高中算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)的意義和有效性

范云春

（徐州市侯集高級(jí)中學(xué) 江蘇徐州 221000）

算法與程序設(shè)計(jì)模塊教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、邏輯思維能力，培養(yǎng)學(xué)生把一個(gè)大問(wèn)題分解成多個(gè)小問(wèn)題，再用算法和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)解決問(wèn)題的能力[1]。該模塊的教學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)對(duì)人才的需求密切聯(lián)系，能激發(fā)許多優(yōu)秀學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)他們的智慧，促進(jìn)綜合素質(zhì)的提高。

一、算法和程序設(shè)計(jì)教學(xué)的意義

如今，人類社會(huì)對(duì)信息技術(shù)高度依賴，計(jì)算機(jī)科學(xué)越發(fā)重要，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力成為必然。如何有效培養(yǎng)這方面的能力，成為國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)教育界與科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。中學(xué)算法和程序設(shè)計(jì)的教學(xué)對(duì)學(xué)生的全面發(fā)展具有重要意義。

（一）算法和程序設(shè)計(jì)教學(xué)拓展了學(xué)生知識(shí)面，引領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)信息科學(xué)的殿堂

編程教育在世界各國(guó)已經(jīng)成為孩子繼閱讀、寫(xiě)作、算術(shù)這三項(xiàng)基本能力外需要掌握的第四項(xiàng)必備技能。而計(jì)算思維屬于三大科學(xué)思維的范疇，是人應(yīng)該具備的重要能力之一[2]，與我們的生活息息相關(guān)，更關(guān)乎對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。算法與程序設(shè)計(jì)的教學(xué)會(huì)幫助學(xué)生推開(kāi)一扇門，讓他們?cè)谝粋€(gè)0和1的世界中去創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)，讓感興趣的學(xué)生及早步入信息科學(xué)的殿堂。

算法與程序設(shè)計(jì)課程可以拓展學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)學(xué)生的求知欲。例如，在學(xué)生學(xué)習(xí)語(yǔ)言的過(guò)程中，教師要講信息的二進(jìn)制表示，在這個(gè)0和1、有和無(wú)的世界中，計(jì)算機(jī)是怎么用簡(jiǎn)單的0和1表示五彩繽紛的信息的，還要講字符信息的編碼ASCII碼。在講進(jìn)位制或按位計(jì)數(shù)法的過(guò)程中，教師會(huì)講二進(jìn)制、十進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制，讓學(xué)生知道不同位的意義。教師還可以加上不使用按位計(jì)數(shù)法的羅馬數(shù)字，用鐘表表盤(pán)上的羅馬數(shù)字來(lái)拓寬學(xué)生的知識(shí)面。I表示1，IV表示4，V表示5，X表示10，L表示50。古羅馬人已經(jīng)學(xué)會(huì)把IIIII看成一個(gè)單元V，即5來(lái)表示了。人類很早就掌握了把大問(wèn)題分解成小問(wèn)題來(lái)解決的方法。這是計(jì)算機(jī)算法設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，也是生活中問(wèn)題求解的步驟和方法。教師可以帶領(lǐng)學(xué)生重溫人類計(jì)數(shù)的歷史和文明的演化，在網(wǎng)上搜索相關(guān)圖片并做成精美課件。學(xué)生會(huì)對(duì)此產(chǎn)生濃厚的興趣，恍然大悟：原來(lái)人類計(jì)數(shù)的歷史這么悠久和豐富多彩。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)使用的二進(jìn)制，其速度和應(yīng)用的廣度都是人類計(jì)算領(lǐng)域的進(jìn)步。

（二）培養(yǎng)學(xué)生的探索精神及解決問(wèn)題、自主學(xué)習(xí)的能力

程序設(shè)計(jì)的步驟是分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)算法、編寫(xiě)程序、調(diào)試運(yùn)行[3]。算法設(shè)計(jì)是程序設(shè)計(jì)的核心。學(xué)生要分析教師給出的問(wèn)題，開(kāi)動(dòng)腦筋設(shè)計(jì)出解決問(wèn)題的算法，最后編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序來(lái)解決。這既培養(yǎng)了學(xué)生探索精神，又使學(xué)生的計(jì)算思維得到了啟發(fā)和鍛煉。例如，在猴子吃桃的例子中，猴子每天吃的數(shù)量是樹(shù)上桃子的一半再多1個(gè)，第十天，樹(shù)上還剩下1個(gè)桃子。那么，第一天有多少個(gè)桃子？學(xué)生要分析第九天、第八天桃子的數(shù)量，從而找出規(guī)律，找到遞推公式，設(shè)計(jì)出算法。面對(duì)兔子繁衍、漢諾塔、階乘等問(wèn)題，學(xué)生也要學(xué)會(huì)把復(fù)雜的問(wèn)題變成簡(jiǎn)單的問(wèn)題，把大問(wèn)題變成小問(wèn)題，找出規(guī)律和方法。這也是人們解決日常生活中的問(wèn)題的方法和步驟。

算法和程序設(shè)計(jì)教學(xué)使數(shù)學(xué)和程序設(shè)計(jì)融合在一起。算法設(shè)計(jì)離不開(kāi)數(shù)學(xué)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣。例如，在求最大公約數(shù)時(shí)，可用迭代法；在求素?cái)?shù)時(shí)，可用枚舉法；在解決猴子摘桃問(wèn)題時(shí)，可用倒推法；在解決排列組合問(wèn)題時(shí)，可用歸納法；在數(shù)組排序問(wèn)題中，可用冒泡、選擇、插入排序方法；在查找中，可用順序查找和二分法查找。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)算法和程序設(shè)計(jì)，能把數(shù)學(xué)和程序設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系起來(lái)。學(xué)生要從問(wèn)題中提煉出數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)算法、編寫(xiě)程序，用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言解讀，培養(yǎng)計(jì)算解題的能力，也就是計(jì)算思維的能力。

在學(xué)習(xí)高級(jí)語(yǔ)言的過(guò)程中，感興趣的學(xué)生會(huì)迫不及待地去學(xué)習(xí)一些超前知識(shí)點(diǎn)，如順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、數(shù)組排序等，很多都可以自學(xué)完成。例如，在遞歸函數(shù)的教學(xué)中，在求解階乘、裴波那切數(shù)列、漢諾塔等遞歸調(diào)用問(wèn)題時(shí)，有的學(xué)生會(huì)自己在網(wǎng)上查找資料，深入地探究學(xué)習(xí)，探索設(shè)計(jì)算法。這樣的學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)編程實(shí)踐能培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和探索精神。自學(xué)能力是學(xué)生將來(lái)學(xué)習(xí)、工作和生活必備的法寶。

（三）培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)心的做事習(xí)慣

在算法和程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，學(xué)生要設(shè)計(jì)算法和編寫(xiě)代碼。算法的設(shè)計(jì)要嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確，不能模棱兩可。在程序代碼輸入的過(guò)程中，學(xué)生難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。每一個(gè)代碼的錯(cuò)誤都會(huì)使程序無(wú)法執(zhí)行。在查找錯(cuò)誤時(shí)，學(xué)生要不斷調(diào)試和完善，最終得出正確的結(jié)果。這能培養(yǎng)學(xué)生耐心、細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)、有條不紊的做事習(xí)慣。計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的步驟是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模遣豢梢蕴S和省略的。學(xué)生可就此認(rèn)識(shí)到，計(jì)算機(jī)需要一條、一條地執(zhí)行語(yǔ)句。編程會(huì)培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心的習(xí)慣。一種好的習(xí)慣會(huì)影響到各個(gè)學(xué)科的學(xué)習(xí)，對(duì)學(xué)生的終身教育和發(fā)展具有促進(jìn)作用。

（四）培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力

算法和程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展，尤其是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。計(jì)算思維能力的培養(yǎng)體現(xiàn)在學(xué)科教學(xué)的全過(guò)程中。計(jì)算思維需要學(xué)生擁有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力。而有效培養(yǎng)學(xué)生思維能力，則是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的最終目的。計(jì)算思維是培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的主要目標(biāo)。這就需要教師以計(jì)算思維為中心，將其體現(xiàn)在不同課程中。目前，各個(gè)學(xué)科的發(fā)展對(duì)信息技術(shù)的依賴程度越來(lái)越高，要求學(xué)生必須具備計(jì)算思維。算法和程序設(shè)計(jì)的教學(xué)也能培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。

二、教學(xué)策略的選擇

算法與程序設(shè)計(jì)課程的理論與實(shí)踐是一體的，實(shí)踐性較強(qiáng)，需要學(xué)生上機(jī)實(shí)踐操作，驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的算法和程序，理論和實(shí)踐相互促進(jìn)。在上機(jī)過(guò)程中，教師應(yīng)適時(shí)提供幫助，也可以把學(xué)得好的學(xué)生培養(yǎng)成小老師，有助于培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神。將“講授、演示、練習(xí)”的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸匾暷７隆⒕毩?xí)、創(chuàng)新”的模式，相較于發(fā)現(xiàn)與探究對(duì)策，效果明顯更好。

（一）確立發(fā)展計(jì)算思維的教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是在教學(xué)完成后，學(xué)生盡可能達(dá)到知識(shí)技能、過(guò)程方法及情感態(tài)度價(jià)值觀等方面的要求，被視為教學(xué)任務(wù)是否完成的參考依據(jù)之一，也被視為某節(jié)課的核心。教師在明確三維目標(biāo)的過(guò)程中，需要考慮的問(wèn)題主要包括以下幾點(diǎn)：本節(jié)課學(xué)生需要學(xué)習(xí)什么內(nèi)容？需要掌握什么技能？運(yùn)用哪種方式實(shí)現(xiàn)？學(xué)生最終需要獲取哪方面的情感體驗(yàn)？對(duì)此，教師應(yīng)將學(xué)生的計(jì)算思維能力發(fā)展編入教學(xué)過(guò)程和方法中，也列入情感態(tài)度價(jià)值觀的培養(yǎng)中。這就是學(xué)生需要在思維層面達(dá)到的目標(biāo)。教師要明確把培養(yǎng)計(jì)算思維寫(xiě)入教學(xué)設(shè)計(jì)，具體到例題。

（二）細(xì)化任務(wù)模塊，發(fā)展計(jì)算思維

教學(xué)目標(biāo)的具體化過(guò)程就是設(shè)定教學(xué)任務(wù)的過(guò)程。合理的教學(xué)任務(wù)往往具有較強(qiáng)的可行性和趣味性，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)有促進(jìn)作用。在算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，教師應(yīng)該明確學(xué)生要做的事情是什么，需要解決什么問(wèn)題，最終要達(dá)到什么目標(biāo)。學(xué)生在收到任務(wù)后，應(yīng)該探究任務(wù)的完成步驟，在腦海中形成完成任務(wù)的思路，制定初步的實(shí)施方案。具體步驟如下：第一，分析問(wèn)題，找出問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)；第二，數(shù)據(jù)分類，對(duì)其進(jìn)行抽象處理；第三，啟發(fā)推理，用最自然的語(yǔ)言將預(yù)期方案表述出來(lái)；第四，創(chuàng)建相關(guān)模型或流程圖；第五，編寫(xiě)程序代碼；第六，上機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試；第七，整理研究重點(diǎn)。教師設(shè)計(jì)任務(wù)無(wú)需十全十美，可以采取較為靈活的方式，將部分思考空間留給學(xué)生，引導(dǎo)他們主動(dòng)嘗試和探究，從不同方面學(xué)會(huì)運(yùn)用各異的方法解決問(wèn)題，避免思維固化。

算法與程序設(shè)計(jì)是高中信息技術(shù)教育中不容忽視的一個(gè)模塊。設(shè)置本模塊是為了培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的能力，不管是現(xiàn)在使用的VB程序設(shè)計(jì)，還是即將使用的Python語(yǔ)言，其目的都是為了培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，其核心都是算法，是對(duì)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程進(jìn)行更好的闡述。總之，該模塊的設(shè)置是時(shí)代發(fā)展的需要、人才培養(yǎng)的需要，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力及其他方面能力的培養(yǎng)有極大的促進(jìn)作用，將是信息技術(shù)教學(xué)中的“點(diǎn)睛之筆”。