立足信息技術課堂 提升計算思維能力

喻文紅

【摘要】計算思維是人們認識和解決問題的基本能力之一，也是信息技術學科培養學生的核心素養之一。與傳統教學相比，基于計算思維的教學具有其獨特的優勢，這種優勢不僅表現為培養學生創新思維方面還能夠顯著提升學生的學習效率。本文以算法與程序設計內容為例，闡述在高中信息技術教學中，以學為本，立足于學生實際情況，逐步提升學生對問題的發現、分析及解決能力，最終幫助學生培養其算法思維能力。在實踐教學過程中，每一個環節都滲透計算思維的相關方法，在達成新課程改革目標、提升學生信息素養、切實提高學生學業水平等方面，探討性地提出了一些教學建議和學習策略。

【關鍵詞】信息技術；算法與程序設計；計算思維；冒泡排序；以學為本

【中圖分類號】G633.67 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）35-0184-03

一、問題的提出

計算思維是由周以真教授正式提出的，自其誕生以后就受到許多專家學者們的廣泛關注，目前與之相關的研究已經成為教育領域倍受人們關心的熱點話題之一，經過多年發展已經取得了較大成效。高中學生的思維成長速度比較快，但對其思維能力的培養及訓練仍需較長時間，所以學生在對知識技能進行學習的過程中也要加強對計算思維能力的培養，這樣有助于其更好適應這個高速發展的社會。

浙江省新高考方案出臺后，技術學科列入了高考“7選3” 選考范疇。其中，《算法與程序設計》是技術學科中的重點考查內容，有一定的難度和深度。課標提出《算法與程序設計》模塊培養目標是：使學生進一步體驗算法思想，了解算法與程序設計在解決問題中的地位和作用；能從簡單問題出發，設計解決問題的算法。通過開展本課程的系統學習，培養學生的思維能力，使其在實踐中遇到問題時可以了解分析問題的思路及有效解決問題的辦法。

二、概念界定

早在2006年，周以真教授就在計算機權威期雜志《Communications of the ACM》上明確提出了“計算思維”這一概念，將其界定為運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、理解人類行為等一系列思維活動。經過多年發展，計算思維是信息技術學科培養的學生核心素養之一。這個思維涵蓋了所有有關計算機知識的思維活動。

當前，教育學界許多學者開始提倡計算思維，這主要是因為計算思維與傳統教學模式相比具有其獨特的優勢。這種優勢首先表現為計算思維能夠較好地培養學生自我建構知識的能力和提升學生的創新思維能力，另外還可以大大提高學生的思維能力及學習效率。在信息技術課程中培養學生的計算思維必須科學的設計和規劃課程，在具體規劃當中必須從科學價值及學科思維等方面為切入點，以此來切實提升及增加學生計算思維能力。

三、研究思路

對學生計算思維能力的培養不是一蹴而就的，這種能力的培養是一個系統化的過程。在這個過程當中既需要遵循基本教學規律，又需要考慮計算思維能力的特性。在信息技術課程中，我們可以采用任務驅動法、游戲教學法、探究式教學法等教學方法，以學生為主體，強調學生自主探究問題，主動構建、解決問題。無論使用什么樣的教學方法，重點在教學過程、教學環節中，都要將計算思維的相關方法一直滲透其中。

課程設計都應立足于計算思維的實際，這其中既包括一定的學習資源、學習活動，也包括學習環境的設計等等。在整個教學過程中都必須堅持以學生為中心的原則，具體的教學活動也必須以學生作為出發點，需要充分考慮學生的個性，個體已有認知水平，學習需求等等。

基于計算思維解決問題的方法主要分為關注點分析、抽象分解、構造、建模、驗證等，最終實現問題的求解。高中信息技術的《算法與程序設計》課程中融入計算思維的指導思想是很有必要的，在原有教學的基礎上，將計算思維的相關方法融入到教學中，進而培養學生計算思維能力。教學設計研究可以分為以下幾步（如圖所示）：

四、基于計算思維的課程教學實踐研究

《算法與程序設計》這門課程位于高中信息技術選修模塊中，是高中信息技術選考部分內容，這是一門比較抽象的學科，一開始學習時會有一定的難度，怎樣鼓勵學生更加積極主動地參與到算法與程序設計課程學習中，這一過程值得我們深入思考與探究。

教師在進行教學設計主要是從教學目標、重難點、教學內容等方面進行思考，對教學目標進行具體分解，并在此基礎上對教學過程中所涉及到的內容進行深入分析，進而篩選出切實教學實踐的主題，同時明確提出增強學生計算思維這一教學目標并將其貫穿到教學過程中；在對某些重難點進行學習時，同樣也要明確提升學生計算思維能力這一目標，這樣有助于其在學生訓練過程中開展更有針對性的教學活動。通過一段時間的引導、訓練和實踐，學生逐漸自主地將這種思維方式應用到新的或較復雜問題中去。下面以冒泡排序為例給出教學案例。

（一）建構算法新知，養成計算思維

在日常的學習生活中，我們有很多問題的處理都需要把一些雜亂無章的數據變為有序的數據，在冒泡排序算法的學習過程中，讓學生觀看相關動畫，感知原理，建立冒泡排序的初步認識，以小見大，課堂中以四個數據為例給出排序算法。

1.以數組d（1）～d（4）中的數據：36，32，27，18為例，了解使用冒泡排序對其進行升序排序的思想。

這一過程由學生來演示，和其他同學一起梳理第一遍冒泡排序的過程中，j的變化規律：j 從 4 開始到2。然后再請另一位同學來梳理，第二遍冒泡排序的過程中，j的變化規律：j 從 4 開始到3；第三遍冒泡排序的過程中，j的變化規律：j 從 4 開始到4。

從而讓學生自己總結歸納出N個數，外循環變量i和內循環變量j的變化關系，完成流程圖。

流程圖

從小到大（n個數自底向上冒泡）

For i= __________________

For j =_________________

If____________ Then

t = d（j）：d（j）= d（j-1）：d（j-1）= t

End If

Next j

Next i

借助流程圖，分析得出雙重for循環中關鍵代碼的填寫。最后，學生在vb環境下進行調試，得出結果。

2.在學生理解了“自底向上”的冒泡排序的思想和過程，并上機調試成功后，學生協作學習，自主梳理比較“自頂向下”的冒泡排序的算法并完成程序代碼的填寫，然后由一學生投影其過程。

4個數 i外循環變量 j內循環變量 從小到大（n個數自頂向下冒泡）

N個數 For i = __________________

For j =_________________

If ____________ Then

t = d（j）：d（j）= d（j+1）：d（j+1）= t

End If

Next j

Next i

3.結合雙重循環程序的運行過程和特點，學生通過學習的冒泡排序算法的思想，理解并掌握排序遍數、比較次數、交換次數的計算方法，進一步夯實基礎。

從有趣的動畫入手，激發學生的積極性。把目標分解成幾個小部分，通過師生共同的探討，讓學生理解“自底向上”冒泡排序算法的思維，而這一過程恰恰就是計算思維中對關注點進行分析的集中體現。接下來就可以基于計算思維中的抽象方法對具體問題進行抽象處理并形成算法，并在其基礎上利用流程圖來進行模型構建，最后依托流程圖完成程度設計并進行上機驗證，這充分體現運用計算思維的相關方法解決問題的優點。在此基礎上，學生通過協作學習，自主分析、比較“自頂向下”的冒泡排序算法思想，最后實現程序，在這個過程中，啟發學生的思維，讓同學們體驗這種思維方式，讓學生主動建構，學會解決問題，同時使學生對該思維方式有較好理解，并基于其對問題進行具體思考分析。

（二）優化算法結構，提高計算思維

設疑：n個數據的冒泡排序需要經過n-1遍加工，每一趟加工自底向上比較相鄰兩個數時，把較小的數交換到上面。在探索過程中有同學發現了其中存在的問題，即當在整個過程中都沒有數據可以交換時就表明這時候的數據已經排序完成，并不需要繼續排序。此時，我們能不能不做無用功，提前結束程序，以提高效率？

學生再次觀察排序的過程，并小組討論修改程序。

實現冒泡排序優化的VB關鍵代碼如下，但加框處代碼有錯，請改正。

Dim k As Boolean 'k值為True表示一遍加工中有交換

p = 1

k = True

Do While

k = False

For q = n To p + 1 Step -1

If a（q）< a（q - 1）Then

temp = a（q）：a（q）= a（q - 1）：a（q - 1）= temp

k = True

End If

Next q

p = p + 1

Loop

Label4.Caption = "排序的總加工遍數是" ++ "遍"

學生思考并討論：

1.邏輯型變量k的作用是什么？

2.為什么要優化程序，對程序優化有哪些方法？

3.能否進一步優化？

在對程序優化的過程中，有同學質疑：這么簡單的幾個數據，為什么要用冒泡排序、還要優化？根據學生的疑問，教師展現幾種較大數據量的排序時間比較表：

最終師生共得出結論：優化后的排序更能減少時間復雜度，提高效率。

在探究問題的過程中，以身邊的實例（雙十一的成交量數據）為題材，以學生為主體，通過對問題進行深入思考及分析，使學生逐步形成問題解決的思維能力，更好掌握問題解決具體步驟，有效增強其計算思維能力。通過小組協作學習，優勢互補，加強同學之間的溝通交流，在更好表達自我想法的同時充分運用計算思維及與之相關的各類方法（如抽象、歸納等），基于對各類問題歸納總結后以達到在一定程度上提升學生計算思維能力的目的。最后師生總結，強化知識的學習，注重思維的訓練，加深對冒泡排序優化的理解，達到了比較好的教學效果。

（三）融會算法思想，提升計算思維

基于對知識技能等的學習能夠更好理解及體會計算思維，而計算思維的學習對于知識技能的提升又有著較大益處，由此可見，這個過程是個良性上升循環過程，其不只是對知識的簡單學習，更為重要的是通過對知識技能的學習進一步提升其計算思維能力。以“雙向冒泡排序”為例，引導學生一起分析問題，解決問題，引導學生融會貫通各種算法思想，學會綜合應用，進一步加深對算法的理解，提升學生算法思維能力，這也能夠為以后的學習奠定基礎。

雙向排序是在一遍加工中先從上到下把最大的元素送到最下的位置，再從下到上把最小的元素送到最上的位置。實現上述功能的vb關鍵代碼如下，請對程序中①處進行填空，②③處改正。

雙向排序較難理解，首先和學生一起做個游戲來理解雙向冒泡排序的算法，比如我在課堂中請六位同學上來，每人手里拿一個數字，從左到右，兩兩同學進行比較，判斷是否交換，然后再從右到左，兩兩同學進行比較、交換，這樣一輪下來，學生非常直觀地看到實現了什么，然后思考對應到程序中，我們應該怎么實現？在進行第二輪的時候，學生也通過游戲發現，最左邊的同學和最后邊的同學已經是最小的數或最大數了，不需要參與排序，因此，我們比較范圍也就縮小了，第②處的錯誤學生很興奮告訴我是“For j=i to n-i”，那么第③處錯誤學生更是自信滿滿地改出來了“For j=n-i to i+1 step -1”。愉快地完成游戲后，學生發現6個數需要進行3輪排序，7個數的話也只需要3輪排序就可以了。對應到程序中，大部分學生能很順利的填出第一處空為“i=1 to n＼2”。

由于程序設計內容往往比較抽象，缺乏具體的內容供學生理解，這就使得學生在學習時面臨著很多阻礙。學生大多比較好奇，對于一些新穎的內容往往比較愿意學習，也樂于接受，而傳統的教育方法并不能引起學生的興趣，相應的學生對課程內容的理解也更加費力。因此，在教學過程中教師可以選擇一些新穎的教學方式，比如做游戲，這樣可以極大地激發學生的學習興趣，使得枯燥的課程也充滿趣味性，在快樂當中提升學生的思維能力。通過游戲的方式理解算法，學生總結并提煉冒泡排序算法的多種方法與技巧，以達到對冒泡排序的深度理解，實現舉一反三，融會貫通的目標，進一步培養和提升了學生的計算思維能力。

五、總結與思考

基于計算思維培養的高中信息技術教學中，學生自主學習過程中能夠采用計算思維相關方法界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據；通過判斷、分析與綜合各種學習資源，同時引入科學合理的算法最終給出切實可行的問題解決方案。所謂對計算思維能力的培養與提升，其本質就是幫助學生對不同學習方法進行了解及掌握，如建模及抽象、歸納總結等各種學習方法等，積極參與、認真思考，自主發現問題、提出問題、應用學科思維方式探究解決問題，鍛煉學生的思維，從中體會到學習的樂趣和奧妙。

教雖無定法，筆者認為在高中信息技術教學中，應當始終堅持以學生為中心的教學觀念，要切實圍繞學生的需求展開課程，在授課之前需要對學生的知識結構和思維特點進行深入探索。計算思維的培養能夠有力提升學生的學習效率，同時教師的教學效率也會大大提升，除此之外還能夠在很大程度上培養學生的信息素養。但我們同時需要明白，這種計算思維的培養是一個長期而復雜的過程，需要教師精心設計課堂內容，并給予學生充分的耐心。教師只有不斷提升學生的計算思維能力才能更好的激發學生的學習潛力，為之后的學習打下堅實的基礎。

盡管目前我國在計算思維方面已經開展了大量研究，但對于高中階段具體教學過程中如何有效培養學生計算思維等方面的研究并不十分豐富。為此，本文以計算思維培養為切入點，結合教學實際對該問題的具體分析，以期能為高中階段的一線教學有所幫助和啟迪。

參考文獻

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