計算思維在高中信息科技課堂中的教學實踐

李偉

與傳統的教學模式相比較，基于計算思維的教學模式在培養學生自我建構知識以及創新思維能力方面有較大的優勢，不僅可以提高學生的學習效率，還可以培養他們的計算思維能力。在高中信息技術學科核心素養中，計算思維作為重要的組成部分，其定義是：個體在運用計算機科學領域的思想方法形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。然而在實際教學中，教師會發現，信息科技學科的屬性越來越缺失，信息科技課程中“唯工具”思想越來越明顯，信息科技承載的“學信息技術、用信息技術和技術一起學”三個層次功能的體現越來越弱化。下面，筆者以《算法與程序設計——遞推算法》一課例為例，闡述計算思維在高中信息科技課堂中的應用。

引入部分

筆者講述斐波那契和兔子的故事，然后拋出問題：假設一對初生兔子要一個月才到成熟期，而一對成熟兔子每月會生一對兔子。那么，由一對初生兔子開始，12個月后會有多少對兔子呢？

要求學生在草稿紙上列出前6個月的兔子數。學生根據題意，很快能得出每個月的兔子數，結果以列表形式給出（如下表）。

歸納通項公式

學生在觀察前6個月的兔子數后，能總結出通項公式fn=f（n-2）+f（n-1） n>=3，從而快速計算出12個月后兔子的總數為144。解決這個問題的關鍵是得出通項公式，也就是形式化表達的過程。學生在課堂上通過小組討論，觀察、分析數字之間的內在關系，得到通項公式，用前兩個月的兔子數相加得出當前月的兔子數。因前兩個月的兔子數都為1，所以f3=f2+f1，就能得出f3=2，同理，f4的值也能這樣得出，這就是經典的數列中的遞推公式。

換一種思考角度看問題

在推導出遞推公式后，教師從生活實例中又引入了一個新的走地板的問題：機房內一共有15塊地板，規定每步可以走一塊或兩塊地板，如果要走到最后一塊地板，一共有多少種不同的走法？

提出此問題的目的是讓學生進行逆向思維，讓他們換個角度看問題，學生的思維有些障礙，教師要適時搭腳手架，分析第5塊地板的情況（如圖1）。

分析過程：如果差一步走到第5塊地板，這一步有幾種走法？①假設已走到了第4塊地板，一步走1塊地板到達第5塊地板。②假設已走到了第3塊地板，一步走2塊地板到達第5塊地板。

得出結論：f5=f4+f3（f5、f4、f3分別為走到第5、4、3塊地板的走法數目），由此過渡到f15=f14+f13（f15、f14、f13分別為走到第15、14、13塊地板的走法數目），最后得出通項公式fn=f（n-2）+f（n-1） （n≥3）。

計算思維的體現

學生在這里會發現走地板的問題和課堂前半段推導的斐波那契數兔子公式一樣，進而引發思考。前面是根據數列的規律歸納出來的，而走地板問題是由后往前推導，當前地板的走法是由前兩塊地板走法相加得到的，這樣一次次往前推，直到出現確切的f2=2，f1=1。除了f2的值不同外，表面上推導出的公式fn=f（n-2）+f（n-1） （n≥3）是相同的。但后面這種方法考慮的問題就是計算思維的具體體現，把復雜的問題抽象分解成相對簡單的形式，這種形式是相對固定的，這就是抽象和形式化表達，這是遞歸算法的典型應用。用公式可以表示為：

從遞歸所體現的核心思想來看：其一，將一個復雜的問題簡單化處理，這反映了計算思維簡潔的特性；其二，每次簡單化后的問題表達方式與原方式是一致的，這也反映了計算思維簡潔的特性；其三，是有終止的，問題簡化到一定程度，一定是可以解決的，這反映了計算思維的構造特性；其四，遞歸是一種漂亮的形式化表達，可以用有限的步驟描述、實現近于無限功能的方法。到此，就用計算機科學的基礎概念對問題進行了求解，接下去就是用編程工具在計算機上實現的過程。

程序實現

借助流程圖（如圖2），分析得出循環體的內容，學生在VB程序中調試，得出結果。

循環體中的內容就是fn=f（n-2）+f（n-1），最后生成的VB語句，如圖3所示。

在課堂的拓展部分，筆者提出用函數的表示形式，更好地實現遞歸思想。VB代碼如圖4所示。

課例反思

本節課例是高中信息科技“算法與程序設計”模塊的典型應用是計算思維中形式化表達的過程，體現了計算思維抽象和自動化的特征。在代碼實現階段，先用do while語句實現從前往后的正向遞推，再用函數的形式表達遞歸的思想，這里學生的思維更進一步，通過代碼編寫、體會遞歸調用自身的過程，重點體會把復雜問題逐步簡單化，每次調用自身就縮小規模，一直到最簡單的規模直接給出值。縱觀這三個環節，學生的思維是有梯度、層層遞進的。教師通過這樣的教學實踐，促使學生用計算思維的方式思考問題，對提升其思維非常有幫助。

在高中信息科技課程中，與算法相關的方法教學已實施多年。計算思維的提出，對相關方法教學提出了新的要求。同時，依據高中學生的年齡心智特征，梳理計算思維的方法教育內容，是一項有意義、有挑戰性的工作。計算思維的開發有助于提高信息科技課程的教學效率，促進學生信息素養的培養。但學生計算思維的培養不是一蹴而就的，需要一線教師在高中信息科技課堂教學中精心設計教學內容與過程，將計算思維的培養融入到實際的課堂教學中，只有不斷地在課堂教學中培養學生的計算思維能力，才能更好地激發他們的內在潛能，為其終身學習打下基礎。endprint