計算思維在物理課程中的培養(yǎng)*

摘" 要" 簡要說明計算思維的概念，分析物理學(xué)科與計算思維培養(yǎng)之間的聯(lián)系，以PBL教學(xué)法為基礎(chǔ)，構(gòu)建物理課程中培養(yǎng)計算思維的教學(xué)模式。依托Python軟件，在充分分析學(xué)生基礎(chǔ)后，以中學(xué)物理課程中具體問題情境滲透計算思維教育，從而加強計算思維與物理學(xué)科教學(xué)的融合，促進學(xué)生計算思維培養(yǎng)，提高學(xué)生邏輯思維和應(yīng)用計算機解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞" 計算思維；Python；物理課程；PBL；信息技術(shù)；信息素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7" " 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）23-0131-04

0" 引言

周以真教授在2006年首先提出計算思維（Com-putational Thinking）的概念，筆者認(rèn)為周教授的目的是讓人們在實際中探索計算思維的培養(yǎng)，而非過深地糾結(jié)其定義與內(nèi)涵。目前，國外計算思維應(yīng)用研究主要集中在中小學(xué)階段，而我國有關(guān)計算思維在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究還較少，計算思維培養(yǎng)主要集中在信息課上。計算思維強調(diào)使用現(xiàn)代化手段解決實際問題，如果僅僅只在信息課上學(xué)習(xí)，只在信息課上使用，那么就達不到學(xué)以致用的效果。這點在《教育信息化2.0行動計劃》中同樣有所體現(xiàn)，該文件要求全面提升師生的信息素養(yǎng)，并能夠應(yīng)用信息素養(yǎng)解決教學(xué)、學(xué)習(xí)、生活中的問題[1]。因此，本文以物理課程視角開展計算思維培養(yǎng)，將計算思維滲透于物理學(xué)科中進行教學(xué)，既能夠培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，又能夠促進物理與信息技術(shù)融合遷移，加強計算思維的運用實踐。

1" 計算思維

周以真教授2006年提出的計算思維的概念指出，計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動[2]。2010年，周以真教授對原先概念進行一些修改，指出計算思維是與形式化問題及其解決方案相關(guān)的思維過程，其解決問題的表示形式應(yīng)該能有效地被信息處理代理執(zhí)行[3]。

這兩種表述變化將計算思維由宏觀指向微觀，但都說明計算思維是指向問題解決的一種思維方式。計算思維也被看作當(dāng)今不可或缺的思維方式，而利用計算思維解決問題應(yīng)成為每個人必備的技能。

盡管對于計算思維的定義尚未統(tǒng)一，但它可被描述為一種解決問題的方法，目前各國對計算思維的培養(yǎng)正逐步推進，強調(diào)計算思維不只是編寫計算機程序，更是超越編程的跨學(xué)科整合。計算思維作為連接計算機和其他學(xué)科的橋梁，結(jié)合具體科目進行培養(yǎng)比單獨學(xué)習(xí)更有效。相關(guān)研究表明，計算思維教育應(yīng)當(dāng)與各種課程教學(xué)相結(jié)合[4]，將計算思維整合到各個學(xué)科，既有利于學(xué)習(xí)課程，也有利于計算思維能力培養(yǎng)，同時有利于計算思維在各個具體場景中的實踐。

2" Python在我國中小學(xué)信息技術(shù)課程中的應(yīng)用

計算思維是利用計算機來解決實際問題，那么在中小學(xué)開展計算思維教育選擇合適的編程語言十分重要。小學(xué)階段主要教授的是Scratch等圖形化編程語言，對于中學(xué)生來說，Python這種高級編程語言更為合適。Python是一種面向?qū)ο蟆⑷躅愋汀⒔忉屝偷木幊淘O(shè)計語言，也是功能強大的通用開放型語言。相比其他語言，Python代碼非常簡單，簡潔明了，上手學(xué)習(xí)較容易。在各級各類學(xué)校信息技術(shù)課程實施上，要逐漸將信息技術(shù)納入初高中學(xué)業(yè)水平考試中，目前我國多地將Python編程教育納入中小學(xué)教育，浙江甚至將編程納入高考，部分地區(qū)還開設(shè)了Python的校本課程，其余各地也在逐步跟進。

國家重視的信息素養(yǎng)與計算思維密不可分，都是要求應(yīng)用現(xiàn)代化手段解決教學(xué)、學(xué)習(xí)和生活中的實際問題，解決問題的背后要充分地理解問題，有邏輯地進行分析，不只是單純地編寫一些編程代碼，而是像計算機科學(xué)家一樣思考。

3" 在物理課程教學(xué)中融入計算思維的培養(yǎng)

目前我國培養(yǎng)計算思維的主陣地是信息技術(shù)課堂，但計算思維不僅是解決編程上的問題，更多的是通過計算思維培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維與問題解決能力，因此，計算思維培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)滲透在學(xué)校課程的各門課中，將各學(xué)科知識與計算思維相結(jié)合。國外已將計算思維引入數(shù)學(xué)課堂與科學(xué)課堂。通過信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)計算思維基本的概念結(jié)構(gòu)以及編程語言的基本用法，結(jié)合具體的物理情境進行實踐訓(xùn)練[5]。下文以物理課程視角來探索培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

3.1" 理論基礎(chǔ)

基于PBL教學(xué)法，以解決實際物理問題為導(dǎo)向，將復(fù)雜的物理問題分解為小問題逐步突破[6]。在實際實施中，根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)和教學(xué)內(nèi)容，確定學(xué)習(xí)內(nèi)容，然后由信息技術(shù)教師先行教授所要使用的基本操作，再由物理教師對教學(xué)內(nèi)容進行教學(xué)，接著構(gòu)建一個簡單的物理情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，以簡入繁，以此來體會計算思維與物理知識的融合；當(dāng)學(xué)生能力足夠時，發(fā)布新的較難的物理情境，讓學(xué)生分小組對問題進行分割，開展合作探究；待學(xué)生解決問題后進行展示評價，教師最后進行總結(jié)。

基于PBL教學(xué)法開展計算思維培養(yǎng)的流程與計算思維定義要求有許多相通之處：計算思維強調(diào)分解、抽象、算法、迭代[7]，分解與PBL分解問題本質(zhì)是相同的，都是將復(fù)雜問題分解為小問題、可執(zhí)行的過程；抽象是識別模型的重要特征，對應(yīng)著分析問題；算法（創(chuàng)建一系列有序步驟完成任務(wù)）和迭代（細化操作，逐步接近結(jié)果）與解決問題相對應(yīng)。

3.2" 教學(xué)內(nèi)容選擇

高中物理力學(xué)綜合題一直以來都是高考命題的熱點，旨在通過物理綜合題考查學(xué)生對物理問題的分析能力。在面對物理力學(xué)綜合題時，只要學(xué)生能將物體的運動狀態(tài)分析清楚，將整個物理運動過程分解為各個小部分，那么解題就變得非常容易。以此部分的問題對學(xué)生進行計算思維的培養(yǎng)，讓學(xué)生通過運用計算思維來模擬物體的運動狀況，由簡單問題入手，再將復(fù)雜問題化簡為若干個小問題，有一定難度，又符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)的理念。

本次案例所選取的物理問題內(nèi)容如下：

光滑水平地面上有一質(zhì)量m為2 kg的木板，質(zhì)量M為4 kg的木塊靜放在木板左端，木塊與木板之間的動摩擦因數(shù)是0.3。木板與木塊以共速2 m/s大小向右運動，一段時間后，與豎直墻壁發(fā)生碰撞。設(shè)碰撞時間極短，且木板以原速率反彈，最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，木板夠長，g=10 m/s2。以此物理情境為教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生做出動畫模擬和速度—時間圖像。

3.3" 學(xué)生基礎(chǔ)分析

3.3.1" 信息技術(shù)方面

學(xué)生在初高中學(xué)習(xí)過Python語言，對Python的基礎(chǔ)知識、控制語句與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)有一定的了解。Python語句簡單清晰，底層邏輯明顯，只要能夠掌握基礎(chǔ)的語句運算，使用Python來模擬解決物理模型對學(xué)生來說不失為一種好方法。

3.3.2" 物理學(xué)科知識方面

學(xué)生學(xué)習(xí)了必修一、必修二和選修3-5中的動量部分，對物體碰撞、平動有自己的理解，具備運用已有物理概念和規(guī)律來分析問題、解決問題的能力。

3.4" 實施環(huán)節(jié)

實施環(huán)節(jié)如表1所示。

3.5" 案例說明

本案例設(shè)計是學(xué)科交叉融合來培養(yǎng)學(xué)生計算思維的一個嘗試。學(xué)生對物塊運動模型的物理背景非常熟悉，稍加思考就能夠分析清楚實際運動狀況。先以簡單問題創(chuàng)設(shè)情境，初步體會計算機助力解決物理問題的優(yōu)勢，然后拋出復(fù)雜的新物理問題，讓學(xué)生以分小組的形式主動思考分解問題。這里的分解與物理中的微元法相同，有了計算機的加入，便可將這些重復(fù)性的計算自動化處理。

協(xié)作學(xué)習(xí)解決問題是培養(yǎng)計算思維的關(guān)鍵活動，如何設(shè)計算法與迭代是學(xué)生主要思考的問題，在不斷嘗試、調(diào)試后得到解決問題的方案。成果展示中通過對比不同小組的算法設(shè)計，能及時給學(xué)生提供反饋，進而在優(yōu)化算法中提升其計算思維能力。

最后的總結(jié)環(huán)節(jié)是對本次教學(xué)的整體回顧，幫助學(xué)生從單一的物理情境中跳出來，向更多的情境中遷移，達到使用計算機解決生活實際問題的目的。

在物理課堂上融入計算思維培養(yǎng)與僅僅只在信息技術(shù)課堂上培養(yǎng)明顯不同，只在信息技術(shù)課堂上培養(yǎng)會使學(xué)生的學(xué)習(xí)與現(xiàn)實情境相脫離，結(jié)合物理情境對學(xué)生的計算思維進行培養(yǎng)非常重要[8]。與此同時，在物理課程中通過對物理模型的模擬培養(yǎng)學(xué)生計算思維，使學(xué)生對物理觀念有了更深的理解。比如此次模擬中涉及的力學(xué)部分知識，木板與物塊有相對運動產(chǎn)生摩擦力，摩擦力產(chǎn)生的加速度方向與物塊運動方向相反，所以物體做減速運動。通過多次分階段判斷物體運動狀態(tài)，不斷強化此方面的物理知識。而借助物理實例進行的模擬過程中又包含對問題的分解，將真實情境抽象化，以及算法與迭代的設(shè)計，都與計算思維的培養(yǎng)密不可分。

4" 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的在信息技術(shù)課堂上培養(yǎng)計算思維不同，本文將視野聚焦于在物理課程中培養(yǎng)計算思維，從物理課程中的實際問題出發(fā)，讓學(xué)生用編程的方式來模擬物理模型，從而解決物理問題。學(xué)生通過對物理情境的模擬，分階段考慮物體運動情況的思路深入人心，對物體的平動有了更深的理解，不僅可以加強物理與信息技術(shù)的聯(lián)系，也可以強化計算思維在物理學(xué)科中的應(yīng)用。計算思維是此次學(xué)習(xí)活動的重點，但并不是本次課程的唯一重點，通過不斷強化對物理知識的理解與運用，培養(yǎng)學(xué)生物理思維能力的同時進行計算思維的實踐訓(xùn)練。物理源于生活，以物理情境作為計算思維培養(yǎng)的土壤，使計算思維能力培養(yǎng)落于實處，有利于幫助學(xué)生實現(xiàn)知識的遷移，打破學(xué)科間的知識壁壘，促進學(xué)科交叉融合。物理教學(xué)與計算思維培養(yǎng)相互補充，聯(lián)合培養(yǎng)、共同進步，讓學(xué)生體會知識的系統(tǒng)性，體會計算思維在解決實際問題中的作用和價值，更有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。本文通過物理情境中滑塊與木板的運動來進行相關(guān)研究，在物理學(xué)科中還有很多類型的內(nèi)容和習(xí)題也適合對學(xué)生開展計算思維培養(yǎng)，如帶電粒子在復(fù)合場中的運動等，讀者可以自行嘗試探索。

參考文獻

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*項目來源：陜西理工大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項目“學(xué)科教學(xué)物理專業(yè)學(xué)位研究生實踐教學(xué)研究”（項目編號：SLGYJG2014）。

作者：王勝利，陜西理工大學(xué)物理與電信工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為中學(xué)物理教育；王亞輝，陜西理工大學(xué)物理與電信工程學(xué)院物理系主任，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向為物理學(xué)教育（723001）。