《程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展史》教學(xué)設(shè)計(jì)

高萍

教學(xué)內(nèi)容分析

各行各業(yè)信息技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用得益于各類程序的編制，而程序得以實(shí)現(xiàn)的“幕后英雄”便是程序設(shè)計(jì)語言。《程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展史》一課的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生了解程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展的來龍去脈，為后續(xù)程序設(shè)計(jì)的深入學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。本課教學(xué)以“機(jī)器語言”“匯編語言”“高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言”發(fā)展為主線，探討語言的特點(diǎn)和思想的變遷，使學(xué)生從中感悟編程語言變化的趨勢(shì)，并暢想未來發(fā)展的情況。

學(xué)情分析

高中生思維活躍，理性思考趨于成熟，教師可以創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生感悟、討論交流。另外，學(xué)生幾乎沒有任何編程基礎(chǔ)，原理性知識(shí)多采用生活案例幫助學(xué)生理解，本課僅增加少量Python編碼活動(dòng)，增加學(xué)生的直觀感受。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：通過程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展主線，比較三種代碼實(shí)現(xiàn)“編程計(jì)算100和256相加”的不同；了解機(jī)器語言、匯編語言、高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言三種語言特點(diǎn)；理解程序設(shè)計(jì)思想的變遷。

過程與方法目標(biāo)：在自然語言指令編碼活動(dòng)過程中，體驗(yàn)二進(jìn)制編碼的方法；在生活問題解決、Scratch游戲剖析、Python簡(jiǎn)單編程過程中，體驗(yàn)面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程解決問題的不同思路和適用場(chǎng)合。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：感受程序設(shè)計(jì)語言的變化趨勢(shì)，描述未來程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展的前景。

教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：從機(jī)器語言到高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言的發(fā)展變化。

難點(diǎn)：對(duì)機(jī)器語言的理解，對(duì)面向過程和面向?qū)ο髢煞N編程思想的理解。

教學(xué)過程

1.游戲?qū)氤绦蚋拍睿M(jìn)而引入程序設(shè)計(jì)語言

教師演示由Scratch實(shí)現(xiàn)的“槍擊游戲”。

師：這款游戲并不是從網(wǎng)上下載的，而是別的同學(xué)自己編寫程序?qū)崿F(xiàn)的。信息時(shí)代，不管是學(xué)習(xí)、工作還是娛樂，生活中處處都融入程序的光芒。程序是指一組指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行動(dòng)作或作出判斷的指令。指令的發(fā)出者是人，接受指令的是機(jī)器。那么，人和機(jī)器之間是怎樣通過語言溝通的呢？

教師揭示課題——程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展史（回顧發(fā)展階段、感受變化趨勢(shì)、暢想未來）。

設(shè)計(jì)意圖：既導(dǎo)入課題，又點(diǎn)明程序設(shè)計(jì)語言的功能。

2.探究二進(jìn)制編碼活動(dòng)

師：從ENIAC程序電路存儲(chǔ)談起，高速的計(jì)算能力與手工準(zhǔn)備之間突出的矛盾引起美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼的注意，他提出二進(jìn)制思想和程序內(nèi)存思想。人使用的是自然語言，那么怎樣把自然語言轉(zhuǎn)化成機(jī)器識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)呢（如圖1）？

生：二進(jìn)制編碼。

師：用二進(jìn)制數(shù)可以表示下列指令（如下頁(yè)圖2，二進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)中只有0和1）。用二進(jìn)制數(shù)編碼，其實(shí)不難，關(guān)鍵是判斷指令所有狀態(tài)可以使用幾個(gè)二進(jìn)制位來表示。

設(shè)計(jì)意圖：二進(jìn)制是程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展的基礎(chǔ)，有助于學(xué)生理解機(jī)器語言是如何編碼的。

3.探究程序設(shè)計(jì)語言的變化

例如，編程計(jì)算100和256相加（如圖3）。

師：機(jī)器語言由二進(jìn)制數(shù)組成，這些數(shù)字并非毫無意義，而是由一定位數(shù)的操作碼和一定位數(shù)的地址碼組成。如果你是程序員，使用機(jī)器語言編寫程序，是什么感受呢？

學(xué)生回答機(jī)器語言的特點(diǎn)。

師：機(jī)器語言能被機(jī)器直接識(shí)別和執(zhí)行，但依賴于特定的機(jī)器；機(jī)器語言不易學(xué)習(xí)，不易編寫，糾錯(cuò)難。針對(duì)這一問題，程序設(shè)計(jì)語言進(jìn)行了改進(jìn)，出現(xiàn)了匯編語言。它可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，請(qǐng)大家觀察匯編語言在機(jī)器語言基礎(chǔ)上發(fā)生了哪些變化（如圖4）？

生：出現(xiàn)了熟悉的英文單詞……

師：利用助記符或符號(hào)代替二進(jìn)制數(shù)，有利于程序員編寫程序；但需要編譯，轉(zhuǎn)化成機(jī)器碼，才能被機(jī)器理解和執(zhí)行；同時(shí)，還依賴特定的機(jī)器，通用性不強(qiáng)。不管是機(jī)器語言還是匯編語言都有一個(gè)共同的“缺憾”，就是一種型號(hào)計(jì)算機(jī)中編制的程序在另一種型號(hào)的計(jì)算機(jī)中不能運(yùn)行。于是程序設(shè)計(jì)語言又進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言（如圖5），那高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言的“高級(jí)”之處是什么呢？

生：采用數(shù)學(xué)表達(dá)式形式，代碼更加簡(jiǎn)單……

師：高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言的“高級(jí)”在于采用接近問題本質(zhì)的方式去思考問題和描述問題；具有跨平臺(tái)、移植性強(qiáng)等特點(diǎn)；使用時(shí)需要編譯或解釋成機(jī)器碼。

學(xué)生體驗(yàn)利用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言Python2.7編程的便捷（如下表）。

設(shè)計(jì)意圖：針對(duì)同一案例“100+256”，用三種代碼實(shí)現(xiàn)，容易比較不同語言各自的特點(diǎn)。最后，通過Python進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算代碼編寫，增加學(xué)生的直觀感受。

4.探究程序設(shè)計(jì)思想變遷

師：自從世界上第一個(gè)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言Fortran誕生后，隨后有幾百種程序設(shè)計(jì)語言被發(fā)明和應(yīng)用，按照時(shí)間順序，在不同領(lǐng)域有代表性、被廣泛應(yīng)用的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言有Fortran、COBOL、PSCAL、C、C++、JAVA、PHP等。程序設(shè)計(jì)語言在發(fā)展過程中，也經(jīng)歷了編程思想的變化。例如，乘坐汽車去無錫市區(qū)，你會(huì)想到有哪些途徑？

生：自駕、滴滴打車……

師：“自駕”好比面向過程的方式解決問題，先分析出解決問題的步驟，然后按步驟依次實(shí)現(xiàn)（如圖6）。這種面向過程的方式適合簡(jiǎn)單問題的解決，如早期編程主要應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算，但碰到復(fù)雜事務(wù)，就顯得力不從心。這時(shí)，另一種編程思想——面向?qū)ο螅瑧?yīng)運(yùn)而生（如上頁(yè)圖7），“滴滴打車”好比面向?qū)ο螅捎脤?duì)象+消息的方式解決問題。面向?qū)ο筮m合互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、游戲編制等復(fù)雜問題的解決，且可擴(kuò)展性強(qiáng)，易修改。我們上課伊始玩的Scratch槍擊游戲，其程序塊包含了多個(gè)角色，有著不同的屬性和動(dòng)作，這里可以理解為“對(duì)象”，游戲的進(jìn)程是通過“廣播消息”或觸發(fā)事件推進(jìn)，可以理解為消息。另外，課上體驗(yàn)的Python自帶的math標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，把常見的函數(shù)運(yùn)算納入其中，使用時(shí)，函數(shù)前添加“math.”，可以指明所屬對(duì)象，這些都蘊(yùn)含面向?qū)ο蟮木幊趟枷搿?/p>

設(shè)計(jì)意圖：通過生活案例進(jìn)行類比，直觀指出面向過程和面向?qū)ο髢煞N思想的特點(diǎn)，成功化解教學(xué)難點(diǎn)。

5.討論暢想未來發(fā)展

教師小結(jié)（如圖8）。

學(xué)生討論，并描繪未來程序設(shè)計(jì)語言具體情況（智能化、可視化、構(gòu)件化……）。

教學(xué)反思

《程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展史》一課是為區(qū)域評(píng)優(yōu)課所定的開放課題，頗具挑戰(zhàn)性。一是沒有現(xiàn)成的教材可供參考，教學(xué)內(nèi)容取舍成為難題；二是學(xué)生幾乎沒有任何編程經(jīng)歷，內(nèi)容講解和編程體驗(yàn)需要通俗易懂。筆者經(jīng)查資料發(fā)現(xiàn)，程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展史中涉及眾多重要技術(shù)、人物和事件，一節(jié)課很難事無巨細(xì)地和盤托出。面對(duì)高中生，筆者依據(jù)基礎(chǔ)性和發(fā)展性原則選擇教學(xué)內(nèi)容，依托生活化案例化解了教學(xué)難點(diǎn)。編程體驗(yàn)環(huán)節(jié)重點(diǎn)落在高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言上，選取已經(jīng)進(jìn)入中小學(xué)信息技術(shù)課堂的編程工具Scratch和Python。

首先，二進(jìn)制是程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展的基礎(chǔ)。筆者教學(xué)采用了“我是否喜歡她，她是否喜歡我”的二進(jìn)制編碼活動(dòng)，讓學(xué)生理解機(jī)器語言是如何通過二進(jìn)制進(jìn)行編碼；并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)“編程計(jì)算100和256相加”任務(wù)列出機(jī)器語言、匯編語言及高級(jí)語言的三種代碼實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生通過比較，說出三類語言的特點(diǎn)，感悟變化趨勢(shì)。同時(shí)，筆者還增加了Python直觀體驗(yàn)，編程實(shí)現(xiàn)了“100和256相加”，不涉及任何算法，符合學(xué)生編程零基礎(chǔ)特點(diǎn)。

其次，面向過程到面向?qū)ο缶幊趟枷氲淖冞w是高級(jí)語言發(fā)展的重要變革，也是教學(xué)的難點(diǎn)。筆者以生活案例“自駕去無錫市區(qū)”還是“坐車去無錫市區(qū)”兩種解決問題的思路幫助學(xué)生理解兩種編程思想的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，利用Python的 math標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)完成復(fù)雜函數(shù)運(yùn)算，剖析Scratch槍擊游戲?qū)崿F(xiàn)過程，增加了學(xué)生面向?qū)ο蟮闹庇^體驗(yàn)。

最后，學(xué)生親歷程序設(shè)計(jì)語言發(fā)展過程后，感悟程序設(shè)計(jì)語言“宜人”變化趨勢(shì)，學(xué)生暢想，小組討論未來程序設(shè)計(jì)語言的發(fā)展情況。整節(jié)課，課堂氣氛熱烈，特別在暢想環(huán)節(jié)，學(xué)生想到中文編程、云端在線編程、計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成程序……這些“奇思妙想”把課堂推向高潮，教學(xué)過程生動(dòng)且富有實(shí)效。