张 洁 钟柏昌
【摘 要】中小学算法与程序设计教学一直被诟病为大学程序设计教育的下放，且在超越技能训练方面一直停滞不前，需要努力探索新的道路。从教学理念来看，以计算思维为指导开展算法与程序课堂教学，不仅有利于克服传统教学“只见代码不见人”的弊端，且有利于将计算思维塑造成一种基本的科学素养；从教学工具来看，以Scratch、App Inventor等为代表的可视化、积木式编程工具解放了学生的双手，有利于学生创新能力的培养，应成为中小学算法与程序设计教育的主流工具。基于此，本课题以打地鼠游戏设计为例，采用AppInventor工具，以计算思维为指引设计具体教学目标和教学任务，努力培养学生的计算思维和创新能力。
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关键词 App Inventor；计算思维；打地鼠游戏
【中图分类号】G434 【文献标识码】B
【论文编号】1671-7384（2015）03-0058-04
当今时代，以平板、手机为代表的智能移动终端得到极大推广，移动应用开发成为程序设计领域的新宠。
这一时代变化也应当在基础教育有所映射，以消解程序设计教育领域的“PC霸权”。面向移动终端的编程语言有很多，但专业的开发工具需要涉及较多的语法学习，往往令初学者望而生畏。App Inventor具有零基础、无门槛、可视化、模块化等特点，符合新手的自然经验逻辑，只需“创意+代码拼接”，就可以开发自己的移动应用。将其作为一种事件驱动式编程语言，也有利于学生计算思维的培养。[1]因此，App Inventor一经对外开放使用，就受到了国内外教师和学生的青睐。
当然，选择一种合适的教学语言只是第一步，我们还应该特别关注“教什么”和“如何教”的问题。当前，中小学的算法与程序教学过分强调变量、函数、语句结构等编程语言和程序结构的技能，忽视了其内在的“算法思想”，长期以来陷入“狭隘工具论”误区而难以自拔。幸运的是，计算思维的提出为走出这一误区提供了新的方向。其提出肇始于2006年卡内基?梅隆大学计算机科学系主任周以真（JeannetteM. Wing）的界定：计算思维是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的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。[2]如今，计算思维受到广泛重视，不少学者对该概念进行了深入解读。其中，Karen Brennan和Mitchel Resnick的研究工作具有较强的实践指导性。他们从Scratch交互式媒体设计活动的特征出发，建立了计算思维的三维框架。第一个维度是计算概念，包括顺序、循环、事件、并行、条件、运算符、数据；第二个维度是计算实践，包括递增与迭代、测试与调试、抽象与模块化；第三个维度是计算观念，包括表达（通过创建交互性媒体表达观点和创意）、联系（交流）、质疑（理解技术）。[3]可见，这个三维框架并不仅局限于概念、知识和原理层面，还包括超越算法和编程之外更多的学习结果，包括学生在创建互动媒体过程中的问题分析与解决能力、系统思考与设计能力、社交能力、人格塑造与思维品质发展以及价值观的形成。[4]
Marc Prensky曾指出，娱乐与教学合为一体的教学模式才是真正适合于青少年的教学模式。[5]研究表明，将游戏设计融入教学可以激发学生的探究欲，消除畏难心理；增强师生互动，使课堂更加生动有趣，实现教师和学生的双赢。本课题以经典的打地鼠游戏设计为例，基于上述三维框架设计教学目标，挖掘App Inventor开发游戏的功能，为通过算法与程序教学培养学生的计算思维能力提供新的思路。
方案设计
1. 教材与学生情况分析
本课是自编教材《跟我学App Inventor》第三章《打地鼠游戏》的第一课。教学内容以打地鼠游戏为主线，重点关注“过程”这一计算概念，以及抽象和模块化、测试和调试等计算实践，培养学生从界面设计、功能设计等不同角度开发游戏，激发更多的创意。
本课的教学对象是浙江省温州中学高一学生。通过前面几节课的学习，学生已熟练掌握了手机游戏程序的开发流程，对事件、属性、变量、选择结构、数学运算、逻辑运算等重要概念已经有了一定的认识。另外，通过之前的积累，学生已经对运用App Inventor开发游戏产生了浓厚的兴趣，在界面设计与编程能力方面都有了显著的提升，对游戏设计也有了自己的想法。
2. 教学目标
计算概念：掌握“过程”的定义与使用。
计算实践：学生在设计、创建、探究和调试的过程中，逐步内化抽象和模块化、过程调用和代码复用、测试和调试计算实践策略。
计算观念：通过体验App Inventor，设计并制作打地鼠游戏，表达自己的想法。
3. 可选方案的设计与选择
基于上述教材和学情分析以及本课的教学目标，笔者初步设计了三种教学方案（见表1）。
整体而言，三个方案具有由易到难、逐步递进的关系。从计算概念的角度来看，方案一突出了“过程”的内涵及意义，方案二、三在此基础上更强调运算及数据。从计算实践的角度来看，方案一注重学生通过角色扮演掌握抽象和模块化的思想，并在不断试误的过程中掌握修正问题的方法及代码复用策略。方案二、三更强调学生对教师作品的再利用和再创造，完成更复杂的作品。方案三除了涉及地鼠对象层→控件信息层→数据结构层→编程语言层的抽象，还包括青蛙、兔子等不同对象及其之间关系的抽象。从计算观念来看，方案一主要让学生学会利用计算表达自己的想法。方案二、三更关注培养学生的联系观念，强调学生通过再修改他人的代码增加游戏的趣味性，创造自己的个性化作品。从可操作性的角度来看，方案二、三需设计多种交互效果，代码块更为复杂，容易使学生望而生畏，对于初学者而言不太合适。根据上述分析，本课将重点围绕方案一展开，其他方案作为拓展性方案在教学后半段呈现，以激发学生更多的创意，同时为那些基础较好的学生做预设准备。
4. 程序编写
打地鼠应用程序共分为五个部分：一是屏幕初始化事件的程序：借助随机函数，设置地鼠产生的位置。二是计时器事件的程序：借助随机函数，设置地鼠定时产生的位置。三是地鼠触碰事件的程序：地鼠被打中，发出敲中声，位置也随机发生变化。四是画布触碰事件所进行的计分程序：如果触碰到画布上的地鼠，分数加一，否则减一。五是重新开始的程序：点击重新开始按钮，界面上得分、失分文本框内容清空为零。
“过程”概念的讲解主要有两种教学思路。一是根据角色扮演及流程图，引导学生编写代码。学生在编写程序时，可能会发现上述一、二、三部分程序中均有相同的代码，实现的功能有相同之处（地鼠在画布上随机产生）；教师再自然引出“过程”这一概念，讲解其意义及使用方法。二是教师直接讲解“过程”的概念、意义并示范建立“过程”。在实际教学中，笔者选择了思路一，因为学生从多次重复出现的代码中很容易想到如何缩短程序、提高代码可读性的问题，方便引出“过程”的含义及使用。
5. 拓展应用
人类学习具有“聚类”特点，不管是新知识的获取还是原有知识的同化，都习惯以“类”为依据进行加工、存储和提取。教学设计与实施理应体现这种逻辑，以某种聚类方式将相关学习内容连成组块，从而在局部上聚类知识内容，在宏观上形成课程内容的集合，逐步呈现给学习者，从而达到较好的教学效果。根据已有研究，大致有三种聚类方式：以相似的功能、相似的技术思想、相似的目标聚类。[6]
通过这一课的学习，学生理解了过程，学会了抽象和模块化、代码复用、测试和调试计算实践策略，并能够利用计算表达自己的观念。按照上述聚类思想，可以拓展出很多的应用。例如，以相似的功能（实现地鼠的出现）来聚类设计打地鼠项目，可以借助列表建立多个洞口；建立多种音效和游戏规则，使游戏具有更强的交互性；以相似的技术思想为例，学生可建立多个游戏角色并分别设置相应行为，增加游戏挑战度及趣味性，更好地进行个性化表达。因此，教学中希望学生以界面设计、功能设计为触发点，尽可能多地发散出有聚类性质的作品。
教学实践
在本次教学中，笔者主要通过四个环节来完成教学。
1. 游戏体验 引入新课
首先，让学生玩打地鼠游戏，激发其探究欲望，同时抛出一个问题：这个游戏如何设计。游戏体验结束后，请一位学生回答。本环节的设计有利于教学的展开，也可为后面学生的拓展应用做铺垫。
2. 角色扮演 脑力震荡
学生角色扮演打地鼠游戏。首先引导学生小组讨论：如果现场模拟打地鼠游戏，我们需要几位同学？每位同学在游戏中的角色是什么？每个人的游戏规则是什么？脑力震荡后，请一组学生进行现场表演。每位演员对自己的角色进行功能及规则介绍。经过角色扮演，学生成功地将打地鼠游戏任务分解为不同模块，并抽象成程序可解决的问题。本环节注重引导学生对问题进行抽象与模块化（见表2）。学生归纳出的计算概念如表3所示。
打地鼠项目的思路清晰之后，笔者引导学生画相关流程图，即开展抽象建模，将解决问题的过程用流程图的方式表达出来。以画布触碰事件的程序流程图为例（如图1），让学生独立完成流程图设计，形象直观的流程图使得各种操作一目了然，不会产生“歧义性”，便于发现有错误的算法，并有利于转化为程序。
经过上面的分析之后，笔者已经引导学生将打地鼠游戏题转化为易于理解和实现的程序问题。
3. 突破重点 解决疑惑
经过上一环节的角色扮演，学生迫切希望能够亲自设计打地鼠应用。笔者先演示屏幕初始化事件的程序，随后向学生提出任务一：实现地鼠在屏幕初始化、时钟控制、地鼠被击中时均可随机出现。学生在笔者的指引下完成任务。这时，学生会发现三个事件的程序块相同，纷纷提出如何避免编写重复代码的问题，从而引出教学重点“过程”这一概念。笔者演示过程的建立及调用。学生修改原有的程序，重写代码，不断测试和调试，观察是否实现同样效果，以深化对“过程”的理解——“过程”中的代码可以被重复地调用，从而减少编程的工作量，优化代码结构，也方便日后对程序的阅读、维护、使用。
接下来，笔者提出任务二：地鼠被点中则加一分；否则，减一分并设置声效。让学生继续通过自主探究完成任务。学生在调试程序时，会发现点中地鼠时分数并没有发生变化。此时，应留给学生充足的自主探究空间和时间，让学生自由讨论，发散他们的思维，提出不同的解决方案，以便让学生更好地掌握测试和调试计算实践策略。如果学生未能解决问题，引导学生回顾计分原理：利用if选择语句，实现成绩累加，并强调细节，即得分框、失分框的text属性一开始均应设置为“0”，方能实现数学运算。
4. 拓展提升 课堂总结
学完本课，为鼓励学生产生一些创意想法，笔者为学生提供了一份表格供学生参考（见表4），让学生将自己的创意记录下来。学生可以从界面设计或者功能设计两个角度出发记录创意。
最后，笔者对本节课进行了总结（如图2），并告诉学生App Inventor可以开发很多生动有趣的游戏，只要我们大胆想象，设计游戏是一件轻松惬意的事情。AppInventor课程不仅仅是让大家掌握手机开发的知识和技术，更希望大家在学习完课程后能够开发出更有创意、有生活意义的作品。在体验这一过程中提高自己的计算思维能力。
教学反思
本课的教学重点是“过程”的内涵，抽象和模块化、测试和调试计算实践策略。从任务完成情况来看，全部学生完成了基础任务。对于拓展任务，许多学生利用课堂时间实现了创意想法。部分学生在游戏界面上进行了想象，加入青蛙角色、游戏开始界面、游戏结束界面等；还有学生加入多重if判断、背景音乐等，提高游戏难度及趣味性。整个教学过程生动有趣，学生在玩中学、学中玩，提高了计算思维能力、创新能力。
教学过程中，笔者先让学生带着问题玩游戏，并通过玩游戏初步归纳打地鼠所需要的元素；再让学生角色扮演，激发学生主动参与学习活动的热情，也实现了对游戏的抽象。通过任务一，学生自主发现“过程”这一计算概念，并修改原有设计，理解了代码复用的思想和价值。通过任务二，学生在调试中优化自己的方案设计，更好地表达自己的想法。最后通过体验他人的打地鼠游戏应用，学生感受游戏中一些有创意的、有趣的设计，进一步拓宽知识视野。
基金项目：江苏省2014年度普通高校研究生实践创新计划项目“APP INVENTOR在高中算法与程序设计教学中的应用研究”；教育部人文社会科学研究青年基金项目“义务教育STEM校本课程的开发与应用研究”(项目编号：13YJC880121)
（作者单位：江苏南京师范大学教育科学学院）