基于編程教學的計算思維培養策略

林方東

摘 要：計算思維是信息技術學科核心素養的根基，是信息社會數字公民的基本素養。編程教學是計算思維培養的主要途徑，被廣泛引入到中小學信息技術課程中。但目前中學階段的編程教學普遍存在重編程語言學習、輕思維訓練的問題。本文從計算思維概念與當前中學編程教學現狀入手，提出實踐中應注意的評價計算思維能力的四個維度，進而提出中學生計算思維培養的教學策略，可以為中學信息技術的編程教學提供借鑒。

關鍵詞：編程教學;計算思維;教學策略

一、計算思維概念界定

卡內基·梅隆大學的周以真教授于2006年提出“計算思維”的概念：“是個體運用計算機科學的基礎概念來完成問題求解、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”[1]。教育部2017版新課標中提出的計算思維的概念是：“指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”。

這些思維活動都強調分析問題、解決問題過程中的思維活動：抽象與建模，即形式化、模型化的思維活動;其次，這些思維活動通常要運用計算機科學領域的思想方法：例如數據結構化、遞歸、迭代、效率分析等等，所產生的解決方案可以用計算機代理執行。因此，計算思維實際上結合了數學、工程學、計算機科學的思維方法，是學科核心素養的核心及關鍵要素，是一種從計算機角度出發看待問題、解決問題的思維，顯著影響著信息意識、數字化學習與創新以及信息社會責任這三個要素發展的質與量，決定了學生學科核心素養的發展水平[2]。

二、中學編程教學現狀

目前我國中學信息技術學科教學存在重視知識與技能的學習，忽視知識技能的內在邏輯之間的聯系的現象，課堂教學常常授魚而不授漁。常運用創設情境、任務驅動、項目式學習等教學策略，但著力點往往放在學生掌握技能完成任務，卻忽視了知識技能的內在聯系，使學生無法深入了解問題的本質。

從2003版課標的教學實踐來看，中學信息技術的教學內容偏向于應用軟件的使用，廣大中學信息技術教師困于固化的思維，面對新課標，對教學內容變化的存在一個逐步適應的過程。一方面，基于舊教學思維習慣，面對編程教學這一新教學內容，教學重點往往落在概念講解和編程語言的學習方面，教學內容多圍繞表達式和程序語言的三大結構，最多涉及函數模塊的定義來展開。對計算機運行原理、常用算法思想、“分析問題-建立模型-解決問題-評估回顧”這一思維過程沒有得到體現。造成的結果就是學生學習效果浮于表面，較難發展出解決問題的能力，面對新問題無從下手。另一方面，適合中學生編程學習的教材也良莠不齊，信息技術教材不是國家統編教材，編程解決問題又是新教材擴展最多的教學內容，各地教材五花八門，廣大教師面對這一變化，缺乏有效經驗應對。

三、中學生編程學習中的計算思維能力的評價維度

計算思維本質上是人們理解自然系統與社會系統的思維方法和思維活動，是使用科學工具進行抽象模擬以尋求問題解決最優化方案的系統過程，從計算思維實踐上來看，其包括組織、分析、簡化、抽象、建模、遞歸、回溯等基本過程[3]。

基于對計算思維概念的界定和對計算思維本質的認識，現階段中學編程教學中，評估學生計算思維能力的標準應重點關注以下四個維度：

（一）變量界定能力

計算機能夠快速、自動化地解決問題，依靠的是馮諾依曼體系：二進制存儲程序與數據，控制器與運算器程控處理與計算，數據流程遵循“輸入—計算處理—輸出”的過程。這就要求學生能夠確定問題中的實體、屬性及其聯系，用合理的數據結構存儲，用合理的標識符號表示。明確問題的已知量和未知量與基于這些變量的數據結構所能夠施加的數據操作。明確哪些數據需要外部輸入，組織問題的分解并輸出。變量界定的過程是一個對現實世界數據特征的分析抽象的過程，是問題分解與歸納的前提。

（二）問題的分解與歸納能力

能夠直接解決的問題都不是問題，復雜的模糊的問題可以根據需要分解成簡單問題解決，或者歸納問題的本質，然后套用合適、準確的模型來解決。對問題分解的方法要會具體問題具體分析。對于不同功能模塊，能明確功能模塊的規模，接口參數。對于求解步驟存在先后依賴關系的問題分解，要能夠用流程圖、甘特圖等工具描述子問題解決的先后次序與流程跳轉邏輯關系，更高的要求是能根據不同階段狀態變化歸納出狀態轉移方程。對于具有最優子結構的問題，按問題規模大小分解，采用遞歸或遞推的方式求解，能夠明確問題的邊界。對問題的分解，做到子問題相互獨立，完全窮盡。對同類問題，能夠歸納匯總，舉一反三，建立問題求解模型，提出一般化的解決方法。

（三）算法評估能力

有評估算法的可讀性、正確性、健壯性等是否滿足解決問題需求的意識。同一問題的解法可能多種多樣，要會評估問題的數據規模，根據數據規模選擇相應的算法，如當問題規模較小時，選擇暴力枚舉代碼實現更簡單，但問題規模太大時，必須選擇二分、三分等分治算法才能有效降低時間復雜度。當采用遞歸方法求解時，會評估遞歸次數與堆棧溢出的關系。會分別從時間復雜度、空間復雜度和代碼復雜度等不同角度評估算法是否最佳選擇。算法的評估能力需要學生有較好的數學基礎。

（四）代碼編寫能力

既然是編程解決問題，必然要求學生有良好的代碼編寫能力。要求學生能夠將不同工具描述的算法及時高效地轉換成具體編程語言寫的代碼，代碼是否能夠根據模塊功能劃分或問題求解需要做到模塊化。代碼的可讀性如何，是否有必要的注釋或說明文檔。代碼編寫能力考驗學生編程語言語法規則的理解和熟練程度，考驗常用算法的熟練運用能力，也反映學生的邏輯思維能力。

四、編程教學中的計算思維培養策略

目前中學生的編程教學，在初中階段的教學工具，代碼編程與積木拖拽式的編程工具都有老師在應用和研究，且有研究認為積木式編程對計算思維的培養提升效果更明顯[4]，但圖形工具本身也有局限性，影響學生的代碼能力訓練，學生進入高中都要回歸到代碼編程。因此我的課題組研究確定在小學階段采用積木拖拽式編程教學，初中階段就開始代碼編程教學。針對中學生編程學習中的計算思維能力評價的重點維度，提出以下方面的教學策略。

（一）教學中重視學生對計算機運行原理等編程學習前置知識的理解

在編程教學的前期，重點完成前置知識（包括各類型特別是數值型數據編碼方法與二進制，馮諾依曼體系結構等知識）的學習。這類基礎知識理論性較強不好理解，以往教學中大多數老師僅是簡單這時學生對計算機運行原理有了感性的認識，能夠理解到所有能夠借助計算機解決的問題，都要把相關的數據存儲在計算機內存中，通過控制器與運算器在程序的控制邏輯下逐條運行，在二進制的形式下模擬現實世界的問題解決過程。學生有了數據存儲的意識，了解數據在內存中的存儲形式，才會在界定各類變量的時候，采用合理的數據類型和數據結構保存數據，才能夠做到對變量與數據結構的知其然又知其所以然。

（二）注重思維活動可視化的訓練

計算思維活動是高階的思維活動過程，從計算思維在編程教學活動中的應用狀況來看，“抽象”“分解”“建模”“歸納”等思維活動都可以用可視化的方法呈現。例如“實體-聯系圖”可用于描述問題中實體之間的聯系結構，“算法流程圖”常用于模塊化分解問題解決過程中的流程控制，“拓撲結構圖”用于描述對象間的繼承、迭代關系，這類圖示工具以可視化的形式呈現思維過程，有利于學生方便地進行知識網絡的建構，積累解決問題的經驗，也有利于教師了解學生的思維品質發展過程。可視化技術對計算思維培養方式基本遵循了“隱性思維顯性化—顯性思維工具化—高效思維自動化”的規律[5]。因此在編程教學中不能忽視以可視化的方式對“抽象”“分解”“建模”“歸納”等方法的訓練。

（三）注重一題多解對評估算法的優劣能力的影響

對同一道題，可以暴力枚舉，可以搜索回溯，可以遞推遞歸，不同方法有不同的時空效率。當前中學生普遍一周一節課的信息技術課程，實際只能開展普及性的編程教學，有限的課時條件下讓學生整體理解各種算法擁有實現一題多解的能力是不現實的。但教師可以自己一題多解，并且讓學生比較不同解法的特點，特別注重對比時間與空間復雜度，讓學生掌握基本的評價標準與評價方法。一題多解可以讓學生從不同角度看待問題，構建知識網絡體系，可以讓學生意識到計算機運行速度再快也是有限的，并把這種意識滲透到自己編寫的代碼中去。例如在解“猜數字”的游戲中，讓學生比較在數據規模對比懸殊的條件下，枚舉法與二分法在猜測次數上面的幾個數量級的區別，并與計算機的計算次數比較，體會算法對解決問題的重要性。

（四）加強代碼能力訓練

代碼能力是用編程語言編寫出程序解決具體問題的能力，是建立在熟練掌握編程語言的基礎上的。計算思維的培養不能脫離基本的代碼能力訓練，成為空中樓閣。在編程語言的初學階段，一定程度的模仿樣例程序是必不可少的且高效的。然后是解同類的題型，有助于形成知識遷移，積累解同類問題的經驗，同時也提高代碼編寫的熟練度。利用在線判題平臺OJ組織學生形成在OJ上提交代碼的習慣，能夠提高學生自學的效率。代碼能力不是老師長時間講出來的，而是學生在解決具體問題的過程中，在不斷地積累寫代碼的經驗中，形成的。只有足夠量的代碼編寫積累才能切實提高代碼能力。

（五）調動學習主動性

代碼編程有一定的難度，容易產生畏難情緒，教學中可以做到幾點：1.創設趣味情境，吸引學生學習興趣。2.適當拔高學習目標，學生解決問題后給予適當的激勵，激發學生自豪感和學習動力。3.注重團隊氛圍建設，在學習小組或學習團隊中建立競爭意識。4.參加信息學奧賽等各類競賽。5.充分利用課后時間。6.適當補充數學知識。只有克服畏難情緒主動學習，才能提高學習效率，更好地提高思維的品質。

結束語

基于對計算思維內涵的界定，以及對中學編程教學現狀的分析，我們提出了在中學生編程教學中評價計算思維品質的四個維度，并提出圍繞這四個維度開展編程教學的五個教學策略。通過對這些教學策略在具體課堂教學過程中的不斷實施和驗證，可以進一步探索總結適合中學生計算思維培養的教學模式，為中學生計算思維品質的培養提出了實踐的方案。

參考文獻

[1]周以真.計算思維[A].中國科學技術協會學會學術部.新觀點新學說學術沙龍文集7：教育創新與創新人才培養[C].中國科學技術協會學會學術部：中國科學技術協會學會學術部，2007：6.

[2]解月光、楊鑫、付海東.高中學生信息技術學科核心素養的描述與分級[J].中國電化教育，2017（05）：8-14

[3]張立國、王國華.計算思維：信息技術學科核心素養培養的核心議題[J].電化教育研究，2018，39（05）：115-121.

[4]傅騫、解博超、鄭婭峰.基于圖形化工具的編程教學促進初中生計算思維發展的實證研究[J].電化教育研究，2019，40（04）：122-128.

[5]趙國慶.概念圖、思維導圖教學應用若干重要問題的探討[J].電化教育研究，2012，33（5）：78-84.

本文系福州市教育信息技術研究課題《編程教學中培養學生計算思維的實踐研究》（課題編號FZDJ2019B20）主要研究成果之一。