高中編程教育中滲透計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)模式探究

許葉青

摘 要：本文通過闡釋計(jì)算思維的概念，探討在編程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的基本教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：高中信息技術(shù)課堂;編程教學(xué);計(jì)算思維

新課標(biāo)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)2017版》中提出：高中信息技術(shù)學(xué)科學(xué)核心素養(yǎng)由信息意思、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四大個(gè)核心素養(yǎng)組成。作為核心素養(yǎng)之一的計(jì)算思維，不僅在核心素養(yǎng)中具有著重要地位，而且還提升了高中信息技術(shù)課程的思維價(jià)值。

一、計(jì)算思維的定義

2017版的普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)將計(jì)算思維定義為：“計(jì)算思維是指個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)”。由此可見，計(jì)算思維是一種解決問題的思維過程，涉及到問題的闡述，數(shù)據(jù)的組織、分析和呈現(xiàn)，解決方案的制訂、識別、分析和實(shí)施以及問題解決過程的遷移等。

二、基于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)模式

計(jì)算思維的操作性定義為我們開展培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)指明了方向。由操作定義可見，計(jì)算思維解決問題的過程包括以下幾個(gè)步驟。1.描述問題。2.數(shù)據(jù)組織、分析和呈現(xiàn)。3.制定解決問題的方法。4.對已有的方案進(jìn)行識別、分析，找到最有效的方案，實(shí)施方案。5.將該問題求解過程總結(jié)推廣到更多類似問題解決中。

對一線教學(xué)工作者而言，我們關(guān)注的是如何在我們課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。筆者認(rèn)為基于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)模式，應(yīng)該將計(jì)算思維的一般過程融入課堂教學(xué)中，讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中將計(jì)算思維的過程內(nèi)化，從而提高計(jì)算思維能力。我們在設(shè)計(jì)課堂教學(xué)時(shí)可以遵循以下步驟。

第一階段：創(chuàng)設(shè)能夠利用計(jì)算機(jī)解決問題的情境。第二階段：組織學(xué)生分析數(shù)據(jù)。第三階段：幫助學(xué)生抽象問題，建立模型。第四階段：幫助學(xué)生建立解決問題的初步方案。第五階段：對已有方案進(jìn)行分析，識別，找到最有效的方案。第六階段：引導(dǎo)學(xué)生將問題解決方法總結(jié)遷移到更多類似問題解決之中。

三、在高中編程教育中落實(shí)計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)策略

（一）高中生的思維特點(diǎn)

高中時(shí)期是思維發(fā)展的“黃金期”，形象思維逐步轉(zhuǎn)向抽象思維的過渡期，辯證邏輯思維日趨發(fā)展。而這一時(shí)期思維如果沒有得到有效的啟發(fā)，思辨能力發(fā)展會受到制約，進(jìn)而影響其創(chuàng)造思維能力的發(fā)展。因此在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，尤為重要。

從教多年，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)我們學(xué)生在求解問題時(shí)，題目中所包含的知識點(diǎn)都理解，但是不能或者完全將問題解出。很多同學(xué)反映在編程課上，老師講的內(nèi)容都理解，一遇到具體題目就束手無策了。歸根結(jié)底，還是思維問題，學(xué)生不懂如何去思考問題。所以我們在課堂上應(yīng)該盡可能去啟迪思維，教會學(xué)生如何去思考問題，如何去解決問題。

（二）基于計(jì)算思維培養(yǎng)的高中編程教學(xué)—以窮舉法為例

1創(chuàng)設(shè)情境

提出問題：找出100以內(nèi)被5整除余3的整數(shù)，并且計(jì)算出總個(gè)數(shù)。

總結(jié)：利用計(jì)算機(jī)高運(yùn)算的特性，一個(gè)一個(gè)枚舉，然后驗(yàn)證。

2窮舉算法思想講解

窮舉思想講解：這種將求解對象一一列舉出來，然后逐一加以分析、處理，并驗(yàn)證結(jié)果是否滿足給定的條件，窮舉完所有對象，問題將最終得以解決的方法，稱為窮舉法。

窮舉算法在日常生活中的應(yīng)用舉例：高鐵檢票系統(tǒng)、破解密碼、擊鼓傳花游戲等等。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)造出適合用計(jì)算思維思考的問題情境，通過情景，引導(dǎo)學(xué)生思維，要解決問題應(yīng)怎么去計(jì)算，去構(gòu)造，同時(shí)引出枚舉算法的概念。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)了解枚舉算法的特點(diǎn)。讓學(xué)生對生活中實(shí)例進(jìn)行抽象，體會到算法在生活中是無處不在的。

3分析算法、完善算法流程圖

第一步：設(shè)立循環(huán)變量范圍。第二步：設(shè)定驗(yàn)證條件。第三步：驗(yàn)證條件不成立，結(jié)束。第四步：滿足條件，執(zhí)行計(jì)數(shù)器s加1。第五步：循環(huán)結(jié)束，輸出s。

4編寫代碼

設(shè)計(jì)意圖：在教學(xué)中滲透計(jì)算思維思想，體現(xiàn)和運(yùn)用計(jì)算思維解決問題，問題解決的四個(gè)方面關(guān)注點(diǎn)：（1）什么樣的計(jì)算策略更有利于當(dāng)前問題的解決？枚舉算法;（2）列舉的范圍的確定：1到100中所有的整數(shù);3）問題解決的判定條件是什么？被5除余3;（4）什么樣的技術(shù)能被應(yīng)用于當(dāng)前的問題求解？采用枚舉法從1、2、3、4----100流程圖圖結(jié)構(gòu)循環(huán)嵌套分支，用循環(huán)結(jié)構(gòu)來確定列舉的范圍1-100，用分支來檢驗(yàn)是否滿足條件。

5拓展

思考算法優(yōu)化問題：通過利用數(shù)學(xué)方法分析，該數(shù)為5的倍數(shù)加3，所以可以對倍數(shù)進(jìn)行枚舉，枚舉變量范圍變?yōu)?-20，從而減少循環(huán)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。

6總結(jié)

（1）.窮舉法規(guī)律。概念：一一列舉，逐個(gè)判斷。三個(gè)關(guān)鍵步驟：窮舉變量、窮舉范圍、驗(yàn)證條件。窮舉算法結(jié)構(gòu)：循環(huán)+判斷語句。窮舉法的基本模式。

（2）.窮舉法的優(yōu)化。常用方法：加強(qiáng)約束條件減少枚舉范圍;結(jié)合數(shù)學(xué)分析減少循環(huán)嵌套。

（3）.窮舉法的特點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：算法簡單。缺點(diǎn)：運(yùn)算量大。運(yùn)用范圍：用于求解的范圍確定，一時(shí)又找不出更好的辦法。

四、總結(jié)

首先，融合計(jì)算思維的課堂教學(xué)，是思維的課堂，是有效的課堂。既可以作為一種學(xué)習(xí)的策略，幫助學(xué)生理解算法的思想方法，促使他們整合新舊知識，建構(gòu)模型，明確枚舉算法一般結(jié)構(gòu)是：循環(huán)結(jié)構(gòu)中嵌套分支結(jié)構(gòu)學(xué)會具體問題具體分析，逐層分解，化復(fù)雜為簡單，創(chuàng)建一個(gè)師生思維碰撞的平臺，促進(jìn)師生間的交流與溝通，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)，同時(shí)也促進(jìn)學(xué)生之間的交、合作與學(xué)習(xí)。

對高中學(xué)生來說是算法與程序設(shè)計(jì)一個(gè)相對較為復(fù)雜的枯燥的學(xué)習(xí)，根據(jù)計(jì)算思維的特點(diǎn)在完成和設(shè)計(jì)一個(gè)較為復(fù)雜的問題任務(wù)時(shí)，將這個(gè)問題進(jìn)行分離成一個(gè)小問題一個(gè)小問題去解決，確定關(guān)注點(diǎn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象，然后進(jìn)行算法的描述，用流程圖來構(gòu)造表示我們要學(xué)會對這種問題分析處理的方法，對復(fù)雜問題進(jìn)行模塊化，然后由里到外逐層分析，化繁為簡，體現(xiàn)和運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的優(yōu)勢。