基于計算思維培養的中學程序設計教學模式探究

方金波

摘要：本文從計算思維的概念出發，以計算思維的五個特征（抽象、分解、算法、評估和概括）為切入點，提出了以人文情懷涵養中學程序設計教學的模式。并通過分析Python教學實例《愷撒密碼》，闡述了筆者是如何開展中學程序設計教學來培養學生的計算思維。

關鍵詞：計算思維;中學程序設計;人文情懷

自美國卡內基·梅隆大學周以真教授提出“計算思維”后，“計算思維”逐漸受到教育界的關注。計算思維已成為公認的計算機科學與技術領域的核心素養，并被作為信息時代除了讀寫算之外的基本能力[1]。2013 年，英國南安普敦大學的塞爾比和伍拉德博士在周以真教授提出的計算思維概念的基礎上，將計算思維的特征分為抽象、分解、算法思維、評估和概括五個要素。該定義和解析與計算思維教育教學有較為密切的聯系。把握計算思維核心要素的內在層次關系，可較好的設計培養計算思維的教學活動，特別是程序設計的教學活動。信息技術學科是培養計算思維的主要載體，而程序設計與計算思維的關系是最密切的，它是培養計算思維的重要手段。因此，開展好程序設計教學尤為重要。

傳統的課堂教學以教師傳授事實性或陳述性的知識為主，這些知識僅僅是關于世界“是什么”的知識，學生很難獲得程序性知識和策略性知識[2]。傳統的程序設計教學是教師講授程序例子，學生模仿練習的“講—練”模式，這種模式難以有效地培養學生的算法思維，而且在缺乏拓展與創作的情況下，也不利于培養學生的創新精神和實踐能力。而基于計算思維培養的程序設計教學，改變了傳統的程序設計教學模式，發展了學生抽象特征、問題分解、算法設計以及概括遷移的能力，促進了學生計算思維的生長。

一、基于計算思維培養的中學程序設計教學模式

從計算思維的角度開展程序設計教學，不僅能使學生更好地理解基本的程序設計原則，理解計算在解決科學問題中的作用;而且能使學生更好地分析、抽象問題，理解數據結構的基本功能，最終設計出有效解決問題的程序設計方案。在程序設計教學實踐中，筆者發現以人文情懷涵養教學，學生能更自主地學習知識與技能，能更樂于探究解決問題的方法，而且，學生的品格也得到了涵養。

人文情懷，是一種人文精神，即一個人的思想、學識、文化修養、人格情緒等在人生中的綜合體現。將人文情懷遷移到教學上就變成了一種自在的教學境界，這一境界就是求真、向善、臻美。人文情懷對教學的涵養非常寬廣，涵蓋了價值觀的引領，批判精神、計算思維和邏輯思維的培養，欣賞美、設計美和創造美的啟迪[3]。

教學過程的第一個環節是“創設情境”。情境是教學與學生心靈溝通的橋梁，情境創設巧妙，則學生更易入境生情，與學習內容無縫對接。筆者在教學實踐中注重創設內隱人文情懷的教學情境，其內涵包括引發內省、關注世界、追求真善美等。情境創設最終將教學活動引向了或求真、或向善、或臻美的境界。

教學過程的第二個環節是“問題分解，任務探究”。程序設計中的“問題”往往有復雜、繁瑣的特點，因而需要引導學生采用枚舉、遞歸、分治等方法進行問題分解。對于學習任務的設計，應遵循由易到難、由簡及繁的原則，應符合學生的認知規律。通過探究活動，促使學生發現問題，然后嘗試分析、解決問題，學生的思維能力因此得到發展。

教學過程的第三個環節是“分享與評價”。在教學中教師應及時、到位地評價學生的作品，還應適時展示教師自創或其他人的優秀作品，給予學生創新方向的引領，并引導學生進行二次創作。最后再展示優秀學生作品（或優化后的作品），提升學生學習的成就感，激發學生后續的學習動力。

最后一個教學環節是“總結與提升”。教師挖掘、揭示教學任務背后內隱的人文情懷，超越程序設計教學，引領學生感悟求真、向善、臻美的美好境界。

二、基于計算思維培養的中學程序設計教學實踐

下面筆者通過Python教學實例《愷撒密碼》來闡述自己是如何開展程序設計教學來培養學生的計算思維的。

課堂伊始，筆者展示一些字母“Vhoi-lpsuryhphqw”，問學生是否了解其中的意義，然后引出密碼學相關概念及愷撒密碼的由來。從愷撒密碼用于古代戰爭的情境中，提出本節主要任務：通過Python編程，利用位移替換的方法自動加密信息或解密信息。

在第二個教學環節，筆者首先分析如何加密，例如將明文的字母按字母表的順序后移3位，明文為RETURN TO ROME，密文則為UHWXUQ WR URPH。接著引導學生抓住問題的關鍵：后移3位，明文與密文的運算表達式該如何表達？通過進一步的問題分析與引導，學生發現，字母c向后推移3個單位，可以表達為chr（ord（‘c’）+3）。當學生編程調試后，會發現問題：不是26個英文都可以用上面式子運算的。之后，筆者嘗試引導學生解決最后3個字母（X、Y、Z）的移位的運算問題。抽象是計算思維的本質，這里嘗試通過抽象的方法，分析數據，引導學生設計可計算的模型，從而達到培養學生計算思維的目標。

當學生通過編程，解密課前展示的密文“Vhoi-lpsuryhphqw”（密鑰為3）后，筆者再提出下一個探究任務：已知密鑰是1至13，請解密密文“Zbywhzz fvbyzlsm”。全班13個小組，每一個小組設計一個密鑰的解密程序。全班學生分工與合作，興致頗高，最終有一個小組發現了明文內容“Surpass yourself”（超越自我）。至此，學生恍然發現本節課解密的內容就是我校的校風“自強不息，超越自我”。學生不知覺中掌握了字符串處理的重點學習內容。

在學生能編程解密確定密鑰的密文后，筆者讓學生編寫加密程序，并繼續優化程序，使其能按自定義的密鑰加密，或解密不確定密鑰的密文。在“分享與評價”環節，讓一小組學生給出密文，另一小組學生進行解密，然后再自評或互評。之后，筆者展示了一個采用結構化方法編寫的愷撒密碼程序。它有加密和解密兩種模式，它可直接羅列所有密鑰對應的明文內容，大幅度提高問題解決的效率。通過展示該程序，提升學生對編程方法的認識，也為學生優化程序提供了思路。

在最后的“總結與提升”環節，筆者總結字符串處理的基本方法;鼓勵學生查閱漢字加密的技術資料;重申本節課解密的內容“自強不息，超越自我”，并勉勵學生弘揚校風精神，努力向上，剛毅堅卓，不斷地自我完善。筆者通過將含有人文情懷理念的校園文化融入程序設計當中，讓程序設計教學得到了升華。

經過一個學期的教學實踐，筆者發現基于計算思維培養的程序設計教學模式，能夠有效發展學生的計算思維;而將人文情懷滲透到程序設計教學中，學生均感受到了程序設計的溫度與美好，這對于學生良好品格和關鍵能力的形成大有裨益。

參考文獻：

[1] 吳向東，王繼華.超越信息素養——“技術—文化”一體視域下的信息技術教育發展方向探討[J].中小學信息技術教育，2014（05）：17-21.

[2] 王榮良.計算思維教育[M].上海：上海科技教育出版社，2014：125.

[3] 方少芹.人文情懷涵養下創新思維培養的策略[J].中國信息技術教育，2017（05）：13-15.