在親歷計算機解決問題的全過程中發展計算思維

程建娜

在數字時代，數據既是信息的載體，也是計算機加工的對象。信息技術的發展，在某種意義上就是構造、存儲、計算相應數據的能力的發展。從應用角度看，信息技術已然成為人們日常生活、學習和工作中不可或缺的工具，我們習慣利用計算機來解決各式各樣的問題，可以說，“程序驅動”的數字化工具不僅改變了我們的生活與學習方式，而且改變著我們的認知結構與思維品質。因而，在“算法與程序實現”模塊內容的教學中，教師要引領學生在學習處理數字化環境下復雜性問題的過程中，深層次理解這些技術工具，知道它們的工作方法和應用流程，明白其中的數據是如何進行“計算”的，并能用計算機編程方式進行問題求解，從中發展計算思維。在學習中，既要強調對算法這一關鍵學科知識的學習，也要注重形成運用計算思維解決問題的關鍵能力的培養。實際上，無論算法的學習還是計算思維的培養，都不是孤立存在的，也不能單獨教學習得，它們滲透在計算機解決問題的過程中。我們要有意識地幫助學生親歷計算機解決問題的全過程，從分析問題、設計算法并編程實現的過程中，逐步培養計算思維。

理解用計算機解決問題的全過程，把握算法與程序的關系

用計算機解決問題需要借助編程的方式實現，但這并不等同于簡單的程序設計的教學，不是純粹的代碼編程。在教學中，教師要首先幫助學生理解用計算機解決問題的一般過程與方法，明晰這種問題解決方式的特點和優勢，從中把握算法、程序和計算思維之間的關系，以便在后續的學習中遷移應用。

例如，教師可以通過常見問題解決的兩種方式對比，如比較“路口交通指揮問題”中交警用手勢指揮交通和用“程序控制”的信號燈指揮交通的異同，幫助學生理解解決問題的方式并不唯一。使用人工方式進行問題處理時，人們主要是借助解決同類問題的經驗尋找求解方法，帶有較強的嘗試、試探的意圖，一種方法行不通，就換一種方法。而用計算機解決問題時，則需要在問題分析的基礎上，具體規劃求解方案并設計出具體的算法步驟，然后根據制訂的這些步驟編寫程序，最終實現問題的自動化求解。在對比分析中，教師要引導學生歸納出其中問題解決的共性過程，即需要先對問題進行分析，隨后隱性或顯性地設計出解決方案，然后再進行問題解決，并且在此過程中還要根據解決的結果隨時修正過程。同時教師要讓學生在對比中對用計算機解決問題的過程有更深入的理解，計算機解決問題并不神秘，其中最為核心的關鍵環節是算法的設計，計算機需要按照制訂好的算法步驟執行相應的指令，而編寫程序實際上就是實現算法的過程。

通過這樣的分析，學生很容易區分“算法”和“程序”，理解二者間的關系，進而能透過生活中技術應用的“現象”認識其“本質”。同時，理解了用計算機解決問題的過程，學生也就不會再過于糾結程序設計語言的選用，不會畏難于某些代碼的編寫。實際上，算法與程序的學習，并不是要求學生系統地掌握程序設計專業知識，更不是要把他們培養成編程專家，而是希望學生在體驗計算機解決問題的過程中，能真切認識到從“工業社會思考與解決問題方式”到“信息社會思考與解決問題方式”變革的內在原因，理解當今數字化世界的運轉方式，能有意識且負責任地使用信息化工具，掌握信息化社會中解決問題的一般方法。

親歷用計算機解決問題的全過程，關注問題分析與算法設計

在以往的編程解決問題的教學中，經常會出現這樣的狀況：學生對問題還沒有理解清楚，還沒思考出具體的問題解決步驟，就急于編寫程序代碼。對他們而言，寫出代碼就等于解決了問題，但實際上這種學習的結果是學生一直在盲目地修改代碼，而問題卻最終也無法得到很好地解決，能力也沒得到發展，甚至產生學習挫敗感。因此，在教學中教師一定要引導學生關注對問題的分析和設計算法的過程，所謂“謀定而后動”，只有明確要做什么和確定好如何做，后面的編程實現才能“水到渠成”。

1.分析問題，關注問題的可計算處理

在解決問題前，教師要幫助學生弄清楚需要計算機解決什么問題，即“做什么”的問題，并確定解決問題的相關因素，如已知信息、求解目標和條件關系等。問題分析的過程可以采用抽象的方法提取問題關鍵細節，并轉化成可計算的問題。此時，不同的問題對應的抽象模型可能不同。例如，分析紅燈變綠燈問題，可以從問題解決過程入手，確定出初始狀態、中間狀態和終止狀態;而分析畫50個同心圓問題，可以從已知條件（同心圓的個數和相鄰同心圓的半徑差）出發，明確與求解目標之間的隱含關系（同心圓的圓心相同）。

2.分解問題，著眼于問題解決的全過程

當要解決的問題比較復雜時，需要引導學生先將問題按照求解過程分解為若干個相對獨立的功能，然后再對各個特定功能分別進行算法設計（描述出詳細的操作步驟）。在分解問題時可以采用“分而治之”的方法，按照問題求解過程或者系統功能分解為若干功能模塊（每個模塊實現每個模塊的特定功能）。其中，如果分解的某些功能仍然比較復雜，還可再進行細分，從而建立多層的結構體系。通過這樣的問題功能分解，可以幫助學生著眼于問題解決的全過程，先全局后局部，先整體后細節，先抽象后具體，分層逐步解決。教學中需要注意的是，問題分解的角度并不唯一，不同的角度所得的功能分解的結果不盡相同，我們要允許和鼓勵學生進行多樣化的問題思考。

3.聚焦算法設計，突出算法在問題解決中的核心作用

在以往的教學中，有的教師經常會弱化算法的學習，將其作為某一知識內容，學習后就不再過多關注，不太強調其在編程解決問題中的作用，甚至在后面的編程解決問題中也常常脫離算法的設計，直接進行程序語句的編寫。其實，每個程序都是用來解決特定的計算問題。其中，計算處理數據的過程是程序最重要的組成部分，也是算法實現的關鍵。因此，在教學中，教師要引導學生重視問題解決的算法設計，要先將算法設計并表示出來。實際上，設計算法的過程，也是顯性化、明確化地展現問題求解的過程，是學生思維結果的可視化呈現，便于其直觀分析問題解決過程的合理性和有效性，對后續編寫程序、實現問題解決起到至關重要的作用。

教學中，我們還要注意問題解決的算法設計許多時候不是一蹴而就的，而是迭代完善的。教師要根據具體問題，通過提問、追問等方式，逐步引導學生思考，最終實現問題解決。例如，在編寫體重指數“計算器”程序的過程中，可以先讓學生編寫“計算體重指數”的程序，從中理解“輸入數據—處理數據—輸出數據”的算法步驟的執行過程。然后提出問題：如何實現對用戶的體重指數給出等級判定？從而引出迭代任務“評定體重指數等級”，這時學生先要對不同用戶的體重等級情況進行不同的分支表示，用流程圖描述出該算法，再根據分支情況使用適合的程序語句進行編程。最后，教師還可以引導學生自己發現程序還存在哪些問題，有學生會提出：該程序運行一次只能判定一個人的體重指數等級，不能實現多次判斷。由此，進入程序的再次迭代完善，教師引導學生思考哪些操作需要重復進行，如何控制重復的次數，從而進入循環結構的學習，并利用循環語句完成最終的體重指數“計算器”程序。這樣的學習過程，既體現了真實的問題解決過程，即不斷發現問題、解決問題，也讓學生在潛移默化中理解了迭代的思想。

4.理解算法的多樣性及其對問題解決效率的影響

教學中，教師既要強調問題解決中算法設計的多樣、解決同一問題可能會有不同的算法、不同算法求解的過程可能有所不同，又要引導學生分析不同的算法在問題解決效率上的差異，同時還要突出計算機程序實現算法自動化的優勢，幫助學生理解數字化工具在解決問題中的核心特征。例如，“從若干個相同的零件中找出質量較輕的零件”活動的問題求解算法并不唯一，可以用一一比較的枚舉法，也可以采用二分法。顯然，當零件個數n足夠大，如n=10000時，后一種方法解決問題的速度更快。這里，教師也可以提供程序，讓學生通過運行程序，填寫實驗報告，具體感受算法的效率，從而加深對算法在計算機解決問題中作用的認識。

借助真實的問題情境，更自如地參與到用計算機解決問題的過程中

在教學中，教師要有意識地提供一些生活中真實的數字化應用案例，引導學生思考其中問題解決的核心，將算法和程序的學習與具體的生活應用場景相關聯。因而，學生不再是僅僅學習純粹的知識技能，更重要的是對真實情境中技術實現原理進行剖析，從而揭開數字化工具背后的“神秘面紗”。學生不再是被動地使用技術，而是能夠真正理解這些技術的實現，從而更自如地應用技術來解決問題。例如，在學習程序三種基本結構時，可以讓學生嘗試解釋某些現實場景應用背后的技術實現思想，如空調的定時開關機、車庫的自動抬桿、音樂播放器反復播放歌單曲目等，幫助學生理解其中蘊含的順序、選擇和循環思想。再如，在學習解析算法時，可以基于真實情境提出案例分析，如手環中給出的運動消耗卡路里值是如何計算出來的？打車軟件中預估車費是怎么實現的？通過生活實際應用，分析其中程序功能實現的關鍵技術，學生在認識算法、編程實現的同時，也進一步提高對數字化工具背后技術思想和方法的感悟，甚至激發進一步改進完善技術的興趣。

計算思維是一種處理信息問題的重要思考方式，是未來科技創新的重要助推力，更是21世紀學生自主發展的核心素養之一。發展計算思維，能讓學生像信息技術專家一樣思考，理解信息社會問題，并成長為合格的“數字公民”。信息技術的學習雖然包括了技能學習，但不等同于單純的操作訓練，還必須讓學生掌握必要的應用方法，以便在不同情境下，能應用這些技能解決問題。因此，在教學中不僅要強調學生動手參與實踐，嘗試編寫程序、調試運行代碼，更要注重引導學生進行問題的分析和算法的設計，讓其“綜合應用”各種知識（甚至跨學科知識）進行真實“問題解決”，使其親歷編程解決問題的全過程，重視對用計算機解決問題過程中方法的分析與梳理。其中無論是用抽象的方法分析問題，用分而治之的思想分解問題，用算法步驟描述問題解決過程，還是編寫程序實現自動化求解，甚至調試運行程序等，都是計算思維能力發展的核心要素，都需要學生在親歷計算機解決問題的全過程中逐步掌握。