在python教學中有效培養及提升學生計算思維

陳旭佳

一、正確理解信息技術課程中計算思維的本質

計算思維是利用計算機科學的思想方式，在形成問題解決方法的過程中產生的思維活動。它強調的是具備利用計算機可解決、可界定問題、可抽象建模、可組織數據、可合理形成有效方案等綜合性、項目性的能力。在課堂中教師對問題的處理都是按照“問題—編程—測試—結果”流程，基本上都把計算思維歸類于算法，更有甚者把數學中的“算術思維”當成了計算思維。針對這類情況，筆者從三個方面探究信息技術課程中計算思維的內在本質。

1.正確深入剖析問題是計算思維的前提

在課堂上，教師經常用“提問”作為教學手段。因此教學的重點落在問題解決，而忽略引導學生把問題進行分解和剖析。例如，利用python設計出一個具備輸入內容并把內容輸出的功能界面。教師對這個問題的處理是先列出相應的程序語句（input和print），然后設計算法，最后是編程。這種處理方式抑制著學生對問題作深入性剖析和思維探究的發展。筆者認為，正確理解并剖析問題比把問題解決更加重要。

教師在課堂上引導學生對問題的剖析，可依據以下表中的四個步驟依次進行。

2.準確建立問題的“模型”是計算思維的基礎

模型是問題的抽象化體現。問題解決的條件、方法、手段都要根據這個模型去進行。這個過程我們稱為“建模”。在課堂中，學生經常把“怎樣做”擺在首位，而忽略了“做什么”。計算思維中強調“建模”的作用，就是針對學生缺乏“做什么”的思維過程。筆者認為，計算思維強調了“建模”過程的三個方面，即模型的組織結構、模型元素的相互關系和模型的具體抽象化。本文以利用python 3制作一個簡單的點菜系統為例子進行闡述。

（1）模型的組織結構（如圖1所示）

（2）模型元素的相互關系（如圖2所示）

（3）模型的具體抽象化（如圖3所示）

3.尋求問題最佳“算法”是計算思維的靈魂

計算思維離不開算法，但算法并不等同計算思維。利用計算思維處理問題是一個綜合性的過程，它涵蓋了計算機科學理念、數學理念和工程理念，而算法或編程只是把整個過程進行描述或具體化而已。在計算思維過程中，應借助“算法”將問題“化繁為簡”，以清晰的思路、具有可操作性的方法、有效率的途徑將問題解決。教師可從三個思維角度去引導學生尋求解決問題的最佳算法：一是順序性的功能實現（多次代碼實現）;二是循環性的功能實現（代碼一次實現）;三是結構性的功能實現（函數封裝）。通過這三個角度能讓學生在探索問題過程中向項目化、系統化的計算思維角度去靠攏。

二、python教學中計算思維的合理體現

1.利用python中條件循環結構體現邏輯思維

在計算思維中強調正確陳述、剖析問題，將復雜的關系轉成清晰的邏輯結構助力于問題的解決。問題的邏輯結構不外乎就是條件判斷和循環兩者的有機結合。例如上文的點菜系統，看似內容復雜繁多，但基本上可分類于以下幾種邏輯結構：（1）整個系統是否有條件循環？（while語法結構）（2）點菜過程是否有條件選擇？用戶輸入格式是否有條件限制？（if語法結構）（3）用餐費用結算是否有條件選擇？（if語法結構）

2.利用python中的函數結構體現抽象思維

python函數中具備將功能操作進行封裝的特點。在將問題進行剖析之后，應對問題解決的步驟進行分塊，這個過程應引導學生合理地進行函數功能設計，但不必要去思考函數的具體實現。進行函數設計之后，再去思考這些函數之間的數據傳遞關系，從而將函數間的關系進一步明確。

3.利用python中turtle模塊體現建模思維

Turtle模塊能讓學生感受到問題解決的過程及結果的體現。教師可以借助Turtle引導學生對問題進行建模。例如，制作一個立體的動態星空。這個問題教師可以引導學生在Turtle中先畫出黑色背景和一個白色的小五角星。然后以此為基礎，再依次變化呈現出星空的狀態。如圖4所示。

三、利用python教學對計算思維的初步形成

在計算思維解決問題的過程中，教師在課堂上要引導學生從“輕算法、重方法”“輕結果、重分析”“輕過程、重系統”三個方面去向計算思維靠近，并逐步把計算思維融入問題的處理過程中，讓學生慢慢養成一種思維習慣。

實例：python課程中的列表處理數據。（電子地圖上城市的經緯度列表）

1.創建python列表

創建一個名為“map”，關于電子地圖城市的列表。

map=[“北京”，“石家莊”，“沈陽”，“廣州”]

通過創建列表問題，讓學生掌握將分散的元素（城市）轉化為集合形式（列表）。在這點上體現計算思維中的建模思想。教師還可以進一步地把問題加以擴展，將數據添加到列表中對應的元素中。

2.添加python列表數據

向列表中元素添加對應的數據，教師可從不同的角度去引導學生，通過對比指導學生在問題解決過程中要尋找“最佳算法”。

算法一：使用“insert”和“append”，向“map”列表直接添加數據。

map.insert（1，“N：39E116”）

map.insert（2，“N：37E114”）

map.insert（3，“N：41E123”）

map.insert（4，“N：41E123”）

這個方法需要按照列表元素位置的逐一添加，是一一對應的關系，位置序號不能搞混。

算法二：在創建列表時候加入數據

map=[“北京”，“N：39E116”，“石家莊”，“N：37E114”，“沈陽”，“N：41E123”，“廣州”，“N：41E123”]

3.顯示python列表數據

教師可引導學生逐步的將列表中的數據顯示出來，采用print語句，如：Print（map[1]，map[2]， map[3]，map[4]）。接著，教師可適當地提高學生的思維能力，比如采用循環思想解決具有規律性的問題。例子如下。

num=1

While num<=len（map）：

print（map[num]）

num=num+1

經過上面三個階段教師再讓學生多作深入探究問題，多尋求解決問題的方法。在此基礎上教師可再設計出一系列與列表相關的問題，如運用列表解決企業人員薪資問題、商品價格查詢問題、消費種類及消費金額問題等。

計算思維教學過程應該重點關注學生思考、探索、尋求問題解決方法的過程，而不是問題解決的結果。學生學習計算思維本身就是一個系統化的過程。教師不能“斷章取義”，將計算思維過程中某個環節作為課堂的教學和訓練。教師需在理論上把計算思維理解透徹，在課程設計上逐漸滲透，把計算思維有機地融入教學過程中，從而將計算思維變成學生一種“慣性”的思考習慣。

參考文獻：

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