計(jì)算思維在初中信息技術(shù)學(xué)科中的實(shí)踐探索

金喆

《江蘇省義務(wù)教育信息技術(shù)課程綱要（2017年修訂）》中指出，學(xué)生要嘗試運(yùn)用計(jì)算思維識(shí)別與分析問(wèn)題，抽象、建模與設(shè)計(jì)系統(tǒng)性解決方案。信息技術(shù)學(xué)科的本質(zhì)在于培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行問(wèn)題解決的思維方式，而這種思維方式就是計(jì)算思維。筆者結(jié)合課堂實(shí)踐，總結(jié)了以下三個(gè)教學(xué)策略。

“游戲化設(shè)計(jì)”中的計(jì)算思維

游戲化設(shè)計(jì)不是游戲設(shè)計(jì)。游戲化是指使用游戲機(jī)制和游戲化體驗(yàn)設(shè)計(jì)，數(shù)字化地鼓舞和激勵(lì)人們實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)。游戲化設(shè)計(jì)有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)、提高能力、培養(yǎng)正確的情感態(tài)度與價(jià)值觀，能夠促進(jìn)自主學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生參與設(shè)計(jì)也有助于計(jì)算思維的培養(yǎng)。

例如，江蘇省初中信息技術(shù)教材《動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)與制作》章節(jié)，包含多個(gè)動(dòng)畫(huà)類(lèi)型，如動(dòng)畫(huà)補(bǔ)間動(dòng)畫(huà)、形狀補(bǔ)間動(dòng)畫(huà)、引導(dǎo)層動(dòng)畫(huà)、遮罩動(dòng)畫(huà)等。如果將這些動(dòng)畫(huà)類(lèi)型綜合運(yùn)用，配合多個(gè)人物、動(dòng)物等元素形象，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有故事情節(jié)的綜合動(dòng)畫(huà)。做這樣具有故事情節(jié)，類(lèi)似于小游戲的動(dòng)畫(huà)，學(xué)生創(chuàng)作積極性高，但完成的作品質(zhì)量卻令人堪憂。作品大多是這樣的：具有動(dòng)畫(huà)效果，能夠動(dòng)靜分離，但沒(méi)有故事發(fā)生，一般為多個(gè)對(duì)象在固定背景下孤獨(dú)地做著移動(dòng)、跳躍、挪動(dòng)等動(dòng)作，對(duì)象之間沒(méi)有配合。如何讓動(dòng)畫(huà)中的人物、動(dòng)物等元素發(fā)生一些碰撞、一些交叉、一些故事，關(guān)鍵在于劇本的設(shè)計(jì)。劇本設(shè)計(jì)也是在時(shí)間軸上計(jì)算動(dòng)畫(huà)元素間的動(dòng)作關(guān)系，這是一種計(jì)算思維的提升過(guò)程。在設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)游戲故事方面，筆者給出的建議是三步法。所謂三步法，就是分三步來(lái)幫助學(xué)生理清思路，找到循序漸進(jìn)解決問(wèn)題的方法。

第一步：瀏覽素材，選擇人物形象，構(gòu)思故事情節(jié)，用一句話簡(jiǎn)單描述。例如：清晨，男孩在草地上邊走邊采蘑菇，邊走邊采花朵。第二步：分析劇情，列出動(dòng)、靜對(duì)象，列寫(xiě)于圖表。第三步：按人物出場(chǎng)順序，嘗試在時(shí)間軸上描述故事情節(jié)。

綜合動(dòng)畫(huà)中人物、動(dòng)物對(duì)象多，動(dòng)畫(huà)類(lèi)型復(fù)雜，時(shí)間點(diǎn)恰到好處是動(dòng)畫(huà)成功的關(guān)鍵。例如，在故事的開(kāi)始，男孩、蘑菇和花在場(chǎng)景中是同時(shí)出現(xiàn)的，但男孩走到哪里停下來(lái)，須與蘑菇和花的藏身地點(diǎn)一致。男孩采完蘑菇和花之后，停留多少時(shí)間，停下來(lái)到再次出發(fā)，這段時(shí)間須和蘑菇與花消失的時(shí)間吻合。這些都需要在時(shí)間軸上計(jì)算并一一對(duì)應(yīng)，如圖1所示。

“問(wèn)題解決”中的計(jì)算思維

問(wèn)題解決是指以現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的解決作為教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展的主線，在教學(xué)中設(shè)置問(wèn)題或疑點(diǎn)，以解決問(wèn)題為突破口，帶動(dòng)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。問(wèn)題解決是計(jì)算思維的核心要素，采用問(wèn)題解決教學(xué)可以在教學(xué)過(guò)程中不斷制造懸念，迅速吸引學(xué)生的注意，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考。

優(yōu)秀的案例可以給學(xué)生現(xiàn)有的思維模式帶來(lái)強(qiáng)烈沖擊，可以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

《機(jī)器人行走》教學(xué)片斷

師：請(qǐng)看以下場(chǎng)地（如圖2）。一輛機(jī)器人小車(chē)從左、右任一起點(diǎn)出發(fā)，避開(kāi)障礙，進(jìn)入異側(cè)停車(chē)區(qū)。編制程序前首先要規(guī)劃路線，請(qǐng)大家拿出學(xué)案，小組商議，畫(huà)出機(jī)器人行走的路線。

教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題情境，小車(chē)要繞過(guò)障礙停至異側(cè)停車(chē)區(qū)，小車(chē)在沒(méi)有自動(dòng)避礙的前提下，需要學(xué)生提前給小車(chē)規(guī)劃好行進(jìn)路線。解決規(guī)劃路線這一問(wèn)題時(shí)，學(xué)生一般選擇讓小車(chē)直行，過(guò)障礙后，左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)90度至異側(cè)停車(chē)區(qū)域正下方，再次左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)90度，再直行至停車(chē)區(qū)，此路線，小車(chē)需完成五步動(dòng)作。個(gè)別學(xué)生選擇小車(chē)直行至同側(cè)停車(chē)區(qū)后直角轉(zhuǎn)彎至另一側(cè)停車(chē)區(qū)，此路線，小車(chē)需完成三步動(dòng)作。小車(chē)行進(jìn)路線的走向規(guī)劃，直接影響著后續(xù)程序編寫(xiě)的難易程度。從學(xué)生解決問(wèn)題的過(guò)程來(lái)看，雖然他們都完成了問(wèn)題的解決方案，但在問(wèn)題分析、方案建構(gòu)上各不相同，最后必定影響解決問(wèn)題的基本思路。

《機(jī)器人行走》教學(xué)片斷（升級(jí)版）

師：請(qǐng)看以下場(chǎng)地。一輛機(jī)器人小車(chē)從左、右任一起點(diǎn)出發(fā)，避開(kāi)障礙，進(jìn)入異側(cè)停車(chē)區(qū)。編制程序前首先要規(guī)劃路線，請(qǐng)大家拿出學(xué)案，小組商議，畫(huà)出可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走任務(wù)的所有路線，并比較路線優(yōu)劣，擇出最優(yōu)路線。

升級(jí)版教學(xué)中，教師讓學(xué)生在復(fù)雜的問(wèn)題解決過(guò)程中，進(jìn)行路線規(guī)劃設(shè)計(jì)，比較優(yōu)劣，擇優(yōu)選擇，讓學(xué)生在知識(shí)和技能的習(xí)得上實(shí)現(xiàn)了高階思維能力的培養(yǎng)。

“可視化”下的計(jì)算思維

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)在不斷增長(zhǎng)，種類(lèi)繁多的信息源產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人腦分析解釋這些數(shù)據(jù)的能力。由于缺乏大量數(shù)據(jù)的有效分析手段，大約有95%的計(jì)算被浪費(fèi)，這嚴(yán)重阻礙了科學(xué)研究的進(jìn)展。為此，美國(guó)計(jì)算機(jī)成像專業(yè)委員會(huì)提出了解決方法——可視化。可視化把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形，可以給予人們深刻與意想不到的洞察力。

新版綱要中指出，當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代，學(xué)生應(yīng)能應(yīng)用電子表格進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析與直觀表達(dá)。例如，在全國(guó)省會(huì)城市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)電子表格中，利用函數(shù)運(yùn)算、排序、圖表等方法分析處理數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并提出解決問(wèn)題的方案。初中階段學(xué)生能處理的數(shù)據(jù)雖遠(yuǎn)不能達(dá)到大數(shù)據(jù)容量的要求，但三張工作表500個(gè)數(shù)據(jù)，在計(jì)算、排序等一系列操作之后，學(xué)生早已頭昏眼花，要想從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題已成霧里看花。而簡(jiǎn)化、抽象、建模等思維可視化行為，如“圖表”，可以幫助學(xué)生簡(jiǎn)化問(wèn)題，化解難題，找出共性，思索解決方案。在上述電子表格中，共32個(gè)省會(huì)城市，挑出天數(shù)變化較大的三個(gè)城市作為代表，以城市代表為X軸、天數(shù)為Y軸制作圖表。從圖表上可以看出，2002年三個(gè)城市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)普遍較好，達(dá)200天以上；2014年三個(gè)城市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)全部減少，約150天；2016年，三個(gè)城市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)又全部增多，較2014年增加約50天。學(xué)生通過(guò)分析這三年的變化過(guò)程，普遍會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)問(wèn)題：為什么2014年空氣質(zhì)量突然變壞，2016年空氣質(zhì)量又突然變好了呢？帶著問(wèn)題，繼續(xù)分析三個(gè)城市的環(huán)境污染治理投資圖表時(shí)，疑問(wèn)就迎刃而解了。

作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，計(jì)算思維是信息化社會(huì)中數(shù)字公民所應(yīng)具備的基本素養(yǎng)。計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，需要教師在教學(xué)過(guò)程中不斷挖掘，不斷積累，不斷改進(jìn)。信息技術(shù)教師要圍繞計(jì)算思維，積極探索初中信息技術(shù)的教學(xué)改革，構(gòu)建基于計(jì)算思維的教學(xué)體系和教學(xué)方法，讓計(jì)算思維成為一條培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)的有效途徑。