基于算法思維培養策略的教學實踐與探究

摘?要：隨著信息技術的快速發展，中小學教育領域開始重視信息技術課程的改革與創新，新課標更加強調了課堂教學中對學生核心素養培養，而在高中信息技術課程中，教師采取何種教學策略培養學生的算法思維成為當前高中信息技術教學的重點。本文結合算法思維中符號化表征、結構化分解及創造性設計三個基本特征，從教學實踐出發，結合筆者多年高中信息技術在新高考形勢下的教學實踐，分別從“創設情境，通過符號表征算法創造”“搭建問題，驅動分解逐步擊破”“探尋本質，挖掘算法內在本質”三個方面結合教學案例進行分析，從而總結在教學中如何促進算法思維的培養。

關鍵詞：算法思維培養策略;符號化表征;結構化分解;創造性設計

對于高中信息技術課程而言，培養學生的算法思維實際上是培養學生學習一種針對復雜問題如何分解步驟、構造具有一定序列的對應操作方法。浙教版《算法與程序設計》是高中信息技術課程的選修模塊之一，旨在教導學生通過算法編寫程序、解決問題的能力，并在學習過程中培養學生的邏輯思維、數學思維、抽象思維、分解思維等一系列算法思維。在此需求背景下，如何結合《算法與程序設計》教材，在信息技術課程中培養學生的算法思維，如何在此目的需求下設計可行性強的教學內容，探究切實有效的算法思維培養策略，成為當下高中信息技術課程教學的重要任務。

一、 基于高中信息技術課程的算法思維表現

算法思維抽象且難以檢測，為探索與提供切實有效的算法思維培養策略，應初步對算法思維能力的表現形態進行歸納，以便教師借助外在行為探究與評價學生的算法思維能力，進而提升培養算法思維的可操作性。對國內外大量文獻進行查閱，歸納得出算法思維能力主要表現為三個方面：結構化分解、符號化表征、創造性設計。

（一）結構化分解

算法思維是指以一個問題為切入點，圍繞該問題目標將復雜問題分解成多個基本的子問題，通過逐個擊破子問題完成最終的復雜問題。如計算一道復雜的數學題，首先需要找到簡單的規律進行分解，然后對基本、簡單的子問題做出具體分析與解決，最終將分散的問題系統聯結，全面考慮問題。

（二）符號化表征

高中信息技術學科涉及很多抽象對象，培養學生的算法思維需要對學生的符號替代思維進行訓練。如設計計算機程序時，利用偽代碼、流程圖等替代具體操作步驟，進而在此基礎上完成求解。在實際生活中，擁有算法思維的學生也可以利用符號代表一些事物，利用紙筆完成實際問題的化解與設計思路。從某種程度上講，符號化表征就是指將抽象、復雜的問題具象化，在問題求解過程中利用符號梳理清晰的思路，進而將抽象思維轉為具體實踐行為。

（三）創造性設計

算法思維強調解題過程的步驟性與程序性。需要說明的是，程序化并不指固化、死板的序列或解決問題關系，而是指形式上應當遵循一定的流程，該流程不被限制固化，可以是線性進行的，也可以是非線性的，如循環、分支、選擇等流程。在高中信息技術學科教學中，程序或算法設計者需要對具體流程做出創新性設計，以便對同一問題的解決辦法提出多種創造性思路。

二、 高中信息技術課程算法思維培養策略

算法思維能力由淺入深分為五個層級：識別和理解算法、執行算法、分析算法、設計算法、修改算法。高中浙教版《算法與程序設計》第一至五章知識點設計均直接體現了算法思維，如“算法與算法表示”“算法實例”“面向對象程序設計基本知識”“VB程序設計初步”“算法實例程序實現”。基于上述分析結果，將具體闡述應用與實踐教學的高中信息技術課程算法思維培養策略。

（一）創設情境，符號表征算法創造

高中信息技術學科與現實生活聯系緊密，教師不應桎梏于符號與程序算法內容的教學與講解，為激發學生思考興趣，提升信息技術學習的實用感，教師可通過創設真實故事或設置生活情境呈現課堂學習任務，隨后通過算法啟發教學逐步引導學生探究問題解決方法，最終帶領學生完成算法設計，解決問題，提高學生的算法理解能力。

初學《賦值語句》時，賦值的方向不容易接受，會和學生已有的數學知識有沖突，僅憑書本文字概述學生難以真正理解消化。教師在授課時引入了一個小操作，A瓶裝了可樂，B瓶裝了雪碧，在不交換瓶的前提下，把A瓶和B瓶里的飲料互換。這個操作對于高中生來講是易如反掌，此時需要借助第3個容器C瓶來解決問題。用自然語言來描述這個過程如下：

1. 先把A瓶中的可樂倒入C瓶C←A;

2. 再把B瓶中的雪碧倒入A瓶A←B;

3. 最后把C瓶中的可樂倒入B瓶B←C。

經過學生的操作、自然語言的描述和描繪示意圖，推出VB中賦值語句中的一種格式：變量名=表達式，賦值的方向是從右向左，然后再結合倒飲料這個實驗，引導學生寫出VB語句：C=A：A=B：B=C，學生在問題情境中切實感受到賦值與數學中的等號的區別，隨后，教師適時強調用符號←表示賦值方向。

（二）搭建問題，驅動分解逐步擊破

問題自身的邏輯結構自然嚴謹，高中信息技術教師在教學過程中可通過問題搭建的方式驅動學生問題分解興趣，使學生將復雜問題分解成子問題，最終帶動學生識別與分析各個分問題之間的依賴性鏈狀關系，培養學生的結構分解能力。

如教師講解《解析算法》為例，教師給出一個問題“設計一個算法將輸在文本框Text1中的n位二進制數轉換成十進制數在文本框Text2中輸出。”對于該問題，教師給出問題思考方案：解析的方法找出表示問題的條件與所求結果之間關系的數學表達式。教師提示用已學的按權相加方法來分析，以（1111111）2=（）10為實例。

學生以小組為單位進行討論，依次分解問題，逐個分析。

問題分析1：

在文本框Text1中的是字符，如何將文本框中的1111111取出，然后轉換成數值進行計算。

針對上述問題分析，學生首先找到用Mid函數解決取字符問題，然后再用Val函數解決轉換成數值問題。

問題分析2：

轉換出來的二進制數上的每一位數代表十進制的值。

學生用已學的基礎知識列出二進制數每一位和十進制數之間的對應表。

問題分析3：

二進制數中的每一個數和十進制數之間的關系

學生從列出的表中可以分析出：二進制數位數=每個數的位置+a;然后進一步得出每一項的通用值的計算方法：取出來的數字*2a。

問題分析4：

怎樣實現和的計算

計算一位的值后加上下一位的值，直到最后一位，用For循環或者Do循環解決累加和的ans計算。

問題分析5：

轉換出來的結果在文本框Text2中輸出。

數值用str函數轉換后輸出。

s=Text1. Text

n=Len（s）計算字符串長度

For i=1 To n

x=Val（Mid（s，i，1））?取出的字符轉換為數值

ans=ans+x*2^（n - i）累加至ans

Next i

Text2.Text=Str（ans）

學生在分析該問題時，首先通過問題情境構建問題結構框架，在初步分析問題結構的基礎上分解大問題為多個小問題，漸進啟發，逐步搭建起知識結構。學生在小組合作過程中完成結構化分解算法設計，同時也培養了學生腳踏實地的學習態度。

（三）探尋本質，挖掘算法內在機制

傳統高中信息技術學科教學中，學生對于知識的學習與問題求解大多浮于應用表面，并未對其本質進行深入的探索與挖掘，因此學生對于算法的掌握能力僅停留在算法設計層級，學生只知道算法執行的結果，卻不知曉算法執行過程，很難達到修改算法的層級。

基于上述問題，為培養學生更高層級的算法思維能力，教師應引導學生對內在蘊藏的算法機制、原理進行挖掘。如學生學習排序算法時，教師以簡單的任務“如何按總成績進行排序”為驅動，通過具體的計算機操作，引導學生一步步揭示計算機運算蘊藏的算法機制。教師首先對學生提問：“如何對一組數字進行排序”，學生經過思考或討論，給出不同的答案，教師將學生給出的答案做出匯總后，進一步要求學生自行查找規律。接著，在學生初步思考的基礎上，提出“排序算法”的內在機制：“按總成績排名，要求高分在前。第一，相鄰兩個數字進行比較，如果第一個數字小于第二個，則交換彼此;第二，對每一對相鄰數字比較，如果第一個數字小于第二個，交換彼此;第三，經過多次循環，直至沒有可比較的相鄰數字對;最終，排在第一位的是最大數字，排在末位的是最小數字。”

For i=1 To n-1?比較的遍次

For j=n To i+1 Step-1?比較元素的下標位置

If a（j）>a（j-1） Then

交換兩個相鄰元素的條件

t=a（j）

a（j）=a（j-1）

a（j-1）=t

End If

Next j

Next i

在該過程中，教師可以用板書的方式演示計算機的運算方式，雖然從手動運算層面看，該過程易錯且繁雜，但計算機可以利用其二進制算法快速完成計算。算法思維實際上是理工知識的衍生與應用，教師需要在教學中注重原理推導過程的講解，用挖掘算法內在機制的方式培養學生的算法思維。

三、 結語

美國計算機專家克努特曾定義：算法是有窮規則的集合。只有了解了算法思維層級之間的關系，明確算法思維的外在表現形態，教師才能針對性地培養學生算法思維。算法思維能力的表現形態為結構分解，符號表征，教師在高中信息技術課程教學時應圍繞上述三個能力需求進行針對性的內容或活動策略設計，使學生不僅掌握算法與程序設計的固化思路，還引導其挖掘算法的內在機制，培養學生解決問題的能力，以探索信息技術科學思想為導向，有效實現培養學生算法思維的教學目標。

參考文獻：

[1]謝艷梅.高中信息技術教育中算法思維培養研究[J].新課程，2019（4）：133.

[2]沈金露.高中信息技術教育中算法思維培養分析[J].高考，2019（24）：100.

[3]王業勝.高中信息技術教育中算法思維培養研究[J].當代教研論叢，2016（6）：67.

作者簡介：邵志英，浙江省杭州市，浙江省杭州市瓶窯中學。