基于計算思維的信息技術教學探究

呂國卿

摘要：計算思維作為一種新的學科思維方式，受到了國內外計算界的廣泛關注。培養學生計算思維能力是高中信息技術課程的重要組成部分。本文探討了計算思維的特點和計算思維在問題求解、系統設計以及人類行為理解上的應用，為計算思維背景下的教學模式提供參考。

關鍵詞：計算思維問題求解系統設計

一、計算思維的內涵

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機系主任周以真教授在美國權威期刊給出了計算思維的定義：“運用計算機科學的基礎概念進行問題的求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動?！庇嬎闼季S能力是計算機學科中基本的特征，同時也是解決問題的核心方法。在高中信息技術教學實施過程中，通過學生在具體的問題解決過程中，對具體問題進行具體分析和解決，能夠培養學生處理計算機問題時具備有效的思維方式、表達形式及行為習慣等。

二、計算思維的特點

21世紀是信息技術高速發展的時代，信息技術的使用和發展給人們的生活帶來了巨大的變革。信息技術不僅在聲影技術等方面給教育教學實踐帶來了巨大的便利，同時也給人們的計算帶來了巨大的革命性的超越。計算思維可以概括為以下幾點：

1.思維的產物

思維是人腦對客觀世界的本質及其內在聯系等的間接概括和反應，屬于認知過程或心理活動。思維活動的載體是語言和文字，在語言和文字表達的基礎上，通過遵循一定的格式，即需要按照一定的語法和語義規則表達才能夠被他人所理解。在獲得相應的表達方式的基礎上，為了讓他人相信自己的思維結論，還需要通過大量的研究和材料、證據等來證明，以使他人能夠遵循你的思維形式去運用和實踐。因此，計算思維是人的思維活動的產物。

2.數學和工程思維的產物

計算機科學其運行本質源自數學思維，與其他科學的構成類似，都是建立在一定基礎科學之上的。而計算機思維與工程思維又有著本質性的聯系，計算系統的建構是需要與實際問題展開具體互動的系統，系統的基本計算功能迫使計算機科學家們必須通過計算性地思考去分析和理解問題，而不是單純地數學計算。因而，計算思維是一種概念化的形式而不僅僅是單純地程序化的內容。

3.能動的

計算思維是人類在問題求解過程中尋求到的一條問題解決的有效路徑，人類賦予計算機以激情和能動的效果，讓計算機在人的思維模式的驅動下，開展豐富的、生動的問題解決過程。因此，計算思維不是計算機思維，它是人的思維活動的產物，伴隨著人的思維能動性而產生，并隨著人類思維的發展而發展。

三、計算思維的應用

1.在問題求解中滲透計算思維

【案例1】選定一個1000以內的自然數，接著回答10個問題，只需要回答是或否，然后系統會猜出你的那個數。

啟發學生一步步的對折對半對半，逼近所需的答案。為什么需要問10個問題？因為數的范圍是1-1000，2的10次方是1024，超過1000。進而逐漸引出計算機中的二分查找算法，并進行算法設計，然后進行編程實現。在學生對問題的自主思考、問題合作討論、具體探究的過程中，有效地滲透計算思維。

【案例2】有一座城市需要鋪路，要求：每棟房子都能沿著鋪好的道路到達其它所有的房子，用的磚數最少。現有5棟房子（如圖a），哪些路是必須要鋪上磚的？最少多少塊石磚？

把5棟房子化簡成5個節點（如圖b），A、B、C、D、E，然后節點之間作連線，連線的數字代表我們鋪磚所用的石磚數，鋪磚問題就變成圖論中的最小路徑問題，通過計算路徑的值，來比較哪條路徑用的磚數最少，最終得到解決方案。

一個城市有成千上萬的房子，城市的各種市政管網規劃，公共交通網絡的規劃，物流的最小成本分析，汽車導航系統等設計。如果用人腦去思考怎么分配，是不現實的。用計算機學科的方式去思考此類問題，就能方便地解決。

以上兩個例子，是在問題求解過程中滲透計算思維，首先建立問題模型，然后根據模型設計相應的算法，有了算法就可以編程實現，然后由計算機自動完成。

2.在系統設計中運用計算思維

【案例3】警察局抓了a、b、c、d四名偷竊嫌疑犯，其中只有一人是小偷。a說我不是小偷;b說c是小偷;c說小偷肯定是d，d說c是冤枉人;已知四個人中三人說的是真話，一人說的是假話，到底誰是小偷？

※問題分析：依次假設每個人都是小偷的情況，然后一一代入以上4句話，依次檢驗已知條件“四個人中三人說的是真話，一人說的是假話”是否成立，如果成立，那么對應的假設成立，小偷找到。

※形式化：將a、b、c、d四個人進行編號為1、2、3、4。將變量x存放小偷的編號，依次將x=1，x=2，x=3，x=4代入問題系統。a說：x<>1;b說：x=3;c說：x=4;d說：x<>4;四個邏輯式的值相加1+1+1+0=3。

※程序實現

For x=1 to 4

If （x<>1）+（x=3）+（x=4）+（x<>4）=3 Then

Print x &”是小偷。”

Next x

在系統設計的時候計算機學科如何進行思維呢？將系統中的交換過程映射為符號變換（即形式化），然后就可以用計算機進行處理。在遇到問題時要思考能否進行形式化，如何進行形式化。

3.在人類行為理解中的計算思維

在某個網站購買一本書后，這個網站會推薦跟這本書相類似的商品或相關聯的商品。當你買一件衣服，它就會推薦跟這件衣服風格相同的衣服或者配飾。這些網站是怎么知道用戶有可能喜歡此類商品？它們在研究人類的購物行為，用戶曾經購買過什么商品，對什么商品關注過、放過購物車，然后找出跟用戶興趣相關聯的商品。

計算思維能夠通過計算手段來研究人類的行為，判斷人類的思維活動，研究人類的行為概率和趨勢。

四、計算思維在教學實踐過程中存在的問題

隨著教育技術的發展，計算思維在教育實踐中的需求越來越明顯，但計算思維教育在教學實施的過程中，難以得到有效的引領和實施。教師對計算思維的理解不夠，導致缺乏相關的意識，在傳統思維慣性引導下關注的重點還是知識點的講解。教師缺少相應的教學方法，尤其是缺少教學過程中的問題設計，缺少能促進學生思考的方法。以算法教學為例，教師的教學目標是明確的，就是盡快地讓學生掌握算法，但缺少讓學生進一步思考算法形成背后的思想以及算法表達美感的沖動。在計算機教學規劃和設計中，反應計算思維的課程內容體系缺乏。

五、小結

在高中信息技術課程中培養學生的計算思維，是信息技術課程改革的一條新思路，有利于信息技術課程形成穩固的核心價值。在教學實施的過程中，教師應有效滲透計算思維，培養學生的科學素養，為學生的學習和發展奠定堅實的思想基礎，使學生在將來的學習實踐中能夠創造性地運用計算思維去分析和解決實際生活中的問題，為計算機科學提供可持續發展的應用型人才。

參考文獻：

①計算思維[J].周以真.中國計算機學會通訊.2007.3（11）

②計算思維——行進中的挑戰[J].王榮良，盧文來中國信息技術教育.2017（06）

③培養計算思維的高中信息技術校本課程研究[J].曹曉明，安娜.現代教育技術.2018（07）