以問題解決促進(jìn)中學(xué)生計算思維發(fā)展的教學(xué)策略

趙樂斌 福建省福州市晉安區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校/福建省福州第二十中學(xué)

基于問題解決的中學(xué)信息技術(shù)課堂教學(xué)，倡導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中經(jīng)歷問題的理解、分析、解決、總結(jié)遷移等，達(dá)到發(fā)展計算思維的目的。將教學(xué)內(nèi)容蘊(yùn)藏在問題解決過程中，能夠有效地克服學(xué)生的思維惰性，避免講練式的知識傳遞、任務(wù)式的技能訓(xùn)練等所導(dǎo)向的淺層學(xué)習(xí)。

●基于數(shù)據(jù)組織認(rèn)識問題，關(guān)注計算思維的抽象本質(zhì)

1.對形象問題進(jìn)行抽象特征

現(xiàn)實(shí)社會中的信息活動呈現(xiàn)出客觀物理世界和虛擬數(shù)字世界之間的相互依存，表現(xiàn)于具體物理量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。例如，如果要求設(shè)計一個杯子，學(xué)生常會受到形象認(rèn)識的束縛，進(jìn)行具有普遍性的水杯制作，而當(dāng)學(xué)習(xí)要求抽象到制作一個容器的高度時，學(xué)生設(shè)計的作品在樣式上就會呈現(xiàn)多樣性。因此，在信息技術(shù)課堂教學(xué)中，需要引導(dǎo)學(xué)生在認(rèn)識問題的過程中，脫離形式上的束縛，抓住主要內(nèi)容抽象其特征。以計算思維培養(yǎng)為目的，了解問題，以數(shù)據(jù)為抓手，基于數(shù)據(jù)界定、變量賦值、數(shù)據(jù)計算、數(shù)值判斷等角度去理解問題，抽象問題的特征，變形象問題為抽象的計算問題，這樣的問題重構(gòu)，有助于學(xué)生對問題的認(rèn)識從感性的情境理解，借助數(shù)據(jù)媒介，上升到計算可處理對象的理性認(rèn)識，在了解問題的本質(zhì)特征過程中，不斷培養(yǎng)抽象能力。

例如，閩教版初中信息技術(shù)《體驗分支結(jié)構(gòu)》一課，要求結(jié)合“探秘?zé)o人駕駛汽車”學(xué)習(xí)主題，設(shè)計如何實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車遇到紅綠燈，執(zhí)行停車等候或繼續(xù)行駛。在分支結(jié)構(gòu)的第一課時，主要了解與學(xué)習(xí)經(jīng)典的分支結(jié)構(gòu)，即根據(jù)兩種不同的簡單條件，執(zhí)行不同的指令。通過無人駕駛汽車通過紅綠燈的問題，學(xué)生明確問題的關(guān)鍵，綠燈時屏幕輸出“繼續(xù)行駛”，非綠燈時屏幕輸出“停車等候”。為了實(shí)現(xiàn)條件識別具有確定性和有效性，采用數(shù)據(jù)量化的方式設(shè)置條件，在約定“綠燈亮”時，“紅綠燈狀態(tài)”設(shè)定為數(shù)值1，其他數(shù)值時，就表示非綠燈狀態(tài)。將生活中根據(jù)紅綠燈行動的情境抽象成“紅綠燈狀態(tài)”變量數(shù)值的判定，讓條件語句更加確切，能夠有效得到判斷和執(zhí)行。

2.由抽象問題還原具象認(rèn)知

在重視抽象能力的同時，也要關(guān)注問題抽象后知識的理解和掌握。計算思維培養(yǎng)視閾下的程序設(shè)計和問題解決是抽象的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生通過對抽象概念原理的理解，能夠正確認(rèn)識抽象問題中關(guān)鍵的內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)關(guān)系、算法等，其中也涉及規(guī)則、約定以及相關(guān)編程技巧等。

例如，在借助Python開展“走進(jìn)程序世界”教學(xué)活動中，在學(xué)生了解基本的輸出語句后，教師可以反饋具體課堂紀(jì)律的學(xué)情統(tǒng)計為問題，采用填空題型的方式，使學(xué)生鞏固所學(xué)內(nèi)容。問題：用程序語句記錄“認(rèn)真聽課的同學(xué)”是“宋同學(xué)”，“上課講話的同學(xué)”先后分別是“陳同學(xué)”“謝同學(xué)”；最后讓計算機(jī)輸出講話的總?cè)藬?shù)和最后一位講話的同學(xué)的名字。問題的理解，涉及變量類型選擇、變量內(nèi)容的賦值、變量內(nèi)容的修改、輸出函數(shù)等相關(guān)計算知識復(fù)習(xí)。嘗試讓學(xué)生設(shè)定相關(guān)變量名，讓學(xué)生對變量名、變量值和變量類型等產(chǎn)生具象認(rèn)知，并觀察執(zhí)行變量賦值后程序的輸出情況，讓學(xué)生清楚地認(rèn)識到計算機(jī)執(zhí)行的處理指令，有時是肉眼看不到的（如“認(rèn)真聽課的同學(xué)”），因為它未執(zhí)行輸出指令，它的結(jié)果存放在內(nèi)存中，當(dāng)計算機(jī)斷電后，相關(guān)變量內(nèi)容信息將消失。

●源自生活觀察分析問題，重視計算思維的培育契機(jī)

1.瞄準(zhǔn)思維起點(diǎn)引發(fā)思考

以生活中的信息行為的理解為起點(diǎn)，能夠助推對學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)。因此，教師在教學(xué)過程中要善于利用生活中有益于計算思維培育的素材，將計算思維培育與學(xué)生已有的生活經(jīng)歷緊密聯(lián)系，抓住有利的思維起點(diǎn)，把握契機(jī)引發(fā)學(xué)生分析問題，積極提出解決問題的假設(shè)，將初步構(gòu)思的方法、步驟等與現(xiàn)實(shí)生活具體行為關(guān)聯(lián)，構(gòu)建激發(fā)思考、促進(jìn)學(xué)生潛能發(fā)展的教學(xué)活動。

例如，在結(jié)合無人駕駛小車項目進(jìn)行“算法和程序設(shè)計”單元學(xué)習(xí)的過程中，針對智能小車如何避礙行駛的問題，可引導(dǎo)學(xué)生先學(xué)習(xí)認(rèn)識超聲波傳感器、光電傳感器等，在障礙物感應(yīng)、巡線問題上，結(jié)合關(guān)愛特殊群體用拐杖感應(yīng)障礙物、依靠觸覺走盲道等生活行為，輔以蒙眼用手或紙板等道具實(shí)現(xiàn)走過班級通道的生活體驗，讓學(xué)生明白傳感器獲取相關(guān)信息的重要性，明確信息技術(shù)的變革和創(chuàng)新是為了更好地解決生活中的復(fù)雜問題。

2.分解問題體驗算法思維

分解問題就是把一個問題分解成若干個子問題，解決了子問題，再把解決子問題的方案合成解決原問題的方案。分解問題不同于解決問題時的分步驟實(shí)施，不同于解決復(fù)雜問題時的不同分類情況，計算思維的分解能力比較抽象，分析問題時輔助典型生活實(shí)例介紹，能夠突出對問題分解能力的培養(yǎng)。

例如，在分析用二分法查找有序數(shù)組中的具體數(shù)值時，教師讓學(xué)生分析生活中翻開書本第N頁的學(xué)習(xí)情境。解決這個問題的方法是，從學(xué)生呈現(xiàn)的逐頁翻，過渡到應(yīng)用二分法的思想“對半”進(jìn)行“兩手抓”翻書，然后根據(jù)翻到的頁碼，判斷在哪只手抓的部分里繼續(xù)對半查找，直到找到。在體驗后，幫助學(xué)生梳理翻書問題，其子問題算法步驟如下：①找出起始頁；②確定結(jié)束頁；③找到中間頁M；④判斷M和N的關(guān)系。諸如翻書的子問題的生活體驗，能夠培養(yǎng)學(xué)生通過分解子問題實(shí)現(xiàn)有效分析問題的思維能力，得出解決方案，感受算法思維的魅力。

●概括解決問題的方法，增強(qiáng)計算思維的價值體認(rèn)

1.找準(zhǔn)要點(diǎn)引導(dǎo)深度探究

在概括問題解決方案的過程時，除了使用的算法模型外，還要深度探究解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)，即問題的核心。通常以數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)之間的關(guān)系為突破口，進(jìn)行相關(guān)計算、分類、排序、查找、轉(zhuǎn)化等相關(guān)操作。探究關(guān)鍵點(diǎn)在解決問題與驗證方法過程中的作用，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用意義，實(shí)現(xiàn)從實(shí)踐體驗、學(xué)習(xí)感悟到價值認(rèn)同。

例如，在初中開源硬件體驗《智能小助手——噪音檢測儀》一課中，面對如何定時獲取教室環(huán)境聲音，并根據(jù)音量大小做出相關(guān)提示這個問題，在概括階段，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度探究，發(fā)現(xiàn)解決這個問題的核心就是“響度”這個變量數(shù)值的獲取，以及“指定數(shù)值”的確定，通過二者比較判定符合“環(huán)境聲音太大”情況。就計算思維的培養(yǎng)而言，課時內(nèi)容涉及了從傳感器獲得數(shù)據(jù)并進(jìn)行賦值，指定數(shù)值的確定，落實(shí)在具體數(shù)據(jù)上就是將“響度”變量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后根據(jù)具體分類情況，利用分支結(jié)構(gòu)，讓計算機(jī)執(zhí)行不同的操作。

2.找準(zhǔn)錨點(diǎn)提升計算觀念

計算觀念是學(xué)生思維的產(chǎn)物，是通過問題解決，由思維活動產(chǎn)生的某些具體的思想。這些觀念可能會隨著知識面的拓寬、思維能力的發(fā)展而不斷成熟。在教學(xué)過程中，要尋找問題解決過程中學(xué)生思維發(fā)展的著力點(diǎn)，使其領(lǐng)悟?qū)W科思想、學(xué)科觀念。

以解決1+2+3+4+5+6的累加問題為例，根據(jù)中學(xué)生已有的認(rèn)知，能夠在掌握順序結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行簡單的代碼編寫。方案一：用簡單語句s=0，s=s+1，s=s+2，一直到s=s+6，最后輸出s的值。方案二：在簡單算術(shù)運(yùn)算基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)數(shù)列的規(guī)律，使用計數(shù)器，用相關(guān)變量的累加代替具體加數(shù)，采用語句s=0，i=1，s=s+i，i=i+1，s=s+i，i=i+1，一直到i=6，輸出s+i的值。方案三：學(xué)習(xí)新知利用循環(huán)結(jié)構(gòu)。能夠發(fā)現(xiàn)這三個方案之間的區(qū)別，就是學(xué)生計算觀念發(fā)生飛躍的過程、基于問題解決的計算思維的領(lǐng)悟，以及通過問題解決實(shí)現(xiàn)從知識掌握到思維發(fā)展的跨越。思維發(fā)展的著力點(diǎn)在方案二，它是學(xué)生在能夠解決的方案一的基礎(chǔ)上，提出的關(guān)于i=i+1、s=s+i就是帶有普遍性和代表性的計數(shù)器、累加器的初步應(yīng)用，能夠在同類型問題中繼承應(yīng)用。將此作為提升計算觀念的錨點(diǎn)，能夠基于方法觀察、對比、探究，有效地發(fā)展學(xué)生的思維能力。在具體問題解決過程中，引導(dǎo)學(xué)生意識到，發(fā)現(xiàn)有價值的算法、提出高效的算法等，比最后的編程實(shí)現(xiàn)更有意義。

●思路交流拓展問題解決，實(shí)現(xiàn)計算思維的能力遷移

1.交流思路內(nèi)化所學(xué)

在計算思維培育過程中，圍繞解決問題的方法進(jìn)行思路交流，可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)設(shè)計的算法的優(yōu)點(diǎn)與不足，并不斷優(yōu)化改進(jìn)，明白問題的解決是循序漸進(jìn)的過程，也可以讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)從掌握解決問題的方法到方法的創(chuàng)新。同時，可以幫助學(xué)生內(nèi)化所學(xué)知識，為后續(xù)的遷移解決相關(guān)問題打好基礎(chǔ)。

例如，在解決期末成績判定等級的問題時，學(xué)生的差異性體現(xiàn)在會采用比較簡單的單分支語句if cj>=90 and cj<=100:print('優(yōu)秀')；if cj>=70 and cj<90: print('良好')；if cj>=60 and cj<70:print('合格')；if cj<60 and cj>=0:print('不合格')。雖然這樣的算法能夠解決問題，但不是追求的最優(yōu)算法。在交流過程中，學(xué)生通過將多個單分支的流程圖的串聯(lián)，與多分支結(jié)構(gòu)依據(jù)條件判斷分類執(zhí)行的情形相比，明確在單個數(shù)據(jù)的判定上，采用單分支結(jié)構(gòu)做了許多冗余的操作，得到其執(zhí)行的效率太低，在遇到大量數(shù)據(jù)的時候，就會大大影響執(zhí)行速度的結(jié)論。思路交流讓學(xué)生明確了算法的不斷改進(jìn)優(yōu)化需要更好的解決方法，同時內(nèi)化了所學(xué)的相關(guān)知識。

2.拓展問題情境實(shí)現(xiàn)遷移

在教學(xué)中，學(xué)生通過交流、分享具體問題情境下的解決方法，嘗試形成普適性的問題解決模型，能夠領(lǐng)悟?qū)W科思想，提升思維能力。

基于具體項目或問題，初中生會學(xué)習(xí)相關(guān)開源硬件的內(nèi)容，以具體傳感器應(yīng)用為邏輯主線，涉及通過諸如濕度傳感器進(jìn)行土壤濕度數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理，決定是否啟用花卉灌溉設(shè)備等，學(xué)生在比較是否使用傳感器處理同類問題的效果異同，掌握應(yīng)用濕度傳感器解決問題的同時，通過學(xué)習(xí)交流，拓展到對使用光敏、聲敏、熱敏等傳感設(shè)備來解決灌溉、照明、加熱等問題的思考，以及復(fù)雜情境問題的解決，讓學(xué)習(xí)視野、思維不再局限在課時內(nèi)容范圍內(nèi)，而是通過一個問題的解決，可以從容面對相似的問題。

綜上所述，基于問題解決，在抽象、分解、算法、概括等方面發(fā)展中學(xué)生的計算思維，能夠讓學(xué)生了解并正確對待計算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)相關(guān)的系統(tǒng)、問題、行為，能夠從設(shè)計者的角度去思考和解決問題，理性對待問題，不斷提高問題求解能力。