高中信息技術課中計算思維的培養

田俊南

2003年頒布的《普通高中信息技術課程標準》（試驗）執行至今，高中信息技術課遇到了越來越多的困難和挑戰，主要存在以下問題：教學目標較為空泛、教材內容趨于陳舊、重技能輕思維，而培養學生應用信息技術解決問題的意識與思維模式，已成為今后高中信息技術課程目標的必然取向。專家們經過大量的研究和探索，新的課程標準已經制定完畢，不久就將閃亮登場。新課標中最大的亮點便是將計算思維納入了信息技術課程的核心素養，通過計算思維教育，可促進學生運用計算機科學領域的學科方法有效解決問題，這種獨特思維方式必將推動高中信息技術學科的變革和發展。

筆者結合自身的教學實踐，對高中信息技術課堂教學中計算思維的培養作一些簡單的闡述。

一、計算思維的概念、特征與培養計算思維的價值

1.計算思維的概念與特征

2006年3月，美國周以真教授在計算機權威刊物Communications of the ACM上發表了Computational Thinking一文，首次提出“計算思維”這一概念。她認為計算思維是運用計算機科學的基礎概念，進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。這一概念的提出引起了國際社會的共鳴，在科學研究領域，計算思維（以抽象自動化為特征）已被看成是與理論思維（以觀察和歸納包括人類社會活動在內的自然規律為特征）、實驗思維（以推理和演繹為特征）并列的三大科學思維方式之一。

計算思維是一種根本技能，是我們求解問題的一條途徑，是每一個人在現代社會中發揮職能必須掌握的，但決非要使我們像計算機那樣地思考。當計算思維真正融入教學活動的整體時，它的作用和強大的生命力就會得到真正的體現。

2.培養計算思維的價值

眾所周知，由于多方面的原因，近年來高中信息技術課程在培養學生信息加工能力的路上越走越艱難，以技術操作為主要內容的高中信息技術課之所以會受到各方面越來越多的質疑，其中最大的問題在于未能像數學、物理、化學等學科一樣確定較為穩固的核心價值。而計算思維的提出，則為其打開了一扇希望之門，有助于學生能力的培養和信息技術課程自身的發展。在解決問題的過程中，學生不僅僅是技術工具的使用者，還應該是新的問題發現者、解決思路的提出者、問題解決方案的設計者、新型技術工具的開發者。計算思維的培養，能有效提高學生利用信息技術解決問題的能力層次，使更多的學生成為未來信息技術的創新者。

二、根據解決問題的需要培養學生的計算思維

事實上，一般學生都熱愛計算，無論是計算機程序給他們提供的魔力般的感覺，還是喜歡藝術組合、描述、設計、規劃并促進個人視覺世界中的創造。計算思維可以為學生提供更多的學習機會，當計算思維的思想與方法幫助我們解決實際問題變得更加容易時，它就會產生飛躍，拓展我們對周圍世界的理解。那么，如何結合我們的課堂教學來培養學生的計算思維呢？下面是筆者認為在高中信息技術課教學中，培養學生計算思維較為典型的案例，希望能給大家帶來一點啟發。

1.通過Excel案例教學培養計算思維

在對學生講授Excel函數知識時，針對高中學生重視考試成績的特點，選擇學校成績作為統計分析的教學案例，要求使用公式和函數來計算學生考試成績的總分、排名、進步情況、學科有效分情況等。使用Excel的IF條件判斷函數和VLOOKUP查找引用函數都能解決問題。案例教學結束后，就案例教學中所涉及的計算思維方法和相關知識點進行歸納和總結，鞏固加深知識體系。啟發學生對案例進行思考、討論，在案例的基礎上擴展和創新，培養學生的計算思維能力和創新能力。

2.通過算法的教學培養學生的計算思維

算法中很多內容涉及計算與計算思維，如遞歸就是一種典型的計算思維，我們可以通過與計算相關的案例介紹遞歸，例如漢諾塔問題（Tower of Hanoi）。印度古老傳說：在世界中心貝拿勒斯的圣廟里，一塊黃銅板上插著三根寶石針A、B和C（見圖1）。印度教的主神梵天在創造世界時，在其中一根針上從下到上地穿好了由大到小的64片金片，不論白天黑夜，總有一個僧侶在按下面的法則移動這些金片：一次只移動一片，不管在哪根針上，小片必須在大片上面。僧侶們預言，當所有金片移到另外一根針上時，世界將在一聲霹靂中消滅，而梵塔、廟宇和眾生也都將同歸于盡，這就是所謂的漢諾塔問題。

這是目前在介紹遞歸的書中用得非常多的一個案例，通過計算我們不難發現，移動金片的次數，f（n）與寶石針上的金片個數n之間的關系是為： f（n）=2n-1 ，因此當n=64時，f（n）的值將高達18，446，744，073，709，551，615，按移動一次花費1s計算，需要約5845億年才能完成，這樣的問題在現實中幾乎是無法實現的，但我們可以借用計算機的超高速，在計算機中模擬實現。由此可見，有效地利用計算思維，借助現代計算機超強的計算能力，就能解決之前人類望而卻步的大規模計算問題。

3.通過App Inventor等軟件培養學生的計算思維

Inventor（后文簡寫為AI）是一款由Google公司開發的基于Android系統的手機編程工具，其口號是“隨身的編程工具，盡情發明吧”（Your idea， Your design， Your apps， Invent Now），并于2012年交由麻省理工學院負責教育領域的應用研究。

其開發模式及測試流程如下圖2所示，主要包含三個部分：①設計界面（Designer），通過拖拉組件的形式完成界面設計（見圖3）；②塊編輯界面（Blocks），通過拉拽、拼圖的方式來實現各組件間的行為事件，實現邏輯設計（見圖4）。③模擬器（Android Emulator），主要用來進行測試。

AI因其具備如下特征而成為在高中信息技術課程中培養計算思維能力的有效工具：

（1）可視化

AI的界面設計和代碼編寫均采用可視化的形式呈現（見圖3、圖4），可視化的操作界面能夠極大地激發學習者的興趣和探究欲。

（2）零編程基礎

AI模塊編輯視圖中的模塊都已經封裝了代碼，只需要按照學習者的創意直接拖拽模塊即可完成編程（見圖4），輕松簡單，極大地降低了對實際編碼能力的要求。

（3）開發周期短

Inventor編寫的應用程序或許不是很完美，但它們卻是普通人都能做的，而且通常是在幾分鐘內就可完成。在當前移動互聯網時代，AI讓任何人在幾分鐘之內完成一個屬于自己的App開發成為可能。正如App Inventor項目帶頭人Harold Abelson教授所說的：“App”。

因而，將AI應用于信息技術課堂教學，有助于最大化地激發學生的興趣和創意，改變當前高中信息技術乏味無趣的現狀。同時，在基于AI所設計的案例學習中體驗計算思維“抽象”“模塊化”等核心概念，使學生在問題解決過程中提升計算思維能力。

三、小結

新的課程標準即將發布，計算思維正式納入了信息技術課程的核心素養的范疇。對信息技術學科而言，這既是機遇，也是挑戰，培養學生的計算思維，有助于學生養成以信息技術的視角思考問題解決方案的思維模式。如何在新課標的引領下培養學生的計算思維，是我們每一位信息技術教師都應思考的問題和研究的課題。

（作者單位：江西省上饒中學）

□責任編輯 徐 凡

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