面向三种典型程序语言的中小学计算思维课堂设计研究.docx

面向三种典型程序语言的中小学计算思维课堂设计研究 当前，在中小学信息技术课的教学中，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。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的教学效果。 编程教育可以补充当前中小学信息技术课程的不足，满足不同学生的兴趣需求。同时，编程在对学生计算思维的培养方面有着优势，一方面编程要求用计算机解决问题，另一方面编程有助于培养学生“学会学习”的能力。特别是近些年我国中小学呈现出三种典型程序语言的教学普及化。其中，Scratch 是一种儿童可以创造性地设计出属于自己的作品的程序。[1]App Inventor是快速开发移动应用的设计工具，它通过积木式的堆叠法来完成Android程序。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，并通过拖曳积木的方式编写属于自己的应用。[2]Python 语言是一种面向对象、直译式计算机程序设计语言。同时Python 是开源的语言，具有丰富和强大的类库，同时具有优良的可扩展性和平台可移植性。[3] 相关研究 有研究指出，结合我国学生发展核心素养，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解决过程中。国际教育技术协会（ISTE）、美国计算机科学教师协会（CSTA），以及来自高等教育、产业界和中小学教育的专家提出关于计算思维的操作定义，认为计算思维是一种问题解决的过程。包括（但不限于）以下几点：（1）按照能够方便使用计算机和相关工具解决问题的方式表述问题；（2）按逻辑组织和分析数据；（3）利用抽象的方法表示数据，例如模型和模拟；（4）通过算法的思想（一系列有序的步骤）生成自动化的解决方案；（5）通过识别、分析和实施各种可能的解决方案，以实现最有效的步骤与资源的组合；（6）概括该问题的解决过程，并迁移到其他相关问题中。[4] Scratch、App Inventor、Python三种典型程序语言存在很多的差异性，具体包括如下三个方面。 （1）抽象能力要求层次不同。Scratch与App Inventor作为“块”语言，使用积木式编程方式，对于学生的抽象能力要求较低，这符合小学生和初中生的思维方式。其中，Scratch对于学生的抽象能力要求最低，几岁的儿童知道模块的功能也可以实现简单的编程。App Inventor一般与手机程序联系在一起，这要求学生对于多媒体界面以及通信连接要有所了解，对于学生的抽象能力要求更进一步。Python虽然语法较为简单，但属于面向对象的语言，仍然有继承、重载、派生等概念，对于学生的抽象能力要求虽然达不到C++语言等高级语言的层面，但相对于Scratch和App Inventor已经提升了一个高度。 （2）逻辑组织和分析数据要求不同。在分析一个问题的时候，Scratch需要的逻辑组织要求最低，体现在模块的明确性，每一个模块的功能都很明确，与此同时分析一个问题时，需要何等数据直接输入在模块中即可。App Inventor主要是页面设计，如设计一个呼叫功能的安卓应用，学生需要清楚地整理出在手机上此功能需要哪些按钮，按钮需要什么模块，虽然同样是模块化语言，但比Scratch要求的逻辑组织更进一步。Python作为高级语言，对于问题的逻辑组织要求更高，对于任何一个问题的分析，如何转化为程序语言，使用哪个模块库去实现是需要较高的积累以及逻辑要求。 （3）设计算法的要求不同。对于学习Scratch和APP Inventor的学生而言，学生有些情况下是凭自己的兴趣去设计一个作品，学生并不知道什么是算法，但是学生可以在教师的引导下写出做作品的步骤，潜在地训练其对于分解问题以及设计算法的能力。对习Python的学生而言，算法是这门语言的核心，学生需要掌握一些常见的算法，如汉诺塔算法、背包问题、贪心算法，这些算法本身就涉及数学基础，对于小学生和初中生比较难以理解。 编程技术支持的计算思维课堂模型分析 1.编程技术培养计算思维的需求分析 虽然其他学科也可以培养计算思维，但是编程技术对于计算思维的培养是有其独特的优势的。编程技术作为必须在计算机上实现的语言，本身就是人们用计算机去解决问题的一种技术手段，不论何种程序语言，都会涉及算法。 用编程技术去培养计算思维，首先需要确定学生的阶段，7岁儿童和17岁少年的思维层次是不一样的，适合的程序语言也不相同。根据问题的逻辑递进会选择不同的程序语言，对于计算思维的侧重点也不相同。本研究对于计算思维进行细分，考虑到学生的年龄以及认知程度的差异，对三种典型语言的适用范围进行了评价。如