的特点，构建如图1所示学习模型。运用该模型进行信息技术教学，通过师生合作、生生合作等形式，可以增加学习者的学习兴趣，提升教学效率，有效地培养学习者的计算思维，使计算思维真正地成为解决实际问题的一项基本能力。

图1 基于App Inventor的中小学信息技术课程学习模型

在教学者的指导下，学习者在学习过程中首先根据教学者创设的情景提出所要解决的问题，并对问题进行抽象描述。根据App Inventor代码模块，通过约简、分解、模块化方法得到解决该问题行之有效的思维方法。然后通过回溯、保护、预防等方法完善问题解决的思维方法，并利用App Inventor解决问题。最后，通过根据自己的创意设计并实现课后实验，完成计算思维思想的迁移应用，实现对计算思维能力的掌握。

(三)App Inventor对计算思维能力的培养案例

教学者进行信息技术课程教学时，一般会首先讲解课程的基础理论知识，然后讲解具体问题的实现思想，但是基础知识一般比较抽象难懂，而且学习者没有主动参与教学过程，无法真正体会解决具体问题的思维过程。考虑到中小学生抽象逻辑思维尚未成熟的现实，教学者应该在避免大量抽象理论知识讲解的基础上，让学习者主动参与问题的解决，从而有效地培养学习者利用计算思维解决实际问题的能力。

打地鼠游戏是在中小学生中比较流行的益智游戏，同时它也是程序设计领域具有代表性的典型案例。下面通过对打地鼠游戏教学案例的分析，验证基于App Inventor的信息技术教学对中小学生计算思维能力的培养效果。学习者的学习过程如图2所示。在课堂教学中，教学者作为教学设计者、组织者、指导者和促进者，是教学过程的关键。主要的学习过程如下：

图2 学习者课堂学习示意图

首先教师创设情景，引出所要解决问题。学生作为问题解决过程的主体，教师作为教学辅助者辅助学生学习。在教师的辅助引导下，学生抽象地表达所要解决的问题：地鼠随机出现、判断点中地鼠以及显示成绩。然后引导学生把问题分解、约简为不同模块：显示地鼠、获取随机坐标、控制地鼠出现的时间差以及显示成绩。接下来鼓励学生利用模块化方法实现系统功能，主要指利用App Inventor所封装的代码模块实现系统功能，包括利用ImageSprite显示可移动的地鼠图像、利用公式Random Interger获取随机数、在Canvas上提取随机坐标、利用Clock设置时间差、通过Canvas的Touched事件判断是否点中地鼠、利用全局变量计算显示游戏成绩。

由于模块化方法属于贪心策略，具有短视、损害整体利益的缺点，此时教学者应鼓励、引导学生利用回溯方法对模块化方法的结果进行验证，主要包括通过定义调用函数对模块方法进行优化，从而保证问题的系统功能完整实现。

通过等价转换方法，把所要解决的问题转化为可行的思维方法后，教师应该指导学生亲自动手，通过模块拼接，对思维方法进行实现。此时要注意培养学生解决问题时的动态规划观念，教师指导并积极参与在问题解决过程中利用回溯、检错、容错以及保护方法及时对思维方法进行改善，从而顺利解决问题，成功地把思维方法转化为所要求解问题的正确结果。

最后教学者鼓励中小学生提出自己的创意，并利用App Inventor对其实现，通过中小学生对实际问题的独立解决，完成了计算思维思想的迁移应用，进一步加强了对中小学生计算思维的培养。该任务驱动型学习过程形象生动，学习者不但体现出极大的兴趣，而且通过对抽象问题的主动探究掌握了利用计算思维方法解决问题的能力。

学习者利用App Inventor进行编码的结果如图3所示。从图中可以更明显地看出，在省略抽象难懂的理论知识讲解的前提下，学生通过对模块的拼接编码，很好地利用计算思维解决了实际问题。

图3 打地鼠游戏编程结果示意图

对比传统的信息技术课堂教学，基于App Inventor的教学不仅让教师更容易地实现教学，而且让学生对问题解决进行主动参与。在教学过程中始终贯穿师生互动，学生既理解了计算机科学的基础概念，又运用计算机科学的基础概念成功地进行了系统设计以及问题解决的思维过程，有效地掌握了计算思维思想。

(四)App Inventor对教学实践效果的影响

乔布斯曾问道：“IT几乎改变了所有的领域，为什么对教育的影响小得让人吃惊？”许多学者认为，这是因为信息技术并没有真正地变革现有的教学模式，这点在信息技术课程中表现尤为明显。传统的信息技术课程只是为了学习信息技术本身，而没有注重培养学生计算思维的能力，更不必说把计算思维作为一种基本能力来学习其他学科的知识甚至是解决生活中的实际问题，因此信息技术一直难以对教育产生实质影响。基于App Inventor的教学，则提供了一种全新的教学模式。

CS4HS，全称是Computer Science for High School，是Google公司一个面向全球中小学的师资培训项目。兰州大学举办的2012年中小学信息技术师资培训班，整合了兰州大学和台湾中央大学的优秀教师资源，期望在信息技术和教育教学的建设、应用方面，为中小学校提供帮助和指导，间接达到培养中小学生计算思维能力的目的[8]。由于中小学生尚不能对自我有充分正确的认知，笔者通过对中小学信息技术教师的调查来验证基于App Inventor中小学信息技术教学效果。对CS4HS参训教师的调查结果如图4所示。

图4 教学者对该教学模式的评价

由图4可知，根据对中小学生对App Inventor的掌握程度以及在日常生活中对计算思维思想的使用情况判断，基于App Inventor的中小学信息技术课程对培养学习者的计算思维能力有显著影响。但是，值得注意的是，由于App Inventor并没有真正成为信息技术教育课程中的技术工具，而且忽视了中小学生计算机知识的差异性，此数据只能对我们的学习模型进行一定程度的反馈，并不能广泛普及推广。

四、评价与总结

在信息技术课程中对中小学生计算思维能力进行培养，目前还处于探索阶段，教学设计以及学校软硬件资源等也都还没有明确的标准，而且现阶段对计算思维培养的研究，大部分还停留在理论阶段，有的仅仅是在课堂中引入了计算思维，对计算思维的培养仍然缺乏科学的体系。本文通过对打地鼠游戏教学案例的演示，说明了App Inventor在中小学信息技术教学中的应用。通过利用App Inventor工具，以及利用计算思维解决实际问题，学习者的计算思维能力得到了有效的培养。

App Inventor也有不足之处。首先，尽管App Inventor号称是面向“所有人”的开发环境，但是中小学生学习起来仍然有一定的难度。其次，App Inventor已有的组件还不够完善，如果中小学去使用App Inventor，却没有自己想要的组件，虽然该项功能可以通过其他组件实现，或许学生们仍然不得不放弃自己的创意。但重要的是，孩子理解了计算机科学的基本概念，例如面向对象、参数、消息、控制、交互、计算思维相关方法等，而且在这个过程中，培养了中小学生利用计算思维能力独立学习、独立解决实际问题的能力。

在这里，我们从利用App Inventor作为信息技术课程教学工具的出发点，对培养中小学生的计算思维能力进行了探讨，并非否定其他教学方式。在美国，App Inventor已经成功地引入了中小学的教育教学，但是对于App Inventor在中国中小学校的普及，还有很长的路要走。基于App Inventor的信息技术教学有其独特的优势，但是我们所涉及的只是对计算思维某些特征的学习，想要真正培养中小学生的计算思维能力，仅靠一个程序设计工具或者仅靠信息技术这门课是远远不够的，对中小学生计算思维的培养，任重而道远。

[1]WING J M. Computational Thinking[J].Communications of ACM,2006,(3)：33-35.

[2][5]牟琴.“轻游戏”对计算思维能力的培养——教育游戏对程序设计基础课程教学的影响[J].远程教育杂志,2011，(6)：94-101.

[3]Operational Defi nition of Computational Thinking for k-12 Education[EB/OL]. http：//www.iste.org/Libraries/PDFs/Operational_Definition_of_Computational_Thinking.sfl b.ashx,2012-04-15.

[4]王荣良.计算思维对中小学信息技术课程的影响初探[J].中国教育技术装备，2012，(27)：56-57.

[6]冯博琴.对于计算思维能力培养“落地”问题的探讨[J].中国大学教学，2012，(9)：6-9.

[7]祝智庭,邓鹏,孙莅文.娱教技术：教育技术的新领地[J].中国电化教育，2005， (5)：11-14.

[8]郭守超,周睿,施国琛.CS4HS：促进计算机教育从孩子抓起[J].中国教育网络，2013，(2)：113-114.

郭守超：在读硕士，研究方向为教育软件开发(doushiyongheng@126.com)。

周庆国：教授，博士生导师，研究方向为安全关键系统、嵌入式系统、实时系统、虚拟化技术的研究、教育信息化(zhouqg@gmail.com)。

2013年12月5日

责任编辑：宋灵青

Instructional Research of Information Technology Based on App Inventor and Computational Thinking

Guo Shouchao1, Zhou Rui2, Deng Changmei3, Di Changyan2, Zhou Qingguo2
(1.School of Education,Lanzhou University,Lanzhou Gansu 730000;2.School of Information Science & Engineering,Lanzhou University,Lanzhou Gansu 730000;3.School of Education Science,Chongqing Normal University,Chongqing 401331)

Information Technology Course of primary and middle school is an effective way to develop the capability of schoolchildren on computational thinking.At present, a considerable number of primary and secondary schools have some problems on teaching contents and teaching methods of information technology education,which are no use to train the capability of schoolchildren on computational thinking.App Inventor is a design tool,which programs by splicing module,and it can cultivate the computational thinking ability of the students.Synthesizing the characters of App Inventor and Computational Thinking,for the current situation of information technology course teaching,this paper explore the study model of information technology course.In the model,teachers are made designers, organizers, guide, and students take the initiative to solve problems using computational thinking thoughts to train the capability of schoolchildren on computational thinking with App Inventor through cooperation between teachers and students, students and students.Through the demonstration of the case,we get that the model could not only increase the teaching and study efficiency but also improve the learner's computational thinking ability. Also the case gives a reference to the educators on cultivating the computational thinking ability.

Computational Thinking; Primary and Secondary Schools; Information Technology; App Inventor

G434

A

1006—9860(2014)03—0091—06

App Inventor项目带头人Harold Abelson教授的一句话：“App Inventor编写的应用程序或许不是很完美，但它们却是普通人都能做的，而且通常是在几分钟内就可完成。”这很好的体现了App Inventor的优势。App Inventor具有如下特点：