深度學(xué)習(xí)視域下培養(yǎng)學(xué)生計算思維的實踐研究

宋新波 丁雙林 陳智敏

摘要：本文以《數(shù)據(jù)編碼——二進(jìn)制》一課教學(xué)實踐為切入口，探尋深度學(xué)習(xí)視域下培養(yǎng)學(xué)生計算思維的路徑——創(chuàng)設(shè)情境、自主探究、探索原理、解密游戲，并在這一路徑中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，以期達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的目的。

關(guān)鍵詞：二進(jìn)制;計算思維;深度學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）08-0034-03

隨著高中信息技術(shù)課程改革的不斷推進(jìn)，如何轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式的研究成為信息技術(shù)教學(xué)研究的熱點。新課改強(qiáng)調(diào)課堂學(xué)習(xí)方式從“教師教課文”轉(zhuǎn)向“學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)”，著眼于學(xué)生信息技術(shù)核心素養(yǎng)的發(fā)展，這與深度學(xué)習(xí)的理念不謀而合。為此，筆者以《數(shù)據(jù)編碼——二進(jìn)制》教學(xué)實踐為例，基于深度學(xué)習(xí)理念設(shè)計教學(xué)活動，旨在探索高中信息技術(shù)課堂學(xué)生計算思維的培養(yǎng)策略。

為讓學(xué)生掌握計算機(jī)的二進(jìn)制原理，本節(jié)課以學(xué)生為主體開展學(xué)習(xí)活動，教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)活動進(jìn)行引導(dǎo)和幫助，在教學(xué)過程中讓學(xué)生通過自主探究完成基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，教師講解二進(jìn)制知識的數(shù)理原理，幫助學(xué)生完成與已有知識的意義建構(gòu)，逐步提升學(xué)習(xí)的深度，從而實現(xiàn)學(xué)生計算思維的深度培養(yǎng)。本課采取如圖1所示的策略模型進(jìn)行教學(xué)。

● 創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣

深度學(xué)習(xí)的核心特征是“活動與體驗”，要求學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)入學(xué)習(xí)情境，積極主動地提出問題、分析問題并解決問題。所以，本課創(chuàng)設(shè)“猜生日游戲”的教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生的好奇心，從而吸引學(xué)生參與到教學(xué)活動之中。筆者給出如下頁圖2所示的5張卡片，每張卡片上有16個數(shù)，參加游戲的學(xué)生說出自己生日的“月”和“日”對應(yīng)的數(shù)分別在哪幾張卡片上出現(xiàn)過，基于以上信息，教師能快速說出該學(xué)生的出生日期。例如，當(dāng)某學(xué)生回答他生日的“月”在第②④張卡片上出現(xiàn)，而“日”在第①②⑤張卡片上出現(xiàn)時，教師能立即說出他的生日是10月19日。

教師不看卡片就能快速準(zhǔn)確地說出答案是游戲趣味性的關(guān)鍵，這充分激發(fā)了學(xué)生的好奇心和內(nèi)部學(xué)習(xí)動機(jī)，同時調(diào)動了學(xué)生參與課堂活動的積極性，為后續(xù)教學(xué)活動的開展奠定了基礎(chǔ)。

● 自主探究，完成任務(wù)

教學(xué)策略的實施應(yīng)盡可能還原實際問題的解決過程，通過問題情境啟發(fā)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作探究等能力，幫助學(xué)生深度理解知識。解決問題的過程旨在提高學(xué)生分析問題、抽象歸納、建立模型、應(yīng)用遷移解決問題的能力。基于學(xué)習(xí)主題將零散的碎片化知識進(jìn)行深度整合，針對原理性知識教師“適時、適法、適度”講解，為學(xué)生提供必要的幫助，保證教學(xué)活動的順利進(jìn)行。

為探究卡片上數(shù)字的特點，從數(shù)字出發(fā)，筆者帶領(lǐng)學(xué)生研究數(shù)字出現(xiàn)的卡片集合情況。用5個格子從右向左（最右邊格子代表第1張卡片，最左邊格子代表第5張卡片）依次表示對應(yīng)卡片中數(shù)字出現(xiàn)的情況，1表示數(shù)字在該格子對應(yīng)的卡片中出現(xiàn)過，0表示未出現(xiàn)。如在上例中，生日的月份在卡片②④中出現(xiàn)過，生日的日期在卡片①②⑤中出現(xiàn)過，填充結(jié)果如圖3所示。

由簡單到復(fù)雜，由特殊到一般，教師將1～31每一個數(shù)字在卡片中出現(xiàn)的情況用上述方法中的01串來表示（如表1），并利用石墨文檔實時更新數(shù)據(jù)的特性，實時了解知道學(xué)生的填寫情況。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生已經(jīng)很好地掌握了以上表示數(shù)字出現(xiàn)情況的方法，為后續(xù)二進(jìn)制的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

● 探索原理，深入學(xué)習(xí)

以上表示1～31每個數(shù)字在卡片中出現(xiàn)情況的01串就是二進(jìn)制。二進(jìn)制是計算機(jī)運算和存儲數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，是計算機(jī)唯一識別的數(shù)字，二進(jìn)制滿二進(jìn)一，只有0和1兩個數(shù)字。接下來可以自然地引入二進(jìn)制的概念，教師提前準(zhǔn)備二進(jìn)制知識的相關(guān)材料給學(xué)生自學(xué)。從熟悉的十進(jìn)制引入二進(jìn)制的定義、進(jìn)位以及位權(quán)等知識，再到“二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)十進(jìn)制數(shù)”“十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)二進(jìn)制數(shù)”等問題，層層遞進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣。

“十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)二進(jìn)制數(shù)”是難點，不少教師只講做法，不講原理，使得學(xué)生對該知識點難以達(dá)到“融會貫通，舉一反三”。針對這個難點，筆者采用了“除2取余，逆序排列”的方法。具體流程如下：用十進(jìn)制數(shù)除以2，得到商和余數(shù);用上一次除法操作得到的商繼續(xù)除以2，又會得到新的商和余數(shù)。反復(fù)執(zhí)行該過程，直到商為零;將上述過程產(chǎn)生的余數(shù)逆序排列即為答案。下頁圖4是用“除2取余，逆序排列”法把十進(jìn)制數(shù)19轉(zhuǎn)為二進(jìn)制數(shù)10011的全過程。

以上做法的正確性如何證明？因此，課堂上要有證明環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)能讓學(xué)生掌握二進(jìn)制背后的原理，從而加深對二進(jìn)制知識的理解。

● 解密游戲，深化思維

筆者再次安排任務(wù)，要求各小組把表1中的01串對應(yīng)的二進(jìn)制轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)，并觀察規(guī)律。大部分小組都能發(fā)現(xiàn)：數(shù)字x出現(xiàn)卡片情況的01串對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)就是x本身，即數(shù)字x的二進(jìn)制表示就是x出現(xiàn)卡片情況的01串。這就揭示了卡片設(shè)計的奧秘，即把1～31中的每個數(shù)轉(zhuǎn)為二進(jìn)制，把該數(shù)放到其所有二進(jìn)制位上為1所對應(yīng)的卡片中，如25的二進(jìn)制表示為（11001）2，則把25放到卡片①④⑤中。

因此，在游戲中，當(dāng)學(xué)生報出自己出生日期所在卡片的全部編號時，教師就能反推出該數(shù)的二進(jìn)制表示。例如，某學(xué)生報出其出生日期在卡片②④⑤上出現(xiàn)，則該數(shù)的二進(jìn)制表示為（11010）2。教師可以快速計算出（11010）2=21+23+24=26，也可以把（11010）2看作（10000）2+（01000）2+（00010）2，其中（00010）2（01000）2、（10000）2分別為②④⑤這三張卡片中的第一個數(shù)，從而能快速計算出答案。接下來，要求兩個學(xué)生為一組再次體驗游戲，深化對游戲原理的理解。同時，給出拓展任務(wù)，設(shè)計一個能猜從1900年起包含年份的完整生日的游戲。

● 課堂小測，驗證效果

為了驗證教學(xué)效果，本節(jié)課采用了定量的對比試驗，根據(jù)教學(xué)要求編寫了有關(guān)二進(jìn)制的習(xí)題問卷，共10道題，包括4道概念題，6道探究題，每道題目10分，內(nèi)容涉及二進(jìn)制基礎(chǔ)、二進(jìn)制轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制的應(yīng)用等，考查學(xué)生理解、抽象、推理、探究的能力。選取人數(shù)相近的兩個班級共計103位學(xué)生進(jìn)行實驗，其中實驗組54人，對照組49人。通過問卷結(jié)果（表2）可以發(fā)現(xiàn)，概念題模塊實驗組和對照組平均分相當(dāng)，但是探究題模塊實驗組平均分表現(xiàn)更加優(yōu)秀。

● 對“深度學(xué)習(xí)”教學(xué)理念的思考

以上案例是筆者實踐新課標(biāo)、促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的一次有益嘗試，這正是新課標(biāo)背景下聚焦于提升學(xué)生核心素養(yǎng)所需的，因此，教師在教學(xué)中要設(shè)計真實合理的教學(xué)情境，以學(xué)生的學(xué)習(xí)為中心，讓學(xué)生對知識的來龍去脈不僅知其然，還能知其所以然，真正達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計算思維和創(chuàng)造性思維能力的目的。當(dāng)然，真實的課堂教學(xué)充滿了復(fù)雜性和不確定性，在實踐過程中還要根據(jù)教材內(nèi)容、學(xué)習(xí)對象、教師水平等多方面因素進(jìn)行合理創(chuàng)生，真正把深度學(xué)習(xí)落到實處。

參考文獻(xiàn)：

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