基于高中生計算思維培養的算法與程序教學探究
——以Visual Basic 中的循環結構為例

南京師范大學附屬揚子中學 張 沁

一、案例背景

計算思維（Computational Thinking）于2006 年由美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）定義為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、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。可以理解為，計算思維是利用計算機求解問題的一種思維活動。2017 年，我國教育部制定的《普通高中信息技術課程標準》（以下簡稱《新課標》）中，首次提出了學科核心素養，并把計算思維作為高中信息技術學科的四大核心素養之一。《新課標》指出，計算思維是個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。而算法與程序實現，即利用計算機對問題的求解，是對計算思維的體現。

在高中信息技術課程結構中，將“數據與計算”作為必修部分的模塊1。由此可見，“數據與計算”在整個高中信息技術學科教學中占據重要地位。該模塊中關于“算法與程序實現”內容的學業要求為：依據解決問題的需要，設計和表示簡單算法；掌握一種程序設計語言的基本知識，利用程序設計語言實現簡單算法，解決實際問題。算法即解決問題的方法和步驟，它是程序的靈魂。而程序則是算法思想的體現。目前，在高中信息技術課程教學中，“算法與程序實現”這部分內容的教學一直是比較難以處理的內容。學生對此內容比較陌生，長期缺乏計算思維的訓練，他們不知道如何利用計算思維分析問題，更談不上解決問題。而“計算思維”的提出，使信息技術課程教學從注重實踐操作的技術素養層面上升到注重思維素養培養的層面。因此，對于此內容的教學如何開展？如何培養學生的計算思維？我將以《循環結構》這一節課為例，探索算法與程序的教學方法以及培養學生計算思維的方法。

本節課《循環結構》是教科版高二信息技術選修《算法與程序設計》教材的第二章的第三節的第三部分內容，既是對前面學習內容的鞏固，例如界面操作、Visual Basic 基本語句的掌握，也是對下一章《算法的程序實現》學習的基礎。程序的基本結構有順序結構、選擇結構和循環結構，掌握程序的基本結構是學習算法和程序設計必須掌握的內容。經過前面內容的學習，學生已經初步熟悉了Visual Basic 界面，對編程有了初步的了解和嘗試，已經學習了基本操作（如程序的保存、運行）、數據的輸出（如print 語句）、順序結構和選擇結構的特點等。

二、案例描述

（一）新課引入

帶領學生回憶上節課的內容，如：Visual Basic 的界面、程序的保存與運行、數據的輸出等。

教師提問1：如何在窗體上單擊一次，打印出1 個“*”符號？（click事件、print 語句）

生：給出程序：

得到預期的運行結果。

【設計意圖】

復習上一節課的知識點，并為后面的學習做鋪墊。這個任務的難度較低，容易實現，學生能夠輕松掌握，降低其畏難情緒，引起學生的興趣。

教師提問2：如何在窗體上單擊一次，打印出10 行“*”符號？

【設計意圖】

學生利用目前掌握的知識，思考、修改問題1 的程序，能夠較容易地解決此問題，提高學生學習的積極性。學生認識到“；”的作用。如果加分號，下次輸出就會緊接著輸出。如果不加分號，下次輸出就會換行輸出。在程序實現時，要注意程序語句的使用規范，根據實際問題，使用相應的程序語句。

教師提問3：如何在窗體上單擊一次，打印出100 行“*”符號？甚至1000 行“*”符號？

生1：思考，感到困惑。

生2：重復執行print“*”語句100 次，但是這樣寫程序，行數太多了，人工操作很難實現。能讓計算機自動執行嗎？

表1

【設計意圖】

與學生目前掌握的知識產生沖突，激發學生的學習興趣，引出本節課的內容——循環結構。

（二）新課講授

師：剛才有同學說重復執行print“*”語句100 次，但是手動編寫100行重復的代碼，太耗費精力了？人工操作很難實現。如何讓計算機自動執行print“*”語句100 次呢？我們可以使用循環結構。

師：循環結構For…Next…語句講解（略）。

教師提問4：給出程序片段：

如何修改程序，實現在窗體上單擊一次，打印出10 行“*”符號？

生：學生思考、探究、嘗試，修改程序，查看運行結果。

表2

【設計意圖】

設計打印“10”行，方便驗證循環語句的結果是否正確。學生先運行教師提供的程序，觀察程序的運行結果，體會循環結構中各語句的作用。然后，學生修改部分程序即可實現，上手快，初步感受循環結構的使用方法。并且，不同的學生，給出了不同的解決方法，體會到程序實現的自由與樂趣。

師：引導學生思考，引入兩個變量，雙重循環。一個變量i 控制“*”的行數，一個變量j 控制“*”的個數。

師：給出程序片段：

生1：思考，怎樣修改程序，使“*”打印3 行。

生2：每行“*”的個數以2 遞增，即：“*”的個數為1、3、5，“*”的個數為奇數，可以利用步長來控制。

生3、生4、生5：觀察老師給出的程序片段，思考現有程序和實際問題的關聯之處，修改，嘗試。

【設計意圖】

教師給出程序片段，學生思考，修改程序，試錯，最終得到預期的結果。開闊了學生的思維，學生提出了不同的解決方案，即不同的算法，使學生們感受到程序的樂趣和魅力。在程序和算法教學中，應提供給學生想象的空間，應鼓勵學生大膽思考、嘗試、實踐，不拘泥于某一種“標準答案”。

表3

【設計意圖】

通過互相關聯的小任務，層層遞進，激發學生主動參與，積極思考，考查學生綜合運用知識的能力。學生由淺入深，由易到難，逐漸理解算法的意義，掌握程序實現的方法。從而，有效地培養了學生的計算思維，學生漸入佳境。

（三）本課總結（略）

三、案例反思

計算思維的培養有助于提高學生發現問題和解決問題的能力，提高學生綜合運用知識的能力。目前，程序設計語言有很多種，如Visual Basic、C、C++、Python 等，無論哪種程序設計語言，它們都是利用計算機來解決實際問題，都需要將具體的問題抽象化，它們的內在是相通的，算法是程序的核心。通過程序教學，可以有效地培養學生的計算思維。在程序教學中，應注意以下幾點：

（一）精選實例

良好的課堂引入使教學事半功倍，這就需要老師精選合適的實例。比如在本節課的開始，我設計的第一個小問題是如何在窗體上單擊一次，打印出1 個“*”符號？學生知道是用Print“*”這條語句。接著提問如何單擊一次，打印出10 行“*”符號？學生很容易就想到用10 行Print“*”語句。接著我再次提問如何單擊一次，打印出100 行“*”符號？甚至1000行“*”符號？這個問題與學生此時的認知水平產生沖突，學生會想到用100 行Print“*”語句，但人工這樣做，工作量太大了，不易實現。怎樣解決此問題呢？從而引出本節課的內容——循環結構，也就順理成章了。“興趣是最好的老師”，在程序教學中，應讓學生主動參與，變被動為主動，讓學習成為學生的一種自主的需要。學生有了興趣和熱情，學習的積極性提高了，學習的效果自然也會提高。

（二）夯實基礎

程序設計的語句一定要解釋到位，有些地方特別容易被忽視。如果不解釋到位，程序的運行結果就會大相徑庭。正所謂，差之毫厘，失之千里。比如：本節課的一個知識點，“；”的含義一定要使學生理解。如果Print“*”后面加了“；”就是緊接著輸出后面的語句，運行下來的結果就不是10 行“*”，而是一行10 個“*”，容易被人忽略的“；”使程序的運行結果完全不一樣。我們在程序教學中，一定要注意將基礎的知識點解釋到位，程序語句的規范使用，這樣才能避免因一些小問題而導致程序運行結果達不到預期的效果。

（三）層層遞進

在本節課的開始，結合上一節課的知識點，通過簡單的任務，學生能夠利用現有知識輕松地解決實際問題，使學生體會利用程序解決問題的過程。再通過下一個任務，與學生現有知識產生沖突，激發學生積極思考，探尋解決問題的方法，引出本節課的知識要點。在這之后，又通過與上一個任務關聯的任務，激發學生聯想，思考，找出并分享解決問題的不同的方法。通過多個層次分明，互相關聯的任務，由淺入深，由易到難，符合學生的認知規律，使學生能夠在任務的解決中，逐漸理解算法的意義，逐漸掌握程序設計的方法，即利用計算機解決問題的能力，從而有效地培養學生的計算思維。

（四）勇于嘗試

程序實現是靈活的，千變萬化的，具有不唯一性。同一結果，不同的程序語句同樣都能實現，這就是程序的樂趣和魅力所在。我們應給與學生們想象的空間，引導學生積極思考，勇于嘗試，不斷完善和改進程序。例如本節課，對于同一任務，學生找到了各自的解決方法，并通過程序的分享，開闊了學生的視野，體會到程序設計的樂趣，條條大路通羅馬。

總之，在對學生計算思維的培養中，應注重知識遷移能力的培養，使學生能夠綜合分析實際問題，并采用合適的方法來解決問題。應注重學生的體驗，激發學生的學習興趣，讓學生積極思考，主動參與，從而有效地培養學生的計算思維。